路隧耦合施工方案的優(yōu)化

■何建華

（福建第一公路工程集團(tuán)有限公司，泉州 362000）

隨著城市的發(fā)展，城市周邊的交通基礎(chǔ)建設(shè)的用地越來(lái)越緊張，占用土地的成本越來(lái)越高，而同時(shí)高速公路、城市道路等交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求及密度越來(lái)越大，必然造成不同線路的并線交叉建設(shè)，新建與新建或既有工程的交叉相互影響也越來(lái)越嚴(yán)重， 其中隧道施工會(huì)對(duì)路基造成較大影響，若控制不當(dāng)會(huì)造成路基沉陷甚至坍塌[1]，反向路基對(duì)隧道襯砌可能受偏壓作用[2]，導(dǎo)致隧道周邊圍巖應(yīng)力二次重分布，對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道有一定的影響[3]。 不同的下穿深度、不同地基土模量、泊松比及力學(xué)參數(shù)情況下是影響隧道下穿公路沉降變形規(guī)律主要因素[4-7]。 目前國(guó)內(nèi)相關(guān)調(diào)研多是既有道路下修建隧道的或既有隧道上修建道路的，對(duì)于施工工序優(yōu)化的研究很少見(jiàn)。

本研究充分利用鏡水路南延工程與杭紹臺(tái)高速公路具有可同步設(shè)計(jì)和施工的有利背景，針對(duì)路基、 隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開(kāi)展施工方案的優(yōu)化研究工作，為高速公路和城市道路的統(tǒng)籌規(guī)劃和綜合布置提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，以期避免施工風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約用地，取得良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況與施工方案

為節(jié)約城市用地，紹興鏡水路大部分路段與杭紹臺(tái)高速（K17～K25）段共線，充分利用高速橋下空間；但與高速共線范圍內(nèi)，有一段穿越山體的特殊路段。 山體地面高程高于杭紹臺(tái)設(shè)計(jì)高程60 m，杭紹臺(tái)采用挖方路基方式通過(guò)壩頭山。 鏡水路（壩頭山路段）與杭紹臺(tái)的共線方式，采用壩頭山隧道并行路線方案，鏡水路設(shè)計(jì)高程和杭紹臺(tái)高速公路設(shè)計(jì)高程相差在18～21 m，暗挖隧道長(zhǎng)度300 多m，隧道最大埋深約60 m （杭紹臺(tái)高速未開(kāi)挖前的原地面），具體布置如見(jiàn)圖1。

圖1 隧關(guān)系典型斷面方案圖

按照施工工序的不同， 分3 種方案進(jìn)行分析。方案1：先施工壩頭山隧道，待隧道支護(hù)完成且貫通后，再進(jìn)行杭紹臺(tái)高速路塹的開(kāi)挖。 方案2：先施工杭紹臺(tái)高速路塹的開(kāi)挖，再施工壩頭山隧道，杭紹臺(tái)高速路塹施工完成后， 路基可以作為運(yùn)梁便道。方案3：部分開(kāi)挖杭紹臺(tái)高速路塹，即開(kāi)挖山嶺一級(jí)邊坡，開(kāi)挖后路塹作為運(yùn)梁便道，再施工壩頭山隧道，待隧道支護(hù)完成且貫通后，再施工杭紹臺(tái)高速路塹剩余的二、三級(jí)邊坡的開(kāi)挖。

2 路隧耦合施工模擬

根據(jù)工程概況，建立二維平面應(yīng)變模型，根據(jù)圣維南原理，隧道開(kāi)挖對(duì)隧道周圍3～5 倍開(kāi)挖寬度內(nèi)的巖體內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生影響，結(jié)合隧道正洞結(jié)構(gòu)尺寸，上部計(jì)算范圍取至地面，下部計(jì)算范圍由隧道中心向下取至30 m，左右邊界計(jì)算范圍為150 m，路面加載為標(biāo)準(zhǔn)汽車軸載100 t， 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮超前支護(hù)的影響， 將鋼架與噴射混凝土等效為初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)，二襯不承擔(dān)圍巖應(yīng)力。考慮到模擬的精確性， 對(duì)數(shù)值模擬的不同部分進(jìn)行不同的網(wǎng)格劃分，隧道附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算模型示意圖

模型采用二維平面應(yīng)變模型，巖石本構(gòu)使用摩爾庫(kù)倫模型，支護(hù)采用梁?jiǎn)卧M，錨桿采用桁架單元模擬。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 圍巖變形分析

根據(jù)數(shù)值模擬，提取計(jì)算結(jié)果，各方案隧道圍巖變形云圖見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 各方案圍巖豎向變形云圖

圖4 各方案圍巖水平變形云圖

由圖3、4 可知， 方案1 與方案3 變形規(guī)律相似，隧道拱頂變形較方案2 小，為更加清晰對(duì)比各工況下隧道圍巖的變形情況，在左洞布置6 個(gè)特征點(diǎn)，在路面布置5 個(gè)特征點(diǎn)，特征點(diǎn)布置示意圖見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 隧道特征點(diǎn)布置示意圖

圖6 路面特征點(diǎn)布置示意圖

提取各特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1、表2。

表1 特征點(diǎn)圍巖沉降 （單位：mm）

表2 特征點(diǎn)圍巖水平收斂 （單位：mm）

根據(jù)圍巖水平收斂和沉降變形數(shù)據(jù)繪制特征點(diǎn)變形散點(diǎn)圖見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 各方案各特征點(diǎn)豎向變形散點(diǎn)圖

