既有低等级公路隧道超挖回填技术研究
梁冰
【摘 要】上世纪国内采用矿山法施工的低等级公路隧道，普遍存在着严重超挖现象，且无初期支护和二衬。近年来逐步对该类隧道进行加固改造，但因该类隧道通车时间已久，围岩应力已调整并基本稳定，其超挖回填的技术与新建隧道不同。
【关键词】既有；隧道；超挖；回填
Both low-grade highway tunnel excavation backfill technology research
Liang Bing
(Jinhua City Highway Administration Jinhua Zhejiang 321013)
【Abstract】Century domestic mining method using low-grade highway tunnel construction, the prevalence of severe overbreak phenomenon, and no initial support and two lining. In recent years, the gradual transformation of the class to reinforce the tunnel, but the tunnel opened to traffic time such a long time, rock stress has been adjusted and stable, its different overbreak backfill technology and the new tunnel.
【Key words】Both;Tunnels;Overbreak;Backfill
上世纪八十年代前国内施工的低等级公路隧道大多采用矿山法的开挖工艺，特别是在低等级公路上，施工中普遍存在严重的超挖现象，断面大小不一，且大多数没有进行初期支护和二衬，给正常运营带来安全隐患。为保证运营安全，近年来逐步对该类隧道进行加固改造，但由于原有隧道超挖高度高，超欠挖部位也多种多样，包括拱顶、拱侧、侧墙，存在着回填方案、施工工艺上的困难，且衬砌的具体方法及施工工艺上也存在经验不足的问题。因此，为解决脱空部分回填的方法、减少偏压的影响等，本文对既有低等级公路隧道回填及加固技术等问题进行研究。
1. 主要研究内容
1.1 超挖脱空部分回填的材料比选及主要技术指标研究。拟定四种不同材料：粉煤灰、橡胶颗粒、干砂、膨胀珍珠岩等进行技术性能指标的比选。包括：重度、弹性模量、泊桑比、摩擦角、粘结力等。
1.2 研究不同回填工艺、不同回填材料对二衬结构内力的影响。
（1）根据隧道超挖的不同状态，研究与不同回填材料相适应的回填方法。
（2）根据既有隧道断面形态，结合回填材料和施工顺序，分析对二次衬砌混凝土结构的偏压受力状态，由此确定结构的荷载模式。
（3）从结构的受力以及材料的性能等方面对结构的安全性进行评价。当采用的回填施工方法不同时，衬砌在施工过程中承受的荷载将会有所不同，因此除了需要分析加固后隧道的长期安全性之外，尚需要根据不同的施工方法，验算结构施工期间的安全性与稳定性。
1.3 经济效益和社会效益分析。对隧道不同超挖情况的加固技术方案进行经济比较，以达到节省工程造价和节能降耗的目的。
2. 分析研究
超挖回填施工的关键是在选定合适的回填材料后保证施工各阶段的施工质量和施工安全。在进行超挖回填时由于衬砌远未达到其设计强度，回填过程中不确定的偏压荷载可能会对衬砌产生不利影响，并影响施工质量和施工安全。本文利用FLac3D有限差分计算软件，模拟不同施工阶段下衬砌在回填材料及围岩作用下的受力情况，通过后处理得到衬砌的弯矩轴力等具体值，得出施工过程中偏压荷载作用下的衬砌受力情况。本文分析具有代表性的两种二衬形式（有仰拱和无仰拱）在三种超挖情况即偏压荷载（拱顶超挖、边墙超挖、拱顶和边墙超挖）作用下，不同施工阶段对衬砌结构内力的情况，根据计算结果做出安全性评价。
