减小明洞回填损伤的数值模拟研究

减小明洞回填损伤的数值模拟研究

黄继龙

杭州林升地基基础工程有限公司

摘要：明洞回填作业中，相关的施工机械对明洞衬砌造成的损害已屡见不鲜。夯土过程中，土体所受的击实能量源源不断地下传，最后全部由明洞承担。不均匀的冲击受力， 使得明洞理想化的拱形形状无法化解集中的击实能量，以至于局部损害明洞衬砌，影响明洞整体受力。运用动量冲量原理，在明洞防水层上铺设一定厚度和密度的 EPS 板能有效的减小夯击能的冲量，减小明洞衬砌的损伤程度。

关键词：高回填明洞；衬砌损伤；击实能量；EPS 板

Research of The Numerical Simulation of Reducing The Damage of Backfill Open Cut Tunnel

Huang Jilong

(Hangzhou Linsheng Foundation Engineering Co.,Ltd)

Abstract: Construction machinery-related damage to the lining of open cut tunnel has been common in open cut tunnel backfilling. The process of ramming earth, compaction energy for soil sustained transfer to open cut tunnel. Uneven impact force, making open cut tunnel idealized arch form can not resolve the concentrated compaction energy , so local damaging for open cut tunnel lining, and affecting overall force. Using momentum-impulse principle, What a certain thickness and density of the EPS board laid on open cut tunnel waterproof layer can effectively reduce the tamping energy impulse, reducing the extent of damage for the lining of open cut tunnel.

Keywords: high backfill open cut tunnel; lining damage; compaction energy; EPS board

　　　随着土地资源的日益短缺和铁路项目的高速发展，如何合理地应用地下空间已成为新世纪首要的研究领域，其中隧道行业迅速崛起。由于受到地形地质的限制，隧道从勘察设计到施工运营阶段遇到的问题是风起云涌，所面临的困难与挑战是一山更比一山高。千百万年来，岩土的沉积与变质作用并没有形成稳定地形地貌，相反，不断地受到地壳运动的影响，原本完整的岩体严重风化，稳定性降低。在工程必须的情况下，通常以开挖沟槽、直接浇筑明洞代替隧道施工，以保证工程质量满足运营要求。因此明洞在未来社会中的运用必将越来越广泛。

　　　然而，明洞的开挖与回填并没有严谨统一的施工资料。通常在明洞回填过程中， 采用传统器械直接进行回填土的运输与压实，这对明洞衬砌的结构强度和耐久性有一定

的威胁。

1明洞回填过程中损害的原因

　　　针对沟槽式高回填明洞，国内外相关技术人员及专家做了大量的研究，在减小明洞拱顶的土压力等方面成果显著，这就大大降低了明洞设计和施工的难度[1]。但在明洞衬砌浇筑完成后进行回填土施工时，施工机械的运转和回填的不同步等所产生的冲击荷载对明洞造成的损害，已经影响到明洞的使用年限和运营要求。

　　　一方面装载机、推土机、电夯、压路机等施工机械给明洞衬砌以不均匀的受力， 使得明洞理想化的拱形形状起不到化解局部冲击力的作用——集中的荷载与局部受力更容易破坏衬砌结构；另一方面由于受到交通、季节等限制，必须在短时间里浇筑回填， 而明洞在短时间里根本无法达到设计强度——低强度的衬砌结构更容易受到损坏。

2减缓明洞衬砌损伤的机理

2.1减缓材料的选择

　　　自轻质高压缩的 EPS 板问世以来，由于具有良好的弹塑性、耐水性、抗老化性、耐腐蚀性、保温隔热等特点和优点[2]，相继运用于社会各个行业领域。根据各行各业的规范要求，已诞生出各种各样的属性和外观形态。再加上 EPS 板廉价易得、施工方便、对环境污染小，是本次模拟的最佳选材。

　　　采用的 EPS 板只是施工过程中对明洞衬砌的一种初级保护，所以在数值模拟时， 并不考虑它的耐久性、抗老化性和保温隔热等特点，主要运用 EPS 板良好的弹塑性来缓解冲击力。

2.2减缓机理

　　　由牛顿第二运动定律（公式 1）可推导出动量与冲量的关系式（公式 2）。从公式 2中可以看出，物体在一定的速度下运动时，就具备了一定的动量。具有一定动量的物体在运动过程中会给与它相撞的物体一定的冲量，被冲撞的物体会在短时间里受到强大的冲击力，以至于破坏物体结构；然而，如果能延长运动物体与被撞物体之间的接触时间， 则会减小物体之间的作用力。