圖8 各方案各特征點(diǎn)橫向變形散點(diǎn)圖

由表1 和圖7、8 可知，各方案不同特征點(diǎn)的變形規(guī)律比較相似，其中，拱底豎向位移最大，拱頂豎向位移最小，這主要是因?yàn)槁穳q開(kāi)挖引起了隧道部分圍巖的整體隆起，與隧道周邊圍巖變形疊加引起的；各特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向位移中，方案1＜方案3＜方案2，這說(shuō)明采用方案2 時(shí)，隧道與路面的豎向變形較大，整體結(jié)構(gòu)較為不安全，采用方案1 時(shí)，各特征點(diǎn)豎向位移較小，整體結(jié)構(gòu)較為安全。

3.2 初支軸力分析

根據(jù)數(shù)值模擬，提取各方案初支軸力云圖見(jiàn)圖9。

圖9 各方案初支軸力云圖

提取各特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 隧道特征點(diǎn)軸力匯總 （單位:kN）

根據(jù)初期支護(hù)數(shù)據(jù)繪制特征點(diǎn)變形圖見(jiàn)圖10。

圖10 各方案隧道各特征點(diǎn)初支軸力散點(diǎn)圖

由表3 和圖10 可知，采用方案1 與方案3 時(shí)，各特征點(diǎn)的軸力相差不大，除拱底軸力外，其余部位軸力均小于方案2，其中，方案1 軸力比方案3 略小，因此可以得到各特征點(diǎn)軸力大小表現(xiàn)為：方案1＜方案3＜方案2；采用方案1 時(shí)，各特征點(diǎn)軸力變化較小， 最小軸力為535.3 kN， 最大軸力為1400.8 kN，極差值為865.5 kN，各特征點(diǎn)受力較為均勻，支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮其承載能力，有利于隧道的穩(wěn)定。 采用方案2 時(shí)，各特征點(diǎn)軸力變化較大，最小軸力為435.6 kN，最大軸力為2244.1 kN，極差值為1 808.5 kN，這反映了采用方案2 時(shí)，各特征點(diǎn)受力不均勻，支護(hù)結(jié)構(gòu)不能充分發(fā)揮其承載能力，不利于隧道的穩(wěn)定性。

3.3 圍巖塑性區(qū)分析

根據(jù)數(shù)值模擬，提取各方案圍巖塑性區(qū)云圖見(jiàn)圖11。

圖11 各方案圍巖塑性區(qū)云圖

由圖11 可知， 采用不同方案其塑性區(qū)變化較大，采用方案1 與方案3 時(shí)，其塑性區(qū)范圍較為接近，隧道周邊圍巖均發(fā)生塑性變化，但均未發(fā)生塑性破壞；采用方案2 時(shí)，塑性區(qū)范圍較小，主要分布在拱頂與仰拱處， 左洞仰拱由部分發(fā)生塑性破壞，右洞拱頂與仰拱處均發(fā)生較大范圍破壞。 證明采用方案1 或方案3 時(shí)，圍巖應(yīng)力釋放較為均勻，未發(fā)生應(yīng)力集中破壞現(xiàn)象；采用方案2 時(shí)，圍巖拱頂與仰拱處應(yīng)力釋放較大，發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致塑性破壞。 因此，采用方案1 或方案3 時(shí)，圍巖穩(wěn)定性較好。

綜上可知，在鏡水路隧道施工過(guò)程中，采用方案1 時(shí)，圍巖變形最小，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力最為均勻，塑性區(qū)范圍較為合理且未發(fā)生塑性破壞，建議采用先開(kāi)挖隧道，后開(kāi)挖路塹的方式施工，如工期緊張可以按照方案3 進(jìn)行施工， 但應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作。不建議按方案2（即先開(kāi)挖路塹后開(kāi)挖隧道）進(jìn)行施工。 如特殊情況下要按方案2 施工，需要對(duì)隧道的超前支護(hù)及襯砌參數(shù)進(jìn)行加強(qiáng)， 以保證施工安全，如采用雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)，加密初期支護(hù)鋼拱架間距等方案。 具體對(duì)比分析見(jiàn)表4。

表4 方案對(duì)比分析

通過(guò)綜合建安費(fèi)、工期、施工風(fēng)險(xiǎn)等各種因素考慮，方案1 優(yōu)勢(shì)較為明顯，如與工期不滿足要求的情況下，可采用方案3。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)鏡水路隧道Ⅴ級(jí)圍巖系統(tǒng)錨桿支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：（1）采用不同施工方案對(duì)圍巖變形具有較為明顯的影響，采用方案1 時(shí)，圍巖變形最小，因此先開(kāi)挖隧道后開(kāi)挖路塹時(shí)，更有利于圍巖穩(wěn)定。 （2）采用不同施工方案對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力具有一定影響，采用先開(kāi)挖隧道后開(kāi)挖路塹時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力極差較小，受力較為均勻， 充分發(fā)揮支護(hù)承載能力， 有利于結(jié)構(gòu)安全。（3）采用不同施工方案對(duì)圍巖塑性區(qū)具有一定的影響，采用方案1 或方案3 時(shí)，塑性區(qū)范圍較大，但均未發(fā)生塑性破壞。 采用方案2 時(shí)，塑性區(qū)范圍較小，但大部分發(fā)生塑性破壞。