2.1 不同回填材料对隧道二次衬砌结构内力的影响。
（1）计算模型采用的参数如表1、表2。
表1 回填材料物理力学参数一览表
回填材料 重度γ
（N/m3） 弹性模量
E（MPa） 泊松比
ν 内摩擦
角φ 黏聚力
c(MPa)
粉煤灰(二级) 10700～24000 30 0.4 20 0.2
干 砂（中砂） 19000～20500 40 0.27 37 0
膨胀珍珠岩 700～2500 40 0.3 38 0
橡胶颗粒
(4.5mm筛) 12500 35 0.3 35 0.35
表2 隧道围岩参数一览表
围岩
等级 埋深
（m） 泊松
比μ 弹性模量
E（GPa） 重度γ
（KN/m3） 内摩擦
角φ 黏聚力
c(MPa)
Ⅲ 150 0.27 10 23 45 1.1
表3 计算参数一览表
项 目 重度γ
(KN/m3) 弹性模量
E(MPa) 泊松
比μ 内摩擦
角φ 黏聚力
c(MPa)
干砂（中砂） 20 40 0.27 37 0
Ⅲ级围岩 23 10000 0.27 45 1.1
（2）通过计算分析，得出以下结论：使用四种回填材料对超挖回填段进行回填后的隧道二次衬砌的安全系数均能满足规范要求，不同回填材料下的安全系数差别比较明显，其中使用膨胀珍珠岩的安全系数最大，而其后依次是橡胶颗粒、干砂和粉煤灰。
2.2 不同回填工艺对结构内力的影响。
（1）计算模型采用的参数如表3、表4。
（2）计算模型分为无仰拱二衬和有仰拱二衬两类计算模型，其中每类模型有分为三种超挖回填偏压形式，再考虑不同的回填方法后进行建模（超挖形式信息一览表见表5）。
（3）综合分析以上六种情况下的衬砌受力情况，得出（无仰拱二衬回填安全系数分析表见表6、有仰拱二衬回填安全系数表见表7）。
表4 二衬设计参数表
混凝土
强度等级 厚度
(cm) 抗压强度
(MPa) 抗拉强度
(MPa) 泊松
比μ 弹性模
量(GPa)
C25 35 6.25 0.7 0.2 29.5
表5 超挖形式信息一览表
部位形式 超挖形式一 超挖形式二 超挖形式三
边墙拱部
对称超挖 拱部对称超挖 边墙拱部
非对称超挖
拱 顶 有 有 有
左拱腰 有 无 无
左边墙 有 无 无
右拱腰 有 无 有
右边墙 有 无 有
表6 无仰拱二衬回填安全系数分析表
部位超挖形式 超挖形式一 超挖形式二 超挖形式三
无仰拱 部位 无仰拱 部位 无仰拱 部位
回填至边墙 85.72 拱脚 —— —— 90.02 墙脚
回填至拱腰 5.86 拱脚 —— —— 4.67 墙脚
回填至拱顶 2.93 拱顶 9.84 拱腰 8.04 拱脚表7 有仰拱二衬回填安全系数表
部位安全系数 超挖形式一 超挖形式二 超挖形式三
有仰拱 部位 有仰拱 部位 有仰拱 部位
回填至边墙 —— —— —— —— 82.1 墙脚
回填至拱腰 2.6 墙中 —— —— 18.16 墙脚
回填至拱顶 9.74 拱顶 9.62 拱腰 7.21 墙脚
（4）通过计算分析，得出以下结论：总体上来说，在超挖形式一时，有仰拱二衬比无仰拱二砌安全系数更大，受力更合理；在超挖形式二和三时，两种结构形式的二衬结构安全系数差别不大。
（5）具体来看，不论何种超挖形式，当回填至边墙顶部时，衬砌所受荷载较小；当回填材料回填至拱腰时，衬砌所受内力明显变大，并在边墙处出现较大弯矩；当回填材料回填至拱顶时，在不同的超挖形式下，衬砌的受力情况不同，超挖形式一在拱顶截面处受力最不利，超挖形式二在拱腰衬砌截面处的受力最不利，超挖形式三在拱腰处截面处的受力最不利。
（6）所以，当回填材料回填至拱腰时，应确保边墙支撑的稳定；当回填至拱顶时，在确保支撑稳定的同时要在衬砌强度达到足够强度以后再进行拆模，以免衬砌受力变形过大或出现裂缝。
2.3 超挖范围及回填工艺对结构内力影响。
