■朱顯鎮(zhèn)

（福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司， 福州 350108）

隨著城市化建設(shè)的發(fā)展，現(xiàn)有的一些城市區(qū)域內(nèi)或周邊的高速公路主要功能由對(duì)外通道轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘袇^(qū)間道路，需進(jìn)行市政化改擴(kuò)建，相應(yīng)的既有高邊坡需進(jìn)行拓寬改造。 既有高邊坡拓寬改造方案主要有高邊坡原位拓寬、暗挖隧道、明挖棚洞、半明半暗棚洞等一種或多種方式組合方案。 考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)等多因素的影響，采用何種拓寬方案需綜合考慮，有必要進(jìn)行比選分析[1]。

1 工程概況

福州市福泉高速公路連接線改拓建工程位于福州市倉(cāng)山區(qū)，沿現(xiàn)狀福泉高速公路連接線走向進(jìn)行市政化改擴(kuò)建。 既有高速公路為雙向六車道，改拓建后按城市快速路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h， 雙向八車道； 同時(shí)兩側(cè)新建輔路系統(tǒng)，按城市次干路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速為40 km/h，為單向兩車道+非機(jī)動(dòng)車道+人行道，其中主線K4+580～K5+000 段為福泉高速連接線路塹段， 兩側(cè)山勢(shì)南高北低，周邊環(huán)境復(fù)雜，山體周圍分布民房、寺廟、電力桿、在建福州地鐵6 號(hào)線區(qū)間隧道等建（構(gòu)）筑物，山頂存在大量珍貴園林樹(shù)木。 現(xiàn)狀南側(cè)邊坡高度在5～32 m，第一、二階邊坡采用漿砌片石混凝土擋墻支護(hù)，上部采用放坡支護(hù)，山體植被發(fā)育茂盛，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。 現(xiàn)狀邊坡地層主要為中～微風(fēng)化花崗巖，巖石堅(jiān)硬，完整性較好（圖1）。

圖1 現(xiàn)狀高邊坡

2 設(shè)計(jì)方案與比選

2.1 原位高邊坡拓寬方案

采用原位高邊坡直接拓寬方案時(shí)，擬建新的邊坡縱向長(zhǎng)度320 m，最大開(kāi)挖階數(shù)達(dá)6 階，開(kāi)挖高度約50 m，最大開(kāi)挖斷面面積約1150 m2，設(shè)計(jì)第一、二階邊坡坡率為1∶0.5，二階以上邊坡坡率1∶0.75～1∶1.0，支護(hù)主要采用非預(yù)應(yīng)力錨桿框架（框架內(nèi)綠化擋土袋植草）[2]，由于施工期間需確保半幅道路通行，周圍敏感建（構(gòu)）物多，開(kāi)挖方式主要為機(jī)械開(kāi)挖和靜態(tài)裂解，禁止露天爆破施工（圖2）。

圖2 原位高邊坡拓寬方案示意圖

2.2 輔路內(nèi)移暗挖隧道方案

采用輔路系統(tǒng)內(nèi)移暗挖隧道方案時(shí)，對(duì)隧道前后兩端線型及主線出入口位置進(jìn)行局部調(diào)整，同時(shí)為減小隧道跨徑、節(jié)約工程造價(jià)，對(duì)洞內(nèi)慢行系統(tǒng)的寬度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后輔路隧道為單洞兩車道+1個(gè)非機(jī)動(dòng)車道+1 個(gè)人行道，隧道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度305 m，為短隧道，最大開(kāi)挖寬度15.7 m，高度11 m，拱頂最大覆土深度約26 m。在建地鐵6 號(hào)線區(qū)間隧道位于隧道正下方，垂直凈距為17～19 m，設(shè)計(jì)和施工過(guò)程應(yīng)重點(diǎn)考慮對(duì)地鐵的保護(hù)（圖3）。 擬建隧道進(jìn)出口段為V 級(jí)圍巖， 長(zhǎng)96 m， 按單側(cè)璧導(dǎo)坑法施工，以機(jī)械開(kāi)挖為主；洞身段主要為IV 級(jí)圍巖，長(zhǎng)209 m，按環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工，拱部約1/3斷面采用微振爆破技術(shù)開(kāi)挖， 爆破震速不大于1.5 cm/s， 余下部分采用靜力裂解或其他非爆破開(kāi)挖方式[3]。 施工時(shí)先施工輔路隧道，待隧道貫通后再進(jìn)行邊坡表層破除和支護(hù)。

