城市改擴建道路高邊坡拓寬方案比選分析

■朱顯鎮(zhèn)

（福州市規(guī)劃設計研究院集團有限公司， 福州 350108）

隨著城市化建設的發(fā)展，現有的一些城市區(qū)域內或周邊的高速公路主要功能由對外通道轉變?yōu)槌鞘袇^(qū)間道路，需進行市政化改擴建，相應的既有高邊坡需進行拓寬改造。 既有高邊坡拓寬改造方案主要有高邊坡原位拓寬、暗挖隧道、明挖棚洞、半明半暗棚洞等一種或多種方式組合方案。 考慮技術、經濟、環(huán)境、生態(tài)等多因素的影響，采用何種拓寬方案需綜合考慮，有必要進行比選分析[1]。

1 工程概況

福州市福泉高速公路連接線改拓建工程位于福州市倉山區(qū)，沿現狀福泉高速公路連接線走向進行市政化改擴建。 既有高速公路為雙向六車道，改拓建后按城市快速路標準設計，設計時速為80 km/h， 雙向八車道； 同時兩側新建輔路系統，按城市次干路標準設計，設計時速為40 km/h，為單向兩車道+非機動車道+人行道，其中主線K4+580～K5+000 段為福泉高速連接線路塹段， 兩側山勢南高北低，周邊環(huán)境復雜，山體周圍分布民房、寺廟、電力桿、在建福州地鐵6 號線區(qū)間隧道等建（構）筑物，山頂存在大量珍貴園林樹木。 現狀南側邊坡高度在5～32 m，第一、二階邊坡采用漿砌片石混凝土擋墻支護，上部采用放坡支護，山體植被發(fā)育茂盛，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。 現狀邊坡地層主要為中～微風化花崗巖，巖石堅硬，完整性較好（圖1）。

圖1 現狀高邊坡

2 設計方案與比選

2.1 原位高邊坡拓寬方案

采用原位高邊坡直接拓寬方案時，擬建新的邊坡縱向長度320 m，最大開挖階數達6 階，開挖高度約50 m，最大開挖斷面面積約1150 m2，設計第一、二階邊坡坡率為1∶0.5，二階以上邊坡坡率1∶0.75～1∶1.0，支護主要采用非預應力錨桿框架（框架內綠化擋土袋植草）[2]，由于施工期間需確保半幅道路通行，周圍敏感建（構）物多，開挖方式主要為機械開挖和靜態(tài)裂解，禁止露天爆破施工（圖2）。

圖2 原位高邊坡拓寬方案示意圖

2.2 輔路內移暗挖隧道方案

采用輔路系統內移暗挖隧道方案時，對隧道前后兩端線型及主線出入口位置進行局部調整，同時為減小隧道跨徑、節(jié)約工程造價，對洞內慢行系統的寬度進行優(yōu)化，優(yōu)化后輔路隧道為單洞兩車道+1個非機動車道+1 個人行道，隧道設計長度305 m，為短隧道，最大開挖寬度15.7 m，高度11 m，拱頂最大覆土深度約26 m。在建地鐵6 號線區(qū)間隧道位于隧道正下方，垂直凈距為17～19 m，設計和施工過程應重點考慮對地鐵的保護（圖3）。 擬建隧道進出口段為V 級圍巖， 長96 m， 按單側璧導坑法施工，以機械開挖為主；洞身段主要為IV 級圍巖，長209 m，按環(huán)形開挖預留核心土法施工，拱部約1/3斷面采用微振爆破技術開挖， 爆破震速不大于1.5 cm/s， 余下部分采用靜力裂解或其他非爆破開挖方式[3]。 施工時先施工輔路隧道，待隧道貫通后再進行邊坡表層破除和支護。

