“路隧耦合”施工方案的優(yōu)化探究

王琛

（張家口路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 張家口 075000）

一、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(tái)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(tái)設(shè)計(jì)高程60m，杭紹臺(tái)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(tái)的共線方式，采用壩頭山隧道并行路線方案，鏡水路設(shè)計(jì)高程和杭紹臺(tái)高速公路設(shè)計(jì)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(tái)高速未開挖前的原地面），具體布置如圖1所示。

圖1 路、隧關(guān)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(hù)完成且貫通后，再施工杭紹臺(tái)高速路塹的開挖。

方案二：先施工杭紹臺(tái)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(yùn)梁便道。

方案三：部分開挖高速路塹，即開挖山嶺一級(jí)邊坡，開挖后路塹作為運(yùn)梁便道，再施工壩頭山隧道，待隧道支護(hù)完成且貫通后，再開挖杭紹臺(tái)高速路塹剩余的二、三級(jí)邊坡。

二、路隧耦合施工模擬

根據(jù)工程概況，建立二維平面應(yīng)變模型，根據(jù)圣維南原理，隧道開挖對(duì)隧道周圍3倍～5倍開挖寬度內(nèi)的巖體內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生影響，結(jié)合隧道正洞結(jié)構(gòu)尺寸，上部計(jì)算范圍取至地面，下部計(jì)算范圍由隧道中心向下取至30m，左右邊界計(jì)算范圍為150m，路面加載為標(biāo)準(zhǔn)汽車軸載100t，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮超前支護(hù)的影響，將鋼架與噴射混凝土等效為初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)，二襯不承擔(dān)圍巖應(yīng)力。考慮到模擬的精確性，對(duì)數(shù)值模擬的不同部分進(jìn)行不同的網(wǎng)格劃分，隧道附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型示意圖

模型采用二維平面應(yīng)變模型，巖石本構(gòu)使用摩爾庫倫模型，支護(hù)采用梁?jiǎn)卧M，錨桿采用桁架單元模擬。

三、數(shù)值模擬結(jié)果分析

1.圍巖變形分析

根據(jù)數(shù)值模擬，提取計(jì)算結(jié)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(guī)律相似，隧道拱頂變形較方案二小，為更加清晰對(duì)比各工況下隧道圍巖的變形情況，在左洞布置6個(gè)特征點(diǎn)，在路面布置5個(gè)特征點(diǎn)，特征點(diǎn)布置如圖4、圖5所示。

圖5 隧道特征點(diǎn)布置示意圖

圖6 路面特征點(diǎn)布置示意圖

由圖5、圖6可以看出，各方案不同特征點(diǎn)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，主要是因?yàn)槁穳q開挖導(dǎo)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向位移中，方案一＜方案三＜方案二，這說明采用方案二時(shí)，隧道與路面的豎向變形較大，整體結(jié)構(gòu)較為不安全，采用方案一時(shí)，各特征點(diǎn)豎向位移較小，整體結(jié)構(gòu)較為安全。

2.初支軸力分析

采用方案一與方案三時(shí)，各特征點(diǎn)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(diǎn)軸力大小表現(xiàn)為：方案一＜方案三＜方案二；采用方案一時(shí)，各特征點(diǎn)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(diǎn)受力較為均勻，支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮其承載能力，有利于隧道的穩(wěn)定。采用方案二時(shí)，各特征點(diǎn)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(shí)，各特征點(diǎn)受力不均勻，支護(hù)結(jié)構(gòu)不能充分發(fā)揮其承載能力，不利于隧道的穩(wěn)定性。

3.圍巖塑性區(qū)分析

圖7 各方案圍巖塑性區(qū)云圖

由圖可知，采用不同方案其塑性區(qū)變化較大，采用方案一與方案三時(shí)，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；采用方案二時(shí)，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。證明采用方案一或方案三時(shí)，圍巖應(yīng)力釋放較為均勻，未發(fā)生應(yīng)力集中破壞現(xiàn)象；采用方案二時(shí)，圍巖拱頂與仰拱處應(yīng)力釋放較大，發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致塑性破壞。因此，采用方案一或方案三時(shí)，圍巖穩(wěn)定性較好。

四、結(jié)語

采用不同施工方案對(duì)圍巖變形具有較為明顯的影響，采用方案一時(shí)，圍巖變形最小，因此先開挖隧道后開挖路塹時(shí)，更有利于圍巖穩(wěn)定。采用不同施工方案對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力具有一定影響，采用先開挖隧道后開挖路塹時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力極差較小，受力較為均勻，充分發(fā)揮支護(hù)承載能力，有利于結(jié)構(gòu)安全。采用不同施工方案對(duì)圍巖塑性區(qū)具有一定的影響，采用方案一或方案三時(shí)，塑性區(qū)范圍較大，但均未發(fā)生塑性破壞。采用方案二時(shí)，塑性區(qū)范圍較小，但大部分發(fā)生塑性破壞。