圖3 輔路內(nèi)移暗挖隧道方案示意圖

2.3 大開(kāi)挖棚洞方案

采用大開(kāi)挖棚洞方案時(shí)，通過(guò)優(yōu)化邊坡開(kāi)挖坡率和慢行系統(tǒng)的寬度以減小棚洞跨度及邊坡土石方的開(kāi)挖量，優(yōu)化后的棚洞為單向兩車道+1 個(gè)非機(jī)動(dòng)車道+1 個(gè)人行道，長(zhǎng)320 m，建筑限界同暗挖隧道方案。 擬建棚洞跨度14 m，凈高7.4 m，采用拱形框架結(jié)構(gòu)，外側(cè)結(jié)構(gòu)為平板、托梁、斜柱支撐體系，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)， 斜柱采用橫向地基梁連接，底部不設(shè)仰拱；棚洞內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)及其與邊坡間采用鋼筋混凝土暗拱與素混凝土回填，下部基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)形式[4]。 調(diào)整后的邊坡最大開(kāi)挖高度約35 m，開(kāi)挖階數(shù)為4 階，最大開(kāi)挖斷面面積約505 m2（圖4）。

圖4 大開(kāi)挖棚洞方案示意圖

2.4 半明半暗棚洞+慢行隧道方案

根據(jù)場(chǎng)地地形條件，大開(kāi)挖棚洞方案的邊坡開(kāi)挖高度仍較大，考慮將輔道機(jī)動(dòng)車道與慢行系統(tǒng)分離，可有效減小棚洞的寬度，降低邊坡開(kāi)挖的高度（圖5）。 該方案棚洞的開(kāi)挖寬度11 m，高度7 m，采用半明半暗施工工藝，開(kāi)挖以機(jī)械開(kāi)挖和靜態(tài)裂解為主；慢行系統(tǒng)隧道車道寬度可保持洞口前后段不變，隧道最大開(kāi)挖寬度8.4 m，凈高5.4 m，施工以微振爆破和靜態(tài)裂解為主，輔以機(jī)械開(kāi)挖，設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)考慮淺埋偏壓的影響，施工工序復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)較大（圖6）。

圖5 半明半暗棚洞+慢行隧道方案示意圖

圖6 半明半暗棚洞+慢行隧道方案施工工序

2.5 方案比選

原位高邊坡拓寬方案的道路采用整體式路基，線型以直線為主，行車舒適，視線通透，但存在以下問(wèn)題：（1）山體開(kāi)挖量大，地表植被破壞嚴(yán)重，山頂園林樹(shù)木遷移程序復(fù)雜、工作量大，建成后景觀效果差；（2）邊坡巖層主要為中～微風(fēng)化花崗巖，由于市區(qū)禁止露天爆破， 因此采用機(jī)械破除+靜態(tài)裂解的方式開(kāi)挖，整體工效低，施工工期長(zhǎng)，交通保通影響時(shí)間長(zhǎng)，揚(yáng)塵、噪聲等環(huán)境影響大，且高邊坡破碎過(guò)程存在一定風(fēng)險(xiǎn)，造價(jià)高；（3）高邊坡后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在一定的落石、溜塌等風(fēng)險(xiǎn)。 針對(duì)以上問(wèn)題，若采用輔路內(nèi)移暗挖隧道方案，則僅需對(duì)現(xiàn)狀邊坡表層進(jìn)行剝離，可有效的減小土石方的開(kāi)挖量及對(duì)山體植被的破壞，提高施工工效，縮短工期，減小揚(yáng)塵、噪音等影響，整體造價(jià)較低，具有較大優(yōu)勢(shì)。

