路隧耦合施工方案的优化

■何建华

（福建第一公路工程集团有限公司，泉州 362000）

随着城市的发展，城市周边的交通基础建设的用地越来越紧张，占用土地的成本越来越高，而同时高速公路、城市道路等交通基础设施的建设需求及密度越来越大，必然造成不同线路的并线交叉建设，新建与新建或既有工程的交叉相互影响也越来越严重， 其中隧道施工会对路基造成较大影响，若控制不当会造成路基沉陷甚至坍塌[1]，反向路基对隧道衬砌可能受偏压作用[2]，导致隧道周边围岩应力二次重分布，对运营隧道有一定的影响[3]。 不同的下穿深度、不同地基土模量、泊松比及力学参数情况下是影响隧道下穿公路沉降变形规律主要因素[4-7]。 目前国内相关调研多是既有道路下修建隧道的或既有隧道上修建道路的，对于施工工序优化的研究很少见。

本研究充分利用镜水路南延工程与杭绍台高速公路具有可同步设计和施工的有利背景，针对路基、 隧道结构特点开展施工方案的优化研究工作，为高速公路和城市道路的统筹规划和综合布置提供关键技术支撑，以期避免施工风险、节约用地，取得良好的社会、经济效益。

1 工程概况与施工方案

为节约城市用地，绍兴镜水路大部分路段与杭绍台高速（K17～K25）段共线，充分利用高速桥下空间；但与高速共线范围内，有一段穿越山体的特殊路段。 山体地面高程高于杭绍台设计高程60 m，杭绍台采用挖方路基方式通过坝头山。 镜水路（坝头山路段）与杭绍台的共线方式，采用坝头山隧道并行路线方案，镜水路设计高程和杭绍台高速公路设计高程相差在18～21 m，暗挖隧道长度300 多m，隧道最大埋深约60 m （杭绍台高速未开挖前的原地面），具体布置如见图1。

图1 隧关系典型断面方案图

按照施工工序的不同， 分3 种方案进行分析。方案1：先施工坝头山隧道，待隧道支护完成且贯通后，再进行杭绍台高速路堑的开挖。 方案2：先施工杭绍台高速路堑的开挖，再施工坝头山隧道，杭绍台高速路堑施工完成后， 路基可以作为运梁便道。方案3：部分开挖杭绍台高速路堑，即开挖山岭一级边坡，开挖后路堑作为运梁便道，再施工坝头山隧道，待隧道支护完成且贯通后，再施工杭绍台高速路堑剩余的二、三级边坡的开挖。

2 路隧耦合施工模拟

根据工程概况，建立二维平面应变模型，根据圣维南原理，隧道开挖对隧道周围3～5 倍开挖宽度内的岩体内的应力应变产生影响，结合隧道正洞结构尺寸，上部计算范围取至地面，下部计算范围由隧道中心向下取至30 m，左右边界计算范围为150 m，路面加载为标准汽车轴载100 t， 为了简化计算，不考虑超前支护的影响， 将钢架与喷射混凝土等效为初期支护与临时支护，二衬不承担围岩应力。考虑到模拟的精确性， 对数值模拟的不同部分进行不同的网格划分，隧道附近的网格进行加密，见图2。

图2 计算模型示意图

模型采用二维平面应变模型，岩石本构使用摩尔库伦模型，支护采用梁单元模拟，锚杆采用桁架单元模拟。

3 数值模拟结果分析

3.1 围岩变形分析

根据数值模拟，提取计算结果，各方案隧道围岩变形云图见图3、图4。

图3 各方案围岩竖向变形云图

图4 各方案围岩水平变形云图

由图3、4 可知， 方案1 与方案3 变形规律相似，隧道拱顶变形较方案2 小，为更加清晰对比各工况下隧道围岩的变形情况，在左洞布置6 个特征点，在路面布置5 个特征点，特征点布置示意图见图5、图6。