（1）对于拱部超挖情况，当超挖高度＜10m时，采用干砂进行回填安全性满足规范要求；当超挖高度在10m～14m时，采用干砂进行回填已不能满足规范要求，若此时不改变二衬截面高度，为保证二衬安全性符合规范要求，建议使用膨胀珍珠岩进行回填。
（2）对于拱部及两侧超挖情况，当超挖高度＜4m时，采用干砂进行回填安全性满足规范要求；当超挖高度在4～16m时，采用干砂进行回填已不能满足规范要求，若此时不改变二衬截面高度，为保证二衬安全性符合规范要求，建议使用膨胀珍珠岩进行回填。
2.4 不同回填材料及施工工艺经济性评价。
2.4.1 目前了解到的这四种回填材料的价格如表8。
表8 回填材料价格一览表
材 料 折算价格
（元/m3） 材 料 折算价格
（元/m3）
粉煤灰(二级) 270 膨胀珍珠岩 300
干 砂（中砂） 100 橡胶颗粒
(4.5mm筛) 1120～1250
2.4.2 综合前述内容，可以得出结论：
（1）对于单纯拱部超挖情况，当超挖高度＜10m时，采用干砂进行回填既安全又经济；当超挖高度≥10m时，采用干砂进行回填已不能满足规范要求，为保证二衬安全性符合规范要求，建议使用膨胀珍珠岩进行回填。
（2）对于拱部及两侧超挖情况，当超挖高度＜4m时，采用干砂进行回填既安全又经济；当超挖高度在4～16m时，采用干砂进行回填已不能满足规范要求，为保证二衬安全性符合规范要求，建议使用膨胀珍珠岩进行回填。
3. 小 结
综合分析以上计算结果，确定干砂为首选回填材料，当超挖高度较大，采用干砂进行回填二衬安全性不满足要求时应采用膨胀珍珠岩进行回填，理由如下：
（1）经过计算，尽管干砂回填后的衬砌安全系数不如回填膨胀珍珠岩安全系数大，但是当超挖高度较小时，采用干砂回填后衬砌安全系数仍能满足规范要求。
（2）几种回填材料中，干砂的价格最低，使用它进行回填时经济性更好。
（3）当超挖高度较大（单纯拱部超挖≥10m或拱部及两侧超挖≥4m），存在大方量回填时，材料的重度影响二衬的安全性，采用膨胀珍珠岩更合理。
（4）在进行回填材料回填时，当回填材料回填至拱腰时，应确保支撑的稳定；当回填至拱顶时，在确保支撑稳定的同时要在衬砌强度达到足够强度以后再进行拆模，以免衬砌受力变形过大或出现裂缝。
【摘 要】上世纪国内采用矿山法施工的低等级公路隧道，普遍存在着严重超挖现象，且无初期支护和二衬。近年来逐步对该类隧道进行加固改造，但因该类隧道通车时间已久，围岩应力已调整并基本稳定，其超挖回填的技术与新建隧道不同。
【关键词】既有；隧道；超挖；回填
Both low-grade highway tunnel excavation backfill technology research
Liang Bing
(Jinhua City Highway Administration Jinhua Zhejiang 321013)
【Abstract】Century domestic mining method using low-grade highway tunnel construction, the prevalence of severe overbreak phenomenon, and no initial support and two lining. In recent years, the gradual transformation of the class to reinforce the tunnel, but the tunnel opened to traffic time such a long time, rock stress has been adjusted and stable, its different overbreak backfill technology and the new tunnel.