各方案比選結(jié)果如表1 所示，可知：大開(kāi)挖棚洞方案線型、通風(fēng)、行車視線條件好，可適當(dāng)降低邊坡的開(kāi)挖量和開(kāi)挖高度， 減少對(duì)山體植被的破壞，同時(shí)有效減少運(yùn)營(yíng)期間高邊坡的安全風(fēng)險(xiǎn)，但棚洞的跨度較大，結(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜，施工工期較長(zhǎng)，交通保通壓力大； 半明半暗棚洞方案土石方開(kāi)挖量很小，可最大限度保護(hù)山體原有植被，同時(shí)揚(yáng)塵、噪聲及對(duì)現(xiàn)狀交通影響較小，但棚洞采用半明半暗施工工藝及結(jié)構(gòu)受力形式均較為復(fù)雜， 施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，費(fèi)用高，目前國(guó)內(nèi)實(shí)施的案例相對(duì)較少。 相較而言，采用輔路內(nèi)移暗挖隧道方案時(shí)，暗挖隧道開(kāi)挖斷面更小，明確隧道兩端進(jìn)出口場(chǎng)地具體條件后即可施工，施工過(guò)程中僅需對(duì)現(xiàn)狀邊坡進(jìn)行簡(jiǎn)單臨時(shí)防護(hù)，不影響現(xiàn)狀道路的通行，且洞內(nèi)石方開(kāi)挖可采用控制爆破技術(shù)，施工工期較短，造價(jià)較低。 考慮施工對(duì)地鐵6 號(hào)線區(qū)間隧道的影響，通過(guò)選擇合理施工工法，控制爆破震速及通過(guò)對(duì)地鐵區(qū)間隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，可有效控制施工風(fēng)險(xiǎn)。

表1 高邊坡拓寬方案比選

綜合上述各種因素的影響，本項(xiàng)目推薦輔路內(nèi)移暗挖隧道方案作為高邊坡拓寬改造方案。

3 方案安全性論證

3.1 爆破對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響分析

為了驗(yàn)證隧道內(nèi)移方案的爆破施工對(duì)下方地鐵區(qū)間隧道的影響， 基于midasGTS NX 有限元程序，采用三維有限元模型模擬隧道爆破施工的動(dòng)力響應(yīng)。 按照實(shí)際地形、地質(zhì)條件，以交叉段為中心，建立縱向28 m，橫向101 m，高度約71 m 的有限元模型。 本構(gòu)模型采用Mohr-Columb 模型。 地鐵隧道及輔路隧道襯砌采用6 結(jié)點(diǎn)三角形板單元模擬，定義為彈性材料。 建立的三維有限元圖7 所示，共劃分了124457 個(gè)節(jié)點(diǎn)、72368 個(gè)單元。

圖7 有限元網(wǎng)格圖

交叉影響段隧洞圍巖為Ⅴ級(jí)圍巖，循環(huán)進(jìn)尺嚴(yán)格控制在1.0 m 以內(nèi)， 最大單響裝藥量根據(jù)爆破振動(dòng)安全距離公式計(jì)算分析求得的最大藥量為32.67 kg。 爆破荷載施加的最不利位置在FDHK4+785 處，位置如圖8 所示。

圖8 爆破點(diǎn)施加位置

通過(guò)計(jì)算輔路隧道掌子面爆破位于地鐵隧道正上方的最不利工況，得出地鐵隧道在各工況下的振動(dòng)速度結(jié)果如圖9 所示，可知交叉段地鐵隧道振速最大值為1.17 cm/s，位于輔路隧道（樁號(hào)FDHK4+785）與地鐵隧道交叉點(diǎn)的隧道拱頂部位，地鐵隧道振速隨時(shí)間變化急劇增大而后緩慢減小，受爆破震動(dòng)影響的區(qū)域逐漸擴(kuò)大。 地鐵隧道最大速度響應(yīng)為1.17 cm/s，小于地鐵隧道的爆破震動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)值（1.5 cm/s）。

