城市改扩建道路高边坡拓宽方案比选分析

■朱显镇

（福州市规划设计研究院集团有限公司， 福州 350108）

随着城市化建设的发展，现有的一些城市区域内或周边的高速公路主要功能由对外通道转变为城市区间道路，需进行市政化改扩建，相应的既有高边坡需进行拓宽改造。 既有高边坡拓宽改造方案主要有高边坡原位拓宽、暗挖隧道、明挖棚洞、半明半暗棚洞等一种或多种方式组合方案。 考虑技术、经济、环境、生态等多因素的影响，采用何种拓宽方案需综合考虑，有必要进行比选分析[1]。

1 工程概况

福州市福泉高速公路连接线改拓建工程位于福州市仓山区，沿现状福泉高速公路连接线走向进行市政化改扩建。 既有高速公路为双向六车道，改拓建后按城市快速路标准设计，设计时速为80 km/h， 双向八车道； 同时两侧新建辅路系统，按城市次干路标准设计，设计时速为40 km/h，为单向两车道+非机动车道+人行道，其中主线K4+580～K5+000 段为福泉高速连接线路堑段， 两侧山势南高北低，周边环境复杂，山体周围分布民房、寺庙、电力杆、在建福州地铁6 号线区间隧道等建（构）筑物，山顶存在大量珍贵园林树木。 现状南侧边坡高度在5～32 m，第一、二阶边坡采用浆砌片石混凝土挡墙支护，上部采用放坡支护，山体植被发育茂盛，边坡整体处于稳定状态。 现状边坡地层主要为中～微风化花岗岩，岩石坚硬，完整性较好（图1）。

图1 现状高边坡

2 设计方案与比选

2.1 原位高边坡拓宽方案

采用原位高边坡直接拓宽方案时，拟建新的边坡纵向长度320 m，最大开挖阶数达6 阶，开挖高度约50 m，最大开挖断面面积约1150 m2，设计第一、二阶边坡坡率为1∶0.5，二阶以上边坡坡率1∶0.75～1∶1.0，支护主要采用非预应力锚杆框架（框架内绿化挡土袋植草）[2]，由于施工期间需确保半幅道路通行，周围敏感建（构）物多，开挖方式主要为机械开挖和静态裂解，禁止露天爆破施工（图2）。

图2 原位高边坡拓宽方案示意图

2.2 辅路内移暗挖隧道方案

采用辅路系统内移暗挖隧道方案时，对隧道前后两端线型及主线出入口位置进行局部调整，同时为减小隧道跨径、节约工程造价，对洞内慢行系统的宽度进行优化，优化后辅路隧道为单洞两车道+1个非机动车道+1 个人行道，隧道设计长度305 m，为短隧道，最大开挖宽度15.7 m，高度11 m，拱顶最大覆土深度约26 m。在建地铁6 号线区间隧道位于隧道正下方，垂直净距为17～19 m，设计和施工过程应重点考虑对地铁的保护（图3）。 拟建隧道进出口段为V 级围岩， 长96 m， 按单侧璧导坑法施工，以机械开挖为主；洞身段主要为IV 级围岩，长209 m，按环形开挖预留核心土法施工，拱部约1/3断面采用微振爆破技术开挖， 爆破震速不大于1.5 cm/s， 余下部分采用静力裂解或其他非爆破开挖方式[3]。 施工时先施工辅路隧道，待隧道贯通后再进行边坡表层破除和支护。

图3 辅路内移暗挖隧道方案示意图

2.3 大开挖棚洞方案

采用大开挖棚洞方案时，通过优化边坡开挖坡率和慢行系统的宽度以减小棚洞跨度及边坡土石方的开挖量，优化后的棚洞为单向两车道+1 个非机动车道+1 个人行道，长320 m，建筑限界同暗挖隧道方案。 拟建棚洞跨度14 m，净高7.4 m，采用拱形框架结构，外侧结构为平板、托梁、斜柱支撑体系，基础采用扩大基础， 斜柱采用横向地基梁连接，底部不设仰拱；棚洞内侧结构及其与边坡间采用钢筋混凝土暗拱与素混凝土回填，下部基础采用扩大基础形式[4]。 调整后的边坡最大开挖高度约35 m，开挖阶数为4 阶，最大开挖断面面积约505 m2（图4）。

图4 大开挖棚洞方案示意图

2.4 半明半暗棚洞+慢行隧道方案

根据场地地形条件，大开挖棚洞方案的边坡开挖高度仍较大，考虑将辅道机动车道与慢行系统分离，可有效减小棚洞的宽度，降低边坡开挖的高度（图5）。 该方案棚洞的开挖宽度11 m，高度7 m，采用半明半暗施工工艺，开挖以机械开挖和静态裂解为主；慢行系统隧道车道宽度可保持洞口前后段不变，隧道最大开挖宽度8.4 m，净高5.4 m，施工以微振爆破和静态裂解为主，辅以机械开挖，设计和施工时应考虑浅埋偏压的影响，施工工序复杂、风险较大（图6）。

图5 半明半暗棚洞+慢行隧道方案示意图

图6 半明半暗棚洞+慢行隧道方案施工工序

2.5 方案比选

原位高边坡拓宽方案的道路采用整体式路基，线型以直线为主，行车舒适，视线通透，但存在以下问题：（1）山体开挖量大，地表植被破坏严重，山顶园林树木迁移程序复杂、工作量大，建成后景观效果差；（2）边坡岩层主要为中～微风化花岗岩，由于市区禁止露天爆破， 因此采用机械破除+静态裂解的方式开挖，整体工效低，施工工期长，交通保通影响时间长，扬尘、噪声等环境影响大，且高边坡破碎过程存在一定风险，造价高；（3）高边坡后期运营过程中存在一定的落石、溜塌等风险。 针对以上问题，若采用辅路内移暗挖隧道方案，则仅需对现状边坡表层进行剥离，可有效的减小土石方的开挖量及对山体植被的破坏，提高施工工效，缩短工期，减小扬尘、噪音等影响，整体造价较低，具有较大优势。