【Key words】Both;Tunnels;Overbreak;Backfill
上世纪八十年代前国内施工的低等级公路隧道大多采用矿山法的开挖工艺，特别是在低等级公路上，施工中普遍存在严重的超挖现象，断面大小不一，且大多数没有进行初期支护和二衬，给正常运营带来安全隐患。为保证运营安全，近年来逐步对该类隧道进行加固改造，但由于原有隧道超挖高度高，超欠挖部位也多种多样，包括拱顶、拱侧、侧墙，存在着回填方案、施工工艺上的困难，且衬砌的具体方法及施工工艺上也存在经验不足的问题。因此，为解决脱空部分回填的方法、减少偏压的影响等，本文对既有低等级公路隧道回填及加固技术等问题进行研究。
1. 主要研究内容
1.1 超挖脱空部分回填的材料比选及主要技术指标研究。拟定四种不同材料：粉煤灰、橡胶颗粒、干砂、膨胀珍珠岩等进行技术性能指标的比选。包括：重度、弹性模量、泊桑比、摩擦角、粘结力等。
1.2 研究不同回填工艺、不同回填材料对二衬结构内力的影响。
（1）根据隧道超挖的不同状态，研究与不同回填材料相适应的回填方法。
（2）根据既有隧道断面形态，结合回填材料和施工顺序，分析对二次衬砌混凝土结构的偏压受力状态，由此确定结构的荷载模式。
（3）从结构的受力以及材料的性能等方面对结构的安全性进行评价。当采用的回填施工方法不同时，衬砌在施工过程中承受的荷载将会有所不同，因此除了需要分析加固后隧道的长期安全性之外，尚需要根据不同的施工方法，验算结构施工期间的安全性与稳定性。
1.3 经济效益和社会效益分析。对隧道不同超挖情况的加固技术方案进行经济比较，以达到节省工程造价和节能降耗的目的。
2. 分析研究
超挖回填施工的关键是在选定合适的回填材料后保证施工各阶段的施工质量和施工安全。在进行超挖回填时由于衬砌远未达到其设计强度，回填过程中不确定的偏压荷载可能会对衬砌产生不利影响，并影响施工质量和施工安全。本文利用FLac3D有限差分计算软件，模拟不同施工阶段下衬砌在回填材料及围岩作用下的受力情况，通过后处理得到衬砌的弯矩轴力等具体值，得出施工过程中偏压荷载作用下的衬砌受力情况。本文分析具有代表性的两种二衬形式（有仰拱和无仰拱）在三种超挖情况即偏压荷载（拱顶超挖、边墙超挖、拱顶和边墙超挖）作用下，不同施工阶段对衬砌结构内力的情况，根据计算结果做出安全性评价。
2.1 不同回填材料对隧道二次衬砌结构内力的影响。
（1）计算模型采用的参数如表1、表2。
表1 回填材料物理力学参数一览表
回填材料 重度γ
（N/m3） 弹性模量
E（MPa） 泊松比
ν 内摩擦
角φ 黏聚力
c(MPa)
粉煤灰(二级) 10700～24000 30 0.4 20 0.2
干 砂（中砂） 19000～20500 40 0.27 37 0
膨胀珍珠岩 700～2500 40 0.3 38 0
橡胶颗粒
(4.5mm筛) 12500 35 0.3 35 0.35
表2 隧道围岩参数一览表
围岩
等级 埋深
（m） 泊松
比μ 弹性模量
E（GPa） 重度γ
（KN/m3） 内摩擦
角φ 黏聚力
c(MPa)
Ⅲ 150 0.27 10 23 45 1.1
表3 计算参数一览表
项 目 重度γ
(KN/m3) 弹性模量
E(MPa) 泊松
比μ 内摩擦
角φ 黏聚力
c(MPa)
干砂（中砂） 20 40 0.27 37 0
Ⅲ级围岩 23 10000 0.27 45 1.1
（2）通过计算分析，得出以下结论：使用四种回填材料对超挖回填段进行回填后的隧道二次衬砌的安全系数均能满足规范要求，不同回填材料下的安全系数差别比较明显，其中使用膨胀珍珠岩的安全系数最大，而其后依次是橡胶颗粒、干砂和粉煤灰。
2.2 不同回填工艺对结构内力的影响。
（1）计算模型采用的参数如表3、表4。
（2）计算模型分为无仰拱二衬和有仰拱二衬两类计算模型，其中每类模型有分为三种超挖回填偏压形式，再考虑不同的回填方法后进行建模（超挖形式信息一览表见表5）。
（3）综合分析以上六种情况下的衬砌受力情况，得出（无仰拱二衬回填安全系数分析表见表6、有仰拱二衬回填安全系数表见表7）。
表4 二衬设计参数表
混凝土
强度等级 厚度
(cm) 抗压强度
