上下雙層并列近接公路隧道施工方案研究*

田 偉 李凌志 鄭國平

(1.浙江數智交院科技股份有限公司 杭州 310030； 2. 溫州金麗溫高速公路東延線有限公司 溫州 325019；3.杭州新奧土木工程技術有限公司 杭州 310051)

近年來國家對土地資源實行更加嚴苛的保護措施，尤其是經濟發達地區，路線走廊帶資源非常寶貴。在同一個走廊帶內，通過修建高架橋、隧道來增加通行能力，已經成為行業共識。

國內外對于接近施工已做了不少研究，日本自上世紀70年代起開展了相關研究，1997年發布了《既有鐵路隧道近接施工指南》。我國隨著基礎設施的大力發展，對近接隧道的研究也有了長足進步，典型的研究如仇文革[1]較早系統研究了地下工程近接施工問題，提出了廣義的地下工程近接施工的分類、分區、分區指標表達式、近接度與對策等級概念，以及分區、分度準則，給出了研究和解決近接施工問題的普遍方法；孔超[2]研究了重慶泥巖地層中修建大跨度、高密度城市隧道群的圍巖穩定性、破壞機理、支護措施；袁竹等[3]研究了鐵路隧道下穿高速公路隧道的影響分區，以此確定不同的支護措施；張自光等[4]對青島地鐵隧道對臨近建筑的強、弱影響區域進行了劃分；在具體工程案例應用方面，馬來秋[5]采用Mohr-Coulomb剪切屈服和拉伸屈服準則的屈服接近度函數來評估某小凈距隧道的相互影響；郭興方[6]采用三維建模方法，并通過對襯砌安全等級評定從而確定承唐高速公路承德段近接隧道合適的凈距；葉云斌等[7]通過爆破監測修正薩氏公式，減小爆破影響。

本文依托的浙江G351臨海邵家渡至白水洋段改建工程沙灘頭隧道是一個典型的近接隧道案例，在山體兩側平坦地段采用高架橋結合地面道路的雙層布置橫斷面形式，高架橋作為國道線滿足快速通行需求，地面道路服務于城市交通功能。

路線進入山體后采用隧道形式穿越，為了順接洞外公路斷面，上層隧道斷面為連拱隧道、下層為分離式小凈距隧道，山體內沙灘頭隧道橫斷面圖見圖1。

圖1 沙灘頭隧道橫斷面圖(單位：cm)

為了集約化利用橫斷面，上、下層隧道之間的凈距僅14.12 m、下層分離式隧道之間的凈距約23.50 m。根據日本建立的近接隧道接近度劃分標準，無論采用先上后下還是先下后上的施工方案，都在限制范圍內。因此，有必要針對本工程的建設條件，研究上下雙層隧道的施工順序問題和近接施工的相互影響問題。

1 工程概況

G351臨海邵家渡至白水洋段改建工程起點位于浙江臺州臨海市邵家渡街道臨牛線與G351臨海至杜橋段交叉處，與G351臨海至杜橋段順接，終點位于臨海與仙居交界處，路線全長37.217 km。其中起點段靠近臨海城區，為了節約土地資源、充分利用路線走廊帶，利用東渡路中央分隔帶，設置高架橋至34省道，而后設置沙灘頭隧道穿越山體至馬埠頭村。

沙灘頭隧道屬于越嶺隧道，位于侵蝕剝蝕低山丘陵區，區內最高海拔122.4 m，隧道沿線最高處在K5+170附近，高程121.4 m。進出洞口段位于丘陵斜坡，線路與等高線近正交，自然坡度約25°～35°。在隧道范圍勘探揭露的地層主要為白堊系朝川組(K1cc)晶屑凝灰巖，根據地質調查及鉆探，隧址區基巖為硬質巖，巖體較完整。第四系地層主要為殘坡積(Qel+dl)碎石、含碎石粉質黏土。厚1～2 m，陡坡處覆蓋層缺失，其中緩坡處厚度變大，越接近坡麓，厚度越大。