圖3 輔路內移暗挖隧道方案示意圖

2.3 大開挖棚洞方案

采用大開挖棚洞方案時，通過優(yōu)化邊坡開挖坡率和慢行系統的寬度以減小棚洞跨度及邊坡土石方的開挖量，優(yōu)化后的棚洞為單向兩車道+1 個非機動車道+1 個人行道，長320 m，建筑限界同暗挖隧道方案。 擬建棚洞跨度14 m，凈高7.4 m，采用拱形框架結構，外側結構為平板、托梁、斜柱支撐體系，基礎采用擴大基礎， 斜柱采用橫向地基梁連接，底部不設仰拱；棚洞內側結構及其與邊坡間采用鋼筋混凝土暗拱與素混凝土回填，下部基礎采用擴大基礎形式[4]。 調整后的邊坡最大開挖高度約35 m，開挖階數為4 階，最大開挖斷面面積約505 m2（圖4）。

圖4 大開挖棚洞方案示意圖

2.4 半明半暗棚洞+慢行隧道方案

根據場地地形條件，大開挖棚洞方案的邊坡開挖高度仍較大，考慮將輔道機動車道與慢行系統分離，可有效減小棚洞的寬度，降低邊坡開挖的高度（圖5）。 該方案棚洞的開挖寬度11 m，高度7 m，采用半明半暗施工工藝，開挖以機械開挖和靜態(tài)裂解為主；慢行系統隧道車道寬度可保持洞口前后段不變，隧道最大開挖寬度8.4 m，凈高5.4 m，施工以微振爆破和靜態(tài)裂解為主，輔以機械開挖，設計和施工時應考慮淺埋偏壓的影響，施工工序復雜、風險較大（圖6）。

圖5 半明半暗棚洞+慢行隧道方案示意圖

圖6 半明半暗棚洞+慢行隧道方案施工工序

2.5 方案比選

原位高邊坡拓寬方案的道路采用整體式路基，線型以直線為主，行車舒適，視線通透，但存在以下問題：（1）山體開挖量大，地表植被破壞嚴重，山頂園林樹木遷移程序復雜、工作量大，建成后景觀效果差；（2）邊坡巖層主要為中～微風化花崗巖，由于市區(qū)禁止露天爆破， 因此采用機械破除+靜態(tài)裂解的方式開挖，整體工效低，施工工期長，交通保通影響時間長，揚塵、噪聲等環(huán)境影響大，且高邊坡破碎過程存在一定風險，造價高；（3）高邊坡后期運營過程中存在一定的落石、溜塌等風險。 針對以上問題，若采用輔路內移暗挖隧道方案，則僅需對現狀邊坡表層進行剝離，可有效的減小土石方的開挖量及對山體植被的破壞，提高施工工效，縮短工期，減小揚塵、噪音等影響，整體造價較低，具有較大優(yōu)勢。

各方案比選結果如表1 所示，可知：大開挖棚洞方案線型、通風、行車視線條件好，可適當降低邊坡的開挖量和開挖高度， 減少對山體植被的破壞，同時有效減少運營期間高邊坡的安全風險，但棚洞的跨度較大，結構受力較復雜，施工工期較長，交通保通壓力大； 半明半暗棚洞方案土石方開挖量很小，可最大限度保護山體原有植被，同時揚塵、噪聲及對現狀交通影響較小，但棚洞采用半明半暗施工工藝及結構受力形式均較為復雜， 施工難度大、風險高，費用高，目前國內實施的案例相對較少。 相較而言，采用輔路內移暗挖隧道方案時，暗挖隧道開挖斷面更小，明確隧道兩端進出口場地具體條件后即可施工，施工過程中僅需對現狀邊坡進行簡單臨時防護，不影響現狀道路的通行，且洞內石方開挖可采用控制爆破技術，施工工期較短，造價較低。 考慮施工對地鐵6 號線區(qū)間隧道的影響，通過選擇合理施工工法，控制爆破震速及通過對地鐵區(qū)間隧道進行監(jiān)控量測，可有效控制施工風險。

表1 高邊坡拓寬方案比選

綜合上述各種因素的影響，本項目推薦輔路內移暗挖隧道方案作為高邊坡拓寬改造方案。

3 方案安全性論證

3.1 爆破對地鐵區(qū)間隧道的影響分析

為了驗證隧道內移方案的爆破施工對下方地鐵區(qū)間隧道的影響， 基于midasGTS NX 有限元程序，采用三維有限元模型模擬隧道爆破施工的動力響應。 按照實際地形、地質條件，以交叉段為中心，建立縱向28 m，橫向101 m，高度約71 m 的有限元模型。 本構模型采用Mohr-Columb 模型。 地鐵隧道及輔路隧道襯砌采用6 結點三角形板單元模擬，定義為彈性材料。 建立的三維有限元圖7 所示，共劃分了124457 個節(jié)點、72368 個單元。