(MPa) 抗拉强度
(MPa) 泊松
比μ 弹性模
量(GPa)
C25 35 6.25 0.7 0.2 29.5
表5 超挖形式信息一览表
部位形式 超挖形式一 超挖形式二 超挖形式三
边墙拱部
对称超挖 拱部对称超挖 边墙拱部
非对称超挖
拱 顶 有 有 有
左拱腰 有 无 无
左边墙 有 无 无
右拱腰 有 无 有
右边墙 有 无 有
表6 无仰拱二衬回填安全系数分析表
部位超挖形式 超挖形式一 超挖形式二 超挖形式三
无仰拱 部位 无仰拱 部位 无仰拱 部位
回填至边墙 85.72 拱脚 —— —— 90.02 墙脚
回填至拱腰 5.86 拱脚 —— —— 4.67 墙脚
回填至拱顶 2.93 拱顶 9.84 拱腰 8.04 拱脚表7 有仰拱二衬回填安全系数表
部位安全系数 超挖形式一 超挖形式二 超挖形式三
有仰拱 部位 有仰拱 部位 有仰拱 部位
回填至边墙 —— —— —— —— 82.1 墙脚
回填至拱腰 2.6 墙中 —— —— 18.16 墙脚
回填至拱顶 9.74 拱顶 9.62 拱腰 7.21 墙脚
（4）通过计算分析，得出以下结论：总体上来说，在超挖形式一时，有仰拱二衬比无仰拱二砌安全系数更大，受力更合理；在超挖形式二和三时，两种结构形式的二衬结构安全系数差别不大。
（5）具体来看，不论何种超挖形式，当回填至边墙顶部时，衬砌所受荷载较小；当回填材料回填至拱腰时，衬砌所受内力明显变大，并在边墙处出现较大弯矩；当回填材料回填至拱顶时，在不同的超挖形式下，衬砌的受力情况不同，超挖形式一在拱顶截面处受力最不利，超挖形式二在拱腰衬砌截面处的受力最不利，超挖形式三在拱腰处截面处的受力最不利。
（6）所以，当回填材料回填至拱腰时，应确保边墙支撑的稳定；当回填至拱顶时，在确保支撑稳定的同时要在衬砌强度达到足够强度以后再进行拆模，以免衬砌受力变形过大或出现裂缝。
2.3 超挖范围及回填工艺对结构内力影响。
（1）对于拱部超挖情况，当超挖高度＜10m时，采用干砂进行回填安全性满足规范要求；当超挖高度在10m～14m时，采用干砂进行回填已不能满足规范要求，若此时不改变二衬截面高度，为保证二衬安全性符合规范要求，建议使用膨胀珍珠岩进行回填。
（2）对于拱部及两侧超挖情况，当超挖高度＜4m时，采用干砂进行回填安全性满足规范要求；当超挖高度在4～16m时，采用干砂进行回填已不能满足规范要求，若此时不改变二衬截面高度，为保证二衬安全性符合规范要求，建议使用膨胀珍珠岩进行回填。
2.4 不同回填材料及施工工艺经济性评价。
2.4.1 目前了解到的这四种回填材料的价格如表8。
表8 回填材料价格一览表
材 料 折算价格
（元/m3） 材 料 折算价格
（元/m3）
粉煤灰(二级) 270 膨胀珍珠岩 300
干 砂（中砂） 100 橡胶颗粒
(4.5mm筛) 1120～1250
2.4.2 综合前述内容，可以得出结论：
（1）对于单纯拱部超挖情况，当超挖高度＜10m时，采用干砂进行回填既安全又经济；当超挖高度≥10m时，采用干砂进行回填已不能满足规范要求，为保证二衬安全性符合规范要求，建议使用膨胀珍珠岩进行回填。
（2）对于拱部及两侧超挖情况，当超挖高度＜4m时，采用干砂进行回填既安全又经济；当超挖高度在4～16m时，采用干砂进行回填已不能满足规范要求，为保证二衬安全性符合规范要求，建议使用膨胀珍珠岩进行回填。
3. 小 结
综合分析以上计算结果，确定干砂为首选回填材料，当超挖高度较大，采用干砂进行回填二衬安全性不满足要求时应采用膨胀珍珠岩进行回填，理由如下：
（1）经过计算，尽管干砂回填后的衬砌安全系数不如回填膨胀珍珠岩安全系数大，但是当超挖高度较小时，采用干砂回填后衬砌安全系数仍能满足规范要求。
（2）几种回填材料中，干砂的价格最低，使用它进行回填时经济性更好。
（3）当超挖高度较大（单纯拱部超挖≥10m或拱部及两侧超挖≥4m），存在大方量回填时，材料的重度影响二衬的安全性，采用膨胀珍珠岩更合理。
（4）在进行回填材料回填时，当回填材料回填至拱腰时，应确保支撑的稳定；当回填至拱顶时，在确保支撑稳定的同时要在衬砌强度达到足够强度以后再进行拆模，以免衬砌受力变形过大或出现裂缝。