上層隧道中，V級圍巖占總長度21%，IV級圍巖占44%，III級圍巖占35%；下層隧道中，V級圍巖占總長度26%，IV級圍巖占30%，III級圍巖占44%。

2 不同施工順序的洞口穩定性分析

2.1 施工順序方案

擬定2種施工順序方案，分別分析上、下沙灘頭隧道的洞口邊仰坡的穩定性。

方案A。先上后下，即先開挖上層的上沙灘頭隧道，然后開挖下層的下沙灘頭隧道。

方案B。先下后上，即先開挖下層的下沙灘頭隧道，然后開挖上層的上沙灘頭隧道。

建立的三維有限元分析模型見圖2，為消除邊界效應，模型邊界與隧道水平和豎向凈距大于4倍開挖寬度，因此，模型橫向寬約為165 m，軸向深約75 m，豎向高約110 m。并限制模型底面Z方向的位移，上面為自由面，側面約束1個方向位移。

圖2 有限元分析模型

2.2 分析方法

強度折減法也稱為強度儲備法，可以采用有限元或差分軟件分析邊坡的穩定性。強度折減法中邊坡的安全系數定義為：使邊坡剛好達到臨界破壞狀態時，對巖、土體的抗剪強度進行折減的程度，即定義安全系數為巖土體的實際抗剪強度與臨界破壞時的折減后抗剪強度的比值。

強度折減的要點是針對主要強度指標黏聚力c和內摩擦角φ進行折減，其折減表達式見式(1)和式(2)，然后對隧道仰坡進行數值計算分析，不斷地增加折減系數，反復計算，直至其達到臨界破壞，此時得到的折減系數即為安全系數Fs[8]。

(1)

(2)

式中：Ftrial為折減系數；cF為折減之后的黏聚力，kPa；φF為折減之后的摩擦角，(°)。

2.3 計算參數

地層及襯砌結構物理力學參數根據地勘報告及現行《公路隧道設計規范》綜合取值，各材料物理力學參數見表1，其中本節洞口穩定性分析時按V級圍巖參數取值；而動參數用于后續爆破動力分析。

表1 材料物理力學參數表

2.4 分析結果

不同施工順序的仰坡穩定性系數分析結果見表2，總體而言，先下后上方案的最終仰坡穩定系數略高于先上后下方案。主要原因在于，若采用先上后下方案時，當開挖下層隧道時，對上層隧道的仰坡存在二次擾動，降低了其初始的穩定性。

表2 不同施工順序的仰坡穩定性系數

3 不同施工順序的洞身沉降分析

3.1 分析模型

采用修正的莫爾-庫侖本構模型，該模型用于模擬具有冪率關系的非線性彈性模型和彈塑性模型的組合模型，剪切屈服面與莫爾-庫侖本構的屈服面相同，壓縮屈服面為橢圓形的帽子本構。另外，修正的莫爾-庫侖本構的剪切屈服面與壓縮屈服面是獨立的，在剪切方向和壓縮方向采用了雙硬化模型(double hardening)。此外，莫爾-庫侖本構的偏平面形狀為六邊形，在計算頂點的塑應變方向時需要采用特別的數值計算方法[9]。但是，修正的莫爾-庫侖本構為了消除分析過程中的不穩定因素，偏平面采用了圓角處理，使計算的收斂性更好，并在p-q平面上采用了相關流動法則，在偏平面上采用了非關聯流動法則(non-associated flow rule)。

3.2 施工工法

有限元施工過程模擬完全按照施工工法確定，其中上層連拱隧道洞口及V級圍巖地段采用中導洞+預留核心土開挖施工；IV級圍巖區段區段采用中導洞+預留核心土開挖施工；III級圍巖地段采用中導洞+全斷面法開挖。

下層分離式4車道+非機動車道隧道V級圍巖區段采用單側壁導坑法開挖施工；IV級圍巖區段采用上下臺階法施工；III級圍巖區段采用全斷面開挖。

本文采用的靜力分析模型見圖3，模型橫向和豎向尺寸分別為165 m和80 m。同樣的，設定邊界條件時限制模型底面的豎向Z方向的位移，上面為自由面，側面約束水平向X方向的位移。

圖3 靜力分析模型

3.3 沉降計算結果對比

不同施工方案的沉降計算結果對比圖見圖4。

圖4 不同施工方案的沉降計算結果對比圖

總體而言，由于地層巖性較好，2層隧道距離較大，相互影響不甚明顯，采用先下后上方案時，上層連拱隧道拱頂最大沉降量為1.30 cm，地表沉降量為1.24 cm；采用先上后下方案時，上層連拱隧道拱頂最大沉降量為1.84 cm，地表沉降量為1.78 cm，均大于先下后上方案，究其原因，應該是先上后下方案存在二次擾動的問題，即連拱隧道拉槽開挖并支護后，當下層隧道開挖卸荷時將產生二次擾動。

