“路隧耦合”施工方案的优化探究

王琛

（张家口路桥建设集团有限公司，河北 张家口 075000）

一、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60m，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18m～21m，暗挖隧道长度超300m，隧道最大埋深约60m（杭绍台高速未开挖前的原地面），具体布置如图1所示。

图1 路、隧关系典型断面方案图

按照施工工序的不同，分三种方案分析。

方案一：先施工坝头山隧道，待隧道支护完成且贯通后，再施工杭绍台高速路堑的开挖。

方案二：先施工杭绍台高速路堑的开挖，再施工坝头山隧道，高速路堑施工完成后，路基可以作为运梁便道。

方案三：部分开挖高速路堑，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，再开挖杭绍台高速路堑剩余的二、三级边坡。

二、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倍～5倍开挖宽度内的岩体内应力应变产生影响，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30m，左右边界计算范围为150m，路面加载为标准汽车轴载100t，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，如图2所示。

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。

三、数值模拟结果分析

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如图3所示。

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

由变形云图可以看出，方案一与方案三变形规律相似，隧道拱顶变形较方案二小，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，特征点布置如图4、图5所示。

图5 隧道特征点布置示意图

图6 路面特征点布置示意图

由图5、图6可以看出，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，主要是因为路堑开挖导致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，方案一＜方案三＜方案二，这说明采用方案二时，隧道与路面的竖向变形较大，整体结构较为不安全，采用方案一时，各特征点竖向位移较小，整体结构较为安全。

2.初支轴力分析

采用方案一与方案三时，各特征点的轴力相差不大，除拱底轴力外，其余部位轴力均比方案二小，其中，方案一轴力比方案三略小，因此可以得到各特征点轴力大小表现为：方案一＜方案三＜方案二；采用方案一时，各特征点轴力变化较小，最小轴力为535.3kN，最大轴力为1400.8kN，极差值为865.5kN，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。采用方案二时，各特征点轴力变化较大，最小轴力为435.6kN，最大轴力为2244.1kN，极差值为1808.5kN，这反映了采用方案二时，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.围岩塑性区分析

图7 各方案围岩塑性区云图

由图可知，采用不同方案其塑性区变化较大，采用方案一与方案三时，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；采用方案二时，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。证明采用方案一或方案三时，围岩应力释放较为均匀，未发生应力集中破坏现象；采用方案二时，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，采用方案一或方案三时，围岩稳定性较好。

四、结语

采用不同施工方案对围岩变形具有较为明显的影响，采用方案一时，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。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。采用不同施工方案对围岩塑性区具有一定的影响，采用方案一或方案三时，塑性区范围较大，但均未发生塑性破坏。采用方案二时，塑性区范围较小，但大部分发生塑性破坏。