“路隧耦合”施工方案的優化探究

王琛

（張家口路橋建設集團有限公司，河北 張家口 075000）

一、工程概況與施工方案

為節約城市用地，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，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60m，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18m～21m，暗挖隧道長度超300m，隧道最大埋深約60m（杭紹臺高速未開挖前的原地面），具體布置如圖1所示。

圖1 路、隧關系典型斷面方案圖

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，待隧道支護完成且貫通后，再施工杭紹臺高速路塹的開挖。

方案二：先施工杭紹臺高速路塹的開挖，再施工壩頭山隧道，高速路塹施工完成后，路基可以作為運梁便道。

方案三：部分開挖高速路塹，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，再開挖杭紹臺高速路塹剩余的二、三級邊坡。

二、路隧耦合施工模擬

根據工程概況，建立二維平面應變模型，根據圣維南原理，隧道開挖對隧道周圍3倍～5倍開挖寬度內的巖體內應力應變產生影響，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30m，左右邊界計算范圍為150m，路面加載為標準汽車軸載100t，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。考慮到模擬的精確性，對數值模擬的不同部分進行不同的網格劃分，隧道附近的網格進行加密，如圖2所示。

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。

三、數值模擬結果分析

1.圍巖變形分析

根據數值模擬，提取計算結果，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律相似，隧道拱頂變形較方案二小，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，特征點布置如圖4、圖5所示。

圖5 隧道特征點布置示意圖

圖6 路面特征點布置示意圖

由圖5、圖6可以看出，各方案不同特征點的變形規律比較相似，其中，拱底豎向位移最大，拱頂豎向位移最小，主要是因為路塹開挖導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；各特征點對應的豎向位移中，方案一＜方案三＜方案二，這說明采用方案二時，隧道與路面的豎向變形較大，整體結構較為不安全，采用方案一時，各特征點豎向位移較小，整體結構較為安全。

2.初支軸力分析

采用方案一與方案三時，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軸力大小表現為：方案一＜方案三＜方案二；采用方案一時，各特征點軸力變化較小，最小軸力為535.3kN，最大軸力為1400.8kN，極差值為865.5kN，各特征點受力較為均勻，支護結構能夠充分發揮其承載能力，有利于隧道的穩定。采用方案二時，各特征點軸力變化較大，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，各特征點受力不均勻，支護結構不能充分發揮其承載能力，不利于隧道的穩定性。

3.圍巖塑性區分析

圖7 各方案圍巖塑性區云圖

由圖可知，采用不同方案其塑性區變化較大，采用方案一與方案三時，其塑性區范圍較為接近，隧道周邊圍巖均發生塑性變化，但均未發生塑性破壞；采用方案二時，塑性區范圍較小，主要分布在拱頂與仰拱處，左洞仰拱由部分發生塑性破壞，右洞拱頂與仰拱處均發生較大范圍破壞。證明采用方案一或方案三時，圍巖應力釋放較為均勻，未發生應力集中破壞現象；采用方案二時，圍巖拱頂與仰拱處應力釋放較大，發生應力集中現象，導致塑性破壞。因此，采用方案一或方案三時，圍巖穩定性較好。

四、結語

采用不同施工方案對圍巖變形具有較為明顯的影響，采用方案一時，圍巖變形最小，因此先開挖隧道后開挖路塹時，更有利于圍巖穩定。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，充分發揮支護承載能力，有利于結構安全。采用不同施工方案對圍巖塑性區具有一定的影響，采用方案一或方案三時，塑性區范圍較大，但均未發生塑性破壞。采用方案二時，塑性區范圍較小，但大部分發生塑性破壞。