圖9 不同時(shí)刻的地鐵隧道速度響應(yīng)云圖

當(dāng)隧道施工貫通后，地鐵隧道襯砌最大剪應(yīng)力及最大主應(yīng)力如圖10 所示。 由圖10 可知，地鐵襯砌的最大剪應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力分別為194.40 kPa和422.71 kPa, 均小于C25 噴射混凝土抗拉和抗剪強(qiáng)度1.3 MPa， 說(shuō)明地鐵隧道襯砌受到爆破荷載作用的抗拉和抗剪強(qiáng)度均在安全范圍之內(nèi)。

圖10 地鐵襯砌響應(yīng)云圖

3.2 隧道自身靜力開(kāi)挖安全性分析

隧道在進(jìn)出口段附近圍巖地質(zhì)較差、 覆土較淺，屬于淺埋隧道。 根據(jù)綜合分析比較，選取典型斷面K5+000 斷面，隧道埋深17～20 m，建立此處隧道施工過(guò)程有限元模型（圖11），對(duì)施工過(guò)程中圍巖和結(jié)構(gòu)的變形和受力進(jìn)行計(jì)算分析。 圍巖采用平面應(yīng)變單元，本構(gòu)模型采用Mohr-Columb 模型；由于分析施工階段，因此只考慮初支的作用，二襯未參與分析，初支采用梁?jiǎn)卧M，計(jì)算時(shí)將鋼支撐通過(guò)等效剛度原則換算成混凝土厚度。

圖11 有限元網(wǎng)格圖

有限元模型模擬施工過(guò)程共分6 個(gè)步驟進(jìn)行，如圖12 所示。

圖13 為隧道施工完成后的位移云圖， 可知隧道開(kāi)挖完成后，拱頂沉降最大約為9 mm，總體上圍巖的位移較小，結(jié)構(gòu)是安全的。 隧道施工過(guò)程中應(yīng)控制爆破及圍巖的開(kāi)挖沉降，及時(shí)施做初期支護(hù)和二襯，加強(qiáng)對(duì)拱頂沉降的監(jiān)控量測(cè)，必要時(shí)采取注漿加固等補(bǔ)強(qiáng)措施。

圖13 開(kāi)挖完成后位移云圖

4 結(jié)論

（1）城市改擴(kuò)建道路既有高邊坡拓寬應(yīng)綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期、環(huán)境、交通，運(yùn)營(yíng)等多方面因素的影響，因地制宜，通過(guò)比選分析確定最合適的方案。 本文主要采用定性分析，關(guān)于方案比選的定量分析有待進(jìn)一步研究。 （2）高邊坡原位拓寬方案對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞較大、且施工工期長(zhǎng)、揚(yáng)塵、噪聲等問(wèn)題突出、對(duì)交通保通影響時(shí)間長(zhǎng)，采用暗挖隧道方案可有效減少上述問(wèn)題。 （3）大開(kāi)挖棚洞方案可減小后期運(yùn)營(yíng)期間邊坡的風(fēng)險(xiǎn)，但對(duì)減小邊坡的開(kāi)挖量和地表植被保護(hù)影響有限；半明半暗棚洞方案雖然可有效減小邊坡的開(kāi)挖量和對(duì)地表植被的破壞，但是該方案結(jié)構(gòu)受力相對(duì)比較復(fù)雜， 施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，費(fèi)用較高，其結(jié)構(gòu)受力分析及施工工序有待進(jìn)一步的研究。 （4）通過(guò)隧道的爆破和自身靜力開(kāi)挖分析可知，選用輔路內(nèi)移暗挖隧道方案在結(jié)構(gòu)上是安全可行的。