綜合洞口穩定性分析結論和洞身沉降分析結果，推薦采用先下后上的施工順序。

4 上層隧道爆破施工對已建下層隧道的影響分析

爆破影響分析分2個步驟，首先進行模型特征值分析，然后進行動力時程分析。

4.1 模型邊界條件

進行特征值分析時，采用曲面彈簧定義彈性邊界，彈簧系數根據地基反力系數按式(3)、(4)計算。

(3)

(4)

具體計算時，根據本隧道圍巖情況，水平和豎向地基彈性系數分別取為300 MPa/m和500 MPa/m。然后進行特征值分析，計算得到一階振型和二階振型對應的自振頻率分別為2.99和3.80 Hz。

動力時程分析時，一般的邊界條件會由于波的反射作用而產生很大的誤差， 因此采用Lysmer和Wass提出的黏性邊界(viscous boundary)，首先需要按式(5)、(6)計算土體X、Y、Z方向上的阻尼常數。

(5)

(6)

4.2 爆破荷載

爆破荷載峰值強度，即爆破產生的高溫高壓氣體作用在炮孔壁上的峰值壓力強度。許多學者通過大量研究，基于凝聚炸藥爆轟波的C-J理論提出了爆破脈沖峰值的理論計算方法[10]。根據爆炸動力學，對于滿裝炸藥的炮眼，炸藥爆炸后對炮孔壁上產生的最大壓強pmax可用式(7)計算。

(7)

爆破荷載采用等效施加的方法，即在建模時不考慮炮孔形狀，然后對爆破荷載時程曲線進行等效，施加在同排炮孔連心線與炮孔軸線所確定的平面。等效壓強公式見式(8)。

(8)

式中：a為炮孔間距,m。

爆破沖擊荷載的另一個要素是荷載時程。目前，在國內外采用較多的模擬爆破荷載的模型主要為拋物線型爆破荷載函數曲線和三角形爆破荷載曲線。本文采用的是三角形荷載模式，上升時間為0.01 s，總時間為0.03 s。

4.3 分析結果

根據沙灘頭隧道的爆破施工方案，上層隧道先進行中導洞爆破施工，再進行主洞上下臺階法的爆破施工，中導洞采用楔形掏槽，中墻導洞掏槽孔設計圖見圖5。

圖5 中墻導洞掏槽孔設計圖(尺寸單位：cm)

如圖5所示，開挖進尺為2 m，掏槽深度2.1 m，單孔裝藥量為0.50 kg，后掏槽孔深2.10 m，單孔裝藥量1.05 kg。

掏槽孔縱向不偶合系數1.54，分2段起爆，最大段爆破藥量為4.1 kg，算得開挖輪廓線上的等效壓強為74 MPa, 爆破分析模型見圖6，模型橫向寬約為165 m，軸向深約98 m，豎向高約110 m。

圖6 爆破分析模型

施加爆破動力面荷載在模型軸向中部。分析得到下層隧道拱頂的爆破振動時程曲線見圖7。

圖7 中導洞爆破時拱頂各方向振動速度

由圖7可見，最大的合成振速為5.58 cm/s，小于《爆破安全規程》中對交通隧道爆破振動速度的限值，即10～20 cm/s，因此，可以判斷為安全的。另外，從時程曲線可以看出，主要的振動方向與震源方向一致即上下振動，各點的橫向振動較小，縱向的振動影響最小。從時間角度來看，各點大約都在0.01 s時達到最大振速，之后振速逐漸減小，0.04 s之后體現為不斷的微小振動。

5 結論

1) 以洞口仰坡的穩定性分析結果和洞身沉降為依據，建議上下雙層并列近接隧道應該先施工下層隧道，以避免對上層隧道仰坡和洞身結構的二次擾動。

2) 根據爆破動力分析，在合理控制單段藥量的前提下，上層隧道爆破施工引起的下層隧道的振動能夠滿足規范的要求。但施工過程中仍應該加強監測。