图5 隧道特征点布置示意图

图6 路面特征点布置示意图

提取各特征点数据，统计见表1、表2。

表1 特征点围岩沉降 （单位：mm）

表2 特征点围岩水平收敛 （单位：mm）

根据围岩水平收敛和沉降变形数据绘制特征点变形散点图见图7、图8。

图7 各方案各特征点竖向变形散点图

图8 各方案各特征点横向变形散点图

由表1 和图7、8 可知，各方案不同特征点的变形规律比较相似，其中，拱底竖向位移最大，拱顶竖向位移最小，这主要是因为路堑开挖引起了隧道部分围岩的整体隆起，与隧道周边围岩变形叠加引起的；各特征点对应的竖向位移中，方案1＜方案3＜方案2，这说明采用方案2 时，隧道与路面的竖向变形较大，整体结构较为不安全，采用方案1 时，各特征点竖向位移较小，整体结构较为安全。

3.2 初支轴力分析

根据数值模拟，提取各方案初支轴力云图见图9。

图9 各方案初支轴力云图

提取各特征点数据，统计见表3。

表3 隧道特征点轴力汇总 （单位:kN）

根据初期支护数据绘制特征点变形图见图10。

图10 各方案隧道各特征点初支轴力散点图

由表3 和图10 可知，采用方案1 与方案3 时，各特征点的轴力相差不大，除拱底轴力外，其余部位轴力均小于方案2，其中，方案1 轴力比方案3 略小，因此可以得到各特征点轴力大小表现为：方案1＜方案3＜方案2；采用方案1 时，各特征点轴力变化较小， 最小轴力为535.3 kN， 最大轴力为1400.8 kN，极差值为865.5 kN，各特征点受力较为均匀，支护结构能够充分发挥其承载能力，有利于隧道的稳定。 采用方案2 时，各特征点轴力变化较大，最小轴力为435.6 kN，最大轴力为2244.1 kN，极差值为1 808.5 kN，这反映了采用方案2 时，各特征点受力不均匀，支护结构不能充分发挥其承载能力，不利于隧道的稳定性。

3.3 围岩塑性区分析

根据数值模拟，提取各方案围岩塑性区云图见图11。

图11 各方案围岩塑性区云图

由图11 可知， 采用不同方案其塑性区变化较大，采用方案1 与方案3 时，其塑性区范围较为接近，隧道周边围岩均发生塑性变化，但均未发生塑性破坏；采用方案2 时，塑性区范围较小，主要分布在拱顶与仰拱处， 左洞仰拱由部分发生塑性破坏，右洞拱顶与仰拱处均发生较大范围破坏。 证明采用方案1 或方案3 时，围岩应力释放较为均匀，未发生应力集中破坏现象；采用方案2 时，围岩拱顶与仰拱处应力释放较大，发生应力集中现象，导致塑性破坏。 因此，采用方案1 或方案3 时，围岩稳定性较好。

综上可知，在镜水路隧道施工过程中，采用方案1 时，围岩变形最小，支护结构受力最为均匀，塑性区范围较为合理且未发生塑性破坏，建议采用先开挖隧道，后开挖路堑的方式施工，如工期紧张可以按照方案3 进行施工， 但应加强监控量测工作。不建议按方案2（即先开挖路堑后开挖隧道）进行施工。 如特殊情况下要按方案2 施工，需要对隧道的超前支护及衬砌参数进行加强， 以保证施工安全，如采用双层小导管超前支护，加密初期支护钢拱架间距等方案。 具体对比分析见表4。

表4 方案对比分析

通过综合建安费、工期、施工风险等各种因素考虑，方案1 优势较为明显，如与工期不满足要求的情况下，可采用方案3。

4 结语

通过数值模拟，对镜水路隧道Ⅴ级围岩系统锚杆支护效果进行对比分析，得到以下结论：（1）采用不同施工方案对围岩变形具有较为明显的影响，采用方案1 时，围岩变形最小，因此先开挖隧道后开挖路堑时，更有利于围岩稳定。 （2）采用不同施工方案对支护结构受力具有一定影响，采用先开挖隧道后开挖路堑时，支护结构受力极差较小，受力较为均匀， 充分发挥支护承载能力， 有利于结构安全。（3）采用不同施工方案对围岩塑性区具有一定的影响，采用方案1 或方案3 时，塑性区范围较大，但均未发生塑性破坏。 采用方案2 时，塑性区范围较小，但大部分发生塑性破坏。