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有限公司，泉州 362000）

隨著城市的發(fā)展，城市周邊的交通基礎建設的用地越來越緊張，占用土地的成本越來越高，而同時高速公路、城市道路等交通基礎設施的建設需求及密度越來越大，必然造成不同線路的并線交叉建設，新建與新建或既有工程的交叉相互影響也越來越嚴重， 其中隧道施工會對路基造成較大影響，若控制不當會造成路基沉陷甚至坍塌[1]，反向路基對隧道襯砌可能受偏壓作用[2]，導致隧道周邊圍巖應力二次重分布，對運營隧道有一定的影響[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]。 目前國內(nèi)相關調(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，對于施工工序優(yōu)化的研究很少見。

本研究充分利用鏡水路南延工程與杭紹臺高速公路具有可同步設計和施工的有利背景，針對路基、 隧道結構特點開展施工方案的優(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鍵技術支撐，以期避免施工風險、節(jié)約用地，取得良好的社會、經(jīng)濟效益。

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設計高程60 m，杭紹臺采用挖方路基方式通過壩頭山。 鏡水路（壩頭山路段）與杭紹臺的共線方式，采用壩頭山隧道并行路線方案，鏡水路設計高程和杭紹臺高速公路設計高程相差在18～21 m，暗挖隧道長度300 多m，隧道最大埋深約60 m （杭紹臺高速未開挖前的原地面），具體布置如見圖1。

圖1 隧關系典型斷面方案圖

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

2 路隧耦合施工模擬

根據(jù)工程概況，建立二維平面應變模型，根據(jù)圣維南原理，隧道開挖對隧道周圍3～5 倍開挖寬度內(nèi)的巖體內(nèi)的應力應變產(chǎn)生影響，結合隧道正洞結構尺寸，上部計算范圍取至地面，下部計算范圍由隧道中心向下取至30 m，左右邊界計算范圍為150 m，路面加載為標準汽車軸載100 t， 為了簡化計算，不考慮超前支護的影響， 將鋼架與噴射混凝土等效為初期支護與臨時支護，二襯不承擔圍巖應力?？紤]到模擬的精確性， 對數(shù)值模擬的不同部分進行不同的網(wǎng)格劃分，隧道附近的網(wǎng)格進行加密，見圖2。

圖2 計算模型示意圖

模型采用二維平面應變模型，巖石本構使用摩爾庫倫模型，支護采用梁單元模擬，錨桿采用桁架單元模擬。

3 數(shù)值模擬結果分析

3.1 圍巖變形分析

根據(jù)數(shù)值模擬，提取計算結果，各方案隧道圍巖變形云圖見圖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，為更加清晰對比各工況下隧道圍巖的變形情況，在左洞布置6 個特征點，在路面布置5 個特征點，特征點布置示意圖見圖5、圖6。

圖5 隧道特征點布置示意圖

圖6 路面特征點布置示意圖

提取各特征點數(shù)據(jù)，統(tǒng)計見表1、表2。

表1 特征點圍巖沉降 （單位：mm）

表2 特征點圍巖水平收斂 （單位：mm）

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

圖7 各方案各特征點豎向變形散點圖

圖8 各方案各特征點橫向變形散點圖

由表1 和圖7、8 可知，各方案不同特征點的變形規(guī)律比較相似，其中，拱底豎向位移最大，拱頂豎向位移最小，這主要是因為路塹開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；各特征點對應的豎向位移中，方案1＜方案3＜方案2，這說明采用方案2 時，隧道與路面的豎向變形較大，整體結構較為不安全，采用方案1 時，各特征點豎向位移較小，整體結構較為安全。

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圖9。

圖9 各方案初支軸力云圖

提取各特征點數(shù)據(jù)，統(tǒng)計見表3。

表3 隧道特征點軸力匯總 （單位:kN）

根據(jù)初期支護數(shù)據(jù)繪制特征點變形圖見圖10。

圖10 各方案隧道各特征點初支軸力散點圖

由表3 和圖10 可知，采用方案1 與方案3 時，各特征點的軸力相差不大，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軸力大小表現(xiàn)為：方案1＜方案3＜方案2；采用方案1 時，各特征點軸力變化較小， 最小軸力為535.3 kN， 最大軸力為1400.8 kN，極差值為865.5 kN，各特征點受力較為均勻，支護結構能夠充分發(fā)揮其承載能力，有利于隧道的穩(wěn)定。 采用方案2 時，各特征點軸力變化較大，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，各特征點受力不均勻，支護結構不能充分發(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，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，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，圍巖應力釋放較為均勻，未發(fā)生應力集中破壞現(xiàn)象；采用方案2 時，圍巖拱頂與仰拱處應力釋放較大，發(fā)生應力集中現(xiàn)象，導致塑性破壞。 因此，采用方案1 或方案3 時，圍巖穩(wěn)定性較好。

綜上可知，在鏡水路隧道施工過程中，采用方案1 時，圍巖變形最小，支護結構受力最為均勻，塑性區(qū)范圍較為合理且未發(fā)生塑性破壞，建議采用先開挖隧道，后開挖路塹的方式施工，如工期緊張可以按照方案3 進行施工， 但應加強監(jiān)控量測工作。不建議按方案2（即先開挖路塹后開挖隧道）進行施工。 如特殊情況下要按方案2 施工，需要對隧道的超前支護及襯砌參數(shù)進行加強， 以保證施工安全，如采用雙層小導管超前支護，加密初期支護鋼拱架間距等方案。 具體對比分析見表4。

表4 方案對比分析

通過綜合建安費、工期、施工風險等各種因素考慮，方案1 優(yōu)勢較為明顯，如與工期不滿足要求的情況下，可采用方案3。

4 結語

通過數(shù)值模擬，對鏡水路隧道Ⅴ級圍巖系統(tǒng)錨桿支護效果進行對比分析，得到以下結論：（1）采用不同施工方案對圍巖變形具有較為明顯的影響，采用方案1 時，圍巖變形最小，因此先開挖隧道后開挖路塹時，更有利于圍巖穩(wěn)定。 （2）采用不同施工方案對支護結構受力具有一定影響，采用先開挖隧道后開挖路塹時，支護結構受力極差較小，受力較為均勻， 充分發(fā)揮支護承載能力， 有利于結構安全。（3）采用不同施工方案對圍巖塑性區(qū)具有一定的影響，采用方案1 或方案3 時，塑性區(qū)范圍較大，但均未發(fā)生塑性破壞。 采用方案2 時，塑性區(qū)范圍較小，但大部分發(fā)生塑性破壞。