圖7 有限元網格圖

交叉影響段隧洞圍巖為Ⅴ級圍巖，循環(huán)進尺嚴格控制在1.0 m 以內， 最大單響裝藥量根據爆破振動安全距離公式計算分析求得的最大藥量為32.67 kg。 爆破荷載施加的最不利位置在FDHK4+785 處，位置如圖8 所示。

圖8 爆破點施加位置

通過計算輔路隧道掌子面爆破位于地鐵隧道正上方的最不利工況，得出地鐵隧道在各工況下的振動速度結果如圖9 所示，可知交叉段地鐵隧道振速最大值為1.17 cm/s，位于輔路隧道（樁號FDHK4+785）與地鐵隧道交叉點的隧道拱頂部位，地鐵隧道振速隨時間變化急劇增大而后緩慢減小，受爆破震動影響的區(qū)域逐漸擴大。 地鐵隧道最大速度響應為1.17 cm/s，小于地鐵隧道的爆破震動安全允許標準值（1.5 cm/s）。

圖9 不同時刻的地鐵隧道速度響應云圖

當隧道施工貫通后，地鐵隧道襯砌最大剪應力及最大主應力如圖10 所示。 由圖10 可知，地鐵襯砌的最大剪應力和最大主拉應力分別為194.40 kPa和422.71 kPa, 均小于C25 噴射混凝土抗拉和抗剪強度1.3 MPa， 說明地鐵隧道襯砌受到爆破荷載作用的抗拉和抗剪強度均在安全范圍之內。

圖10 地鐵襯砌響應云圖

3.2 隧道自身靜力開挖安全性分析

隧道在進出口段附近圍巖地質較差、 覆土較淺，屬于淺埋隧道。 根據綜合分析比較，選取典型斷面K5+000 斷面，隧道埋深17～20 m，建立此處隧道施工過程有限元模型（圖11），對施工過程中圍巖和結構的變形和受力進行計算分析。 圍巖采用平面應變單元，本構模型采用Mohr-Columb 模型；由于分析施工階段，因此只考慮初支的作用，二襯未參與分析，初支采用梁單元模擬，計算時將鋼支撐通過等效剛度原則換算成混凝土厚度。

圖11 有限元網格圖

有限元模型模擬施工過程共分6 個步驟進行，如圖12 所示。

圖13 為隧道施工完成后的位移云圖， 可知隧道開挖完成后，拱頂沉降最大約為9 mm，總體上圍巖的位移較小，結構是安全的。 隧道施工過程中應控制爆破及圍巖的開挖沉降，及時施做初期支護和二襯，加強對拱頂沉降的監(jiān)控量測，必要時采取注漿加固等補強措施。

圖13 開挖完成后位移云圖

4 結論

（1）城市改擴建道路既有高邊坡拓寬應綜合考慮技術、經濟、工期、環(huán)境、交通，運營等多方面因素的影響，因地制宜，通過比選分析確定最合適的方案。 本文主要采用定性分析，關于方案比選的定量分析有待進一步研究。 （2）高邊坡原位拓寬方案對生態(tài)環(huán)境破壞較大、且施工工期長、揚塵、噪聲等問題突出、對交通保通影響時間長，采用暗挖隧道方案可有效減少上述問題。 （3）大開挖棚洞方案可減小后期運營期間邊坡的風險，但對減小邊坡的開挖量和地表植被保護影響有限；半明半暗棚洞方案雖然可有效減小邊坡的開挖量和對地表植被的破壞，但是該方案結構受力相對比較復雜， 施工難度大、風險高，費用較高，其結構受力分析及施工工序有待進一步的研究。 （4）通過隧道的爆破和自身靜力開挖分析可知，選用輔路內移暗挖隧道方案在結構上是安全可行的。