王琛
(張家口路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,河北 張家口 075000)
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60m,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18m~21m,暗挖隧道長(zhǎng)度超300m,隧道最大埋深約60m(杭紹臺(tái)高速未開(kāi)挖前的原地面),具體布置如圖1所示。
圖1 路、隧關(guān)系典型斷面方案圖
按照施工工序的不同,分三種方案分析。
方案一:先施工壩頭山隧道,待隧道支護(hù)完成且貫通后,再施工杭紹臺(tái)高速路塹的開(kāi)挖。
方案二:先施工杭紹臺(tái)高速路塹的開(kāi)挖,再施工壩頭山隧道,高速路塹施工完成后,路基可以作為運(yùn)梁便道。
方案三:部分開(kāi)挖高速路塹,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,再開(kāi)挖杭紹臺(tái)高速路塹剩余的二、三級(jí)邊坡。
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倍~5倍開(kāi)挖寬度內(nèi)的巖體內(nèi)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30m,左右邊界計(jì)算范圍為150m,路面加載為標(biāo)準(zhǔn)汽車軸載100t,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??紤]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,如圖2所示。
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。
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如圖3所示。
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
由變形云圖可以看出,方案一與方案三變形規(guī)律相似,隧道拱頂變形較方案二小,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)布置如圖4、圖5所示。
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
由圖5、圖6可以看出,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,主要是因?yàn)槁穳q開(kāi)挖導(dǎo)致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,方案一<方案三<方案二,這說(shuō)明采用方案二時(shí),隧道與路面的豎向變形較大,整體結(jié)構(gòu)較為不安全,采用方案一時(shí),各特征點(diǎn)豎向位移較小,整體結(jié)構(gòu)較為安全。
2.初支軸力分析
采用方案一與方案三時(shí),各特征點(diǎn)的軸力相差不大,除拱底軸力外,其余部位軸力均比方案二小,其中,方案一軸力比方案三略小,因此可以得到各特征點(diǎn)軸力大小表現(xiàn)為:方案一<方案三<方案二;采用方案一時(shí),各特征點(diǎn)軸力變化較小,最小軸力為535.3kN,最大軸力為1400.8kN,極差值為865.5kN,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。采用方案二時(shí),各特征點(diǎn)軸力變化較大,最小軸力為435.6kN,最大軸力為2244.1kN,極差值為1808.5kN,這反映了采用方案二時(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.圍巖塑性區(qū)分析
圖7 各方案圍巖塑性區(qū)云圖
由圖可知,采用不同方案其塑性區(qū)變化較大,采用方案一與方案三時(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;采用方案二時(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。證明采用方案一或方案三時(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;采用方案二時(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,采用方案一或方案三時(shí),圍巖穩(wěn)定性較好。
采用不同施工方案對(duì)圍巖變形具有較為明顯的影響,采用方案一時(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。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。采用不同施工方案對(duì)圍巖塑性區(qū)具有一定的影響,采用方案一或方案三時(shí),塑性區(qū)范圍較大,但均未發(fā)生塑性破壞。采用方案二時(shí),塑性區(qū)范圍較小,但大部分發(fā)生塑性破壞。