各方案比选结果如表1 所示，可知：大开挖棚洞方案线型、通风、行车视线条件好，可适当降低边坡的开挖量和开挖高度， 减少对山体植被的破坏，同时有效减少运营期间高边坡的安全风险，但棚洞的跨度较大，结构受力较复杂，施工工期较长，交通保通压力大； 半明半暗棚洞方案土石方开挖量很小，可最大限度保护山体原有植被，同时扬尘、噪声及对现状交通影响较小，但棚洞采用半明半暗施工工艺及结构受力形式均较为复杂， 施工难度大、风险高，费用高，目前国内实施的案例相对较少。 相较而言，采用辅路内移暗挖隧道方案时，暗挖隧道开挖断面更小，明确隧道两端进出口场地具体条件后即可施工，施工过程中仅需对现状边坡进行简单临时防护，不影响现状道路的通行，且洞内石方开挖可采用控制爆破技术，施工工期较短，造价较低。 考虑施工对地铁6 号线区间隧道的影响，通过选择合理施工工法，控制爆破震速及通过对地铁区间隧道进行监控量测，可有效控制施工风险。

表1 高边坡拓宽方案比选

综合上述各种因素的影响，本项目推荐辅路内移暗挖隧道方案作为高边坡拓宽改造方案。

3 方案安全性论证

3.1 爆破对地铁区间隧道的影响分析

为了验证隧道内移方案的爆破施工对下方地铁区间隧道的影响， 基于midasGTS NX 有限元程序，采用三维有限元模型模拟隧道爆破施工的动力响应。 按照实际地形、地质条件，以交叉段为中心，建立纵向28 m，横向101 m，高度约71 m 的有限元模型。 本构模型采用Mohr-Columb 模型。 地铁隧道及辅路隧道衬砌采用6 结点三角形板单元模拟，定义为弹性材料。 建立的三维有限元图7 所示，共划分了124457 个节点、72368 个单元。

图7 有限元网格图

交叉影响段隧洞围岩为Ⅴ级围岩，循环进尺严格控制在1.0 m 以内， 最大单响装药量根据爆破振动安全距离公式计算分析求得的最大药量为32.67 kg。 爆破荷载施加的最不利位置在FDHK4+785 处，位置如图8 所示。

图8 爆破点施加位置

通过计算辅路隧道掌子面爆破位于地铁隧道正上方的最不利工况，得出地铁隧道在各工况下的振动速度结果如图9 所示，可知交叉段地铁隧道振速最大值为1.17 cm/s，位于辅路隧道（桩号FDHK4+785）与地铁隧道交叉点的隧道拱顶部位，地铁隧道振速随时间变化急剧增大而后缓慢减小，受爆破震动影响的区域逐渐扩大。 地铁隧道最大速度响应为1.17 cm/s，小于地铁隧道的爆破震动安全允许标准值（1.5 cm/s）。

图9 不同时刻的地铁隧道速度响应云图

当隧道施工贯通后，地铁隧道衬砌最大剪应力及最大主应力如图10 所示。 由图10 可知，地铁衬砌的最大剪应力和最大主拉应力分别为194.40 kPa和422.71 kPa, 均小于C25 喷射混凝土抗拉和抗剪强度1.3 MPa， 说明地铁隧道衬砌受到爆破荷载作用的抗拉和抗剪强度均在安全范围之内。

图10 地铁衬砌响应云图

3.2 隧道自身静力开挖安全性分析

隧道在进出口段附近围岩地质较差、 覆土较浅，属于浅埋隧道。 根据综合分析比较，选取典型断面K5+000 断面，隧道埋深17～20 m，建立此处隧道施工过程有限元模型（图11），对施工过程中围岩和结构的变形和受力进行计算分析。 围岩采用平面应变单元，本构模型采用Mohr-Columb 模型；由于分析施工阶段，因此只考虑初支的作用，二衬未参与分析，初支采用梁单元模拟，计算时将钢支撑通过等效刚度原则换算成混凝土厚度。

图11 有限元网格图

有限元模型模拟施工过程共分6 个步骤进行，如图12 所示。

图13 为隧道施工完成后的位移云图， 可知隧道开挖完成后，拱顶沉降最大约为9 mm，总体上围岩的位移较小，结构是安全的。 隧道施工过程中应控制爆破及围岩的开挖沉降，及时施做初期支护和二衬，加强对拱顶沉降的监控量测，必要时采取注浆加固等补强措施。

图13 开挖完成后位移云图

4 结论

（1）城市改扩建道路既有高边坡拓宽应综合考虑技术、经济、工期、环境、交通，运营等多方面因素的影响，因地制宜，通过比选分析确定最合适的方案。 本文主要采用定性分析，关于方案比选的定量分析有待进一步研究。 （2）高边坡原位拓宽方案对生态环境破坏较大、且施工工期长、扬尘、噪声等问题突出、对交通保通影响时间长，采用暗挖隧道方案可有效减少上述问题。 （3）大开挖棚洞方案可减小后期运营期间边坡的风险，但对减小边坡的开挖量和地表植被保护影响有限；半明半暗棚洞方案虽然可有效减小边坡的开挖量和对地表植被的破坏，但是该方案结构受力相对比较复杂， 施工难度大、风险高，费用较高，其结构受力分析及施工工序有待进一步的研究。 （4）通过隧道的爆破和自身静力开挖分析可知，选用辅路内移暗挖隧道方案在结构上是安全可行的。