　F = ma （公式 1）

Ft = mv （公式 2）

F —— 物体之间的作用力（N）；

m —— 运动物体的质量（kg）；

t —— 相撞物体之间的接触时间（s）；

a —— 运动物体的加速度（m/s2）；

v —— 运动物体的速度（m/s）。

　　　回填土体和明洞拱圈周围铺设的 EPS 板在电夯或压路机不停的冲量作用下，相继达到一定的压实度。与回填土的属性相比，EPS 板更具有一定的压缩能力，这就在一定程度上起到缓冲作用，延缓冲量到达明洞的时间，进而减小冲击力对明洞的损害。

3数值模拟减缓损伤的效果

　　　建立模型时，忽略明洞、边坡和地基等的材料构成影响，将明洞所受冲击压力等效为压强，作为主要分析对象。钢筋混凝土构成的明洞结构作为一个整体，折衷选取材料参数；不考虑边坡和地基的变形。

3.1材料属性

　　　结合工程造价和施工的便捷程度，数值模拟时，选取密度为 10kg/m3、12kg/m3、20kg/m3 的 EPS 板，以密度和弹性模量为主要的取值参数，忽略对模型影响较小的泊松比和屈服强度等，相关参数如表 1 所示。模型中的明洞和边坡地基以弹性材料选择其属

性值，填土以塑性材料选择属性值，相关参数如表 2 所示。

表 1 EPS 板的材料参数

表 2 其他材料的参数取值

3.2建立模型

　　　运用有限元软件，以横轴为 x 轴，纵轴为 y 轴建立二维高回填明洞结构模型，未填土时相应网格划分如图 1 所示。模型创建时，沟槽坡度选择 70°，填土高度取 25m， 从拱顶上 50cm 处开始算起，每层填土厚 5m，共 5 层填土，全部填土后相应网格划分如图 2 所示。明洞的左、右、下部分分别取明洞洞径的 5 倍距离。

图 1 未填土时结构模型网格划分图

图 2 填土后模型网格划分图

3.3运行结果对比分析

待有限元运行完成后，提取相关数据绘制折线图。

　　　随着填土高度的逐渐增高，明洞拱顶的压力差值与明洞是否铺设 EPS 板关系渐不明显，与铺设的 EPS 板的密度关系渐不明显，具体分布如图 3 所示。因此，在一定的填土高度后，机械振动产生的损害波远小于土压力的对明洞的作用，而且一定厚度的土体本身就可以卸载掉机械振动所产生的危害，使得施工机械对拱顶的损害程度大大减小，取而代之的是高填土方的强大压力，属于高填明洞减载的研究对象，这里不做讨论。所以，施工机械主要在明洞填土的第一、二层处损坏明洞衬砌。

　　　通过观察第一、二层填土，在同一密度下，选取 EPS 板不同铺设厚度分别与不铺设 EPS 板进行比较，其关系如图 4、图 5、图 6 所示；三幅图均表示出：随着 EPS 板厚度的增加，减震效率越来越好。在同一厚度下，选取 EPS 板不同密度之间进行比较， 其关系如图 7、图 8、图 9 所示；纵观三幅图，可以得出随着 EPS 板密度的增加，不同密度之间减震效率差值在逐渐减小。

图 3 不同材质减震后拱顶压力的比较

图 4 ρ=10kg/m3 EPS 板不同厚度之间的减震比较

图 5 ρ=12kg/m3 EPS 板不同厚度之间的减震比较

图 6 ρ=20kg/m3 EPS 板不同厚度之间的减震比较

图 7 d=10cm EPS 板不同密度之间的减震比较

图 8 d=20cm EPS 板不同密度之间的减震比较

图 9 d=30cm EPS 板不同密度之间的减震比较

　　　　因此，在施工过程中，考虑到经济，用量等因素，可主观选取合适材料。4 结论

　　　（1）EPS 板布设在明洞防水板外侧，不但能减少施工机械对明洞的冲击，还能有效的保护防水板的完整性；不但有效的减缓了施工机械对明洞的冲击力，还能减少回填土的利用方量，具有一定的减载、保温等作用，适合于高填土严寒地区使用。

　　　（2）通过比较和分析，在密度不变的情况下，随着 EPS 板厚度的增加，减震效率越来越好。在厚度不变的情况下，随着 EPS 板密度的增加，不同密度之间减震效率差值在逐渐减小，趋于重合。

　　　（3）在一定填土高度后，机械振动产生的损害波远小于土压力的对明洞的作用， 而且一定厚度的土体本身就可以卸载掉机械振动所产生的危害，使得施工机械对拱顶的损害程度大大减小，取而代之的是高填土方的强大压力。所以，施工机械主要在明洞填土的第一、二层处损坏明洞衬砌。

参考文献

　　　[1]高振，严松红，马丽娜. EPS 板减载措施在明洞高回填土应用中的数值模拟研究[J].南阳理工学院学报，2014，6（3）：94-97.

[2]王文杰，张玉成，曾进群.EPS 板的特性及其在上埋涵管(洞) 减载中的应用[J]. 广州建筑，

2008，36（2）：31-34.