公路隧道平交段設計－施工方法研究

劉慶舒，陳改霞

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都610072)

在水電站場內交通工程中，出現隧道分岔和隧道平交的情況已越來越多。比如，大渡河大崗山水電站施工總布置要求左岸上壩公路隧道同時具有至壩頂，至進水口，至混凝土拌合系統三項功能。設計中采用隧道主線上壩，設置第一條支洞至混凝土拌合系統，第二條支洞至進水口。又如，雅礱江兩河口水電站施工總布置要求，進廠交通隧道需分出支洞連接下游圍堰，作為電站大壩樞紐右岸下游低高程開挖及填筑運輸通道。

《公路隧道設計規范》(JTG D70－2004)第8.1.4條第6款要求“凈寬大于3.0 m的橫通道與主洞的交叉段均應設加強段襯砌，加強段襯砌應向各交叉洞延伸，主洞延伸長度不小于5.0 m，橫通道延伸長度不小于3.0 m”。《公路隧道施工技術規范》(JTG F60－2009)第14.4.3條要求“平行導坑橫通道的交叉口開挖應一次完成”。

顯然，規范針對的交叉段都是主洞比支洞大很多的情況。對于主洞和支洞都較大的情況，規范沒有做出明確的規定。目前一些文獻[3、4]對某些平交段個案進行了分析，主要通過現場量測數據與有限元分析數據相比較，得到了一些有益的結論。

1 平交段分類及受力特點分析

水電站場內交通隧道中出現的平交段主要有兩種形式。一種是大斷面隧道通過喇叭口段分岔形成兩條小斷面隧道的形式，可稱為漸變型平交段;一種是主洞隧道擴挖后，在側邊墻上開挖形成支洞的形式，可稱為擴挖型平交段。顯然兩種情況的受力分析不一樣。本文僅討論擴挖型平交段。

綜合文獻[3、4]，平交段的受力特點如下:

(1)支洞的存在，降低了交叉口段的結構強度;

(2)交叉口位置塑性變形最大，應力松弛最顯著;

(3)近距離隧道之間的巖體呈塑性狀態;

(4)交叉口二次襯砌受力最為復雜，需要加強抗彎抗扭設計;

(5)平交段二次襯砌拱腳位置受壓應力較大;

(6)隧道開挖方向、分部開挖、開挖進尺對平交段受力有明顯的時序效應;

(7)支護順序不同，平交段圍巖－結構體系受力也不一樣。

2 設計方法

隧道交叉部開挖面大，主洞拱形支撐作用被切斷，是結構的最薄弱部位。無論采用何種施工方案，在支洞施工前，都需加強對交叉部的支護措施，以確保該部位的安全。以下介紹平交段設計中常用的幾種加強措施。

2.1 型鋼鋼架、洞頂橫梁

平交段應設置型鋼鋼架加強支護。根據平交段的地質情況和不同斷面及所處位置采用不同型號、不同間距的型鋼鋼架。在主洞、支洞銜接位置需要在支洞洞頂設置橫梁，連接主洞型鋼鋼架，保證交叉處主洞、支洞整體穩定性，布置可參見圖1所示。

2.2 鎖口錨桿

應在平交段主洞加寬擴挖后，再進行支洞的開挖。支洞開挖前，應先在支洞開挖輪廓線外置早強砂漿錨桿進行鎖口加固，布置可參見圖1所示。

圖1 交叉口支護示意

2.3 對穿式錨桿

主洞和支洞交叉處的巖柱體是不規則的異形體，尖角處應力集中，需采取特殊措施保證巖體穩定。一般可采用對穿式低預應力錨桿或注漿法進行加固。

2.4 交叉口異型梁

支洞與主洞連接部位應設置曲線形橫梁支撐，以保證支洞在閉合支撐下安全地開挖，布置可參見圖1所示。

2.5 增加拱腳部位噴射混凝土厚度

結構分析表明，拱腳部位噴射混凝土承受較大的壓應力。因此，通常將噴射混凝土設計為變厚度斷面。設計中可采用噴混凝土內外輪廓線不同心的方法實現。

3 施工方法

隧道平交段結構受力復雜，施工相互影響大。開挖順序的確定、主洞和支洞間巖體加固方法，以及施工監控量測方面均有特殊的要求。

(1)開挖順序。從圍巖應力釋放和圍巖位移變化及塑性區發展方面考慮，平交段施工應先開挖主洞，主洞掘進通過平交段，再進行平交加寬段的擴挖，最后開挖支洞。

(2)分部開挖、開挖進尺。平交加寬段開挖斷面大，巖體－結構受力復雜，爆破作業對平交段圍巖穩定有較大影響，故在開挖施工中應按“短進尺、淺孔、多循環”的方式對平交加寬段進行爆破，必要時可采用臺階法開挖。如大崗山3#隧道與301#隧道、302#隧道平交段開挖至距交叉洞口15 m時，開挖進尺按1.0 m控制，以減少爆破對平交段圍巖的影響。

(3)支護順序。平交段開挖應及時施工初期支護，保證圍巖－結構體系的安全。型鋼鋼架應緊跟掌子面，保證初期支護承擔較大比例的圍巖壓力;圍巖變形達到一定程度時，根據具體情況，施工防水及模筑襯砌。

4 工程地質、水文地質條件對平交段的影響

以上的討論全部是基于圍巖均勻，各向同性的假設上進行的(有限元分析的需要)。事實上，平交段開挖均是在地質不連續體中進行的，以上討論只具有定性的指導意義，在實際施工過程中，不具有明確的可操作性。

4.1 地質條件較差

平交段受力關系復雜，為了保證其結構安全，一般應該設置在地質條件較好的地方。設計中，平交段都設置在Ⅱ級、Ⅲ級圍巖地段。具體實施時，如果平交段地質條件較差，設計應做調整。

4.2 結構面影響

隧道圍巖是千變萬化的，在圍巖條件較好的情況下，也可能存在相對洞室而言不利的結構面或結構面組合。

大崗山水電站左岸上壩隧道第一個平交段圍巖主要為微風化花崗巖，發育兩組結構面，整體穩定性較好，為Ⅲ級圍巖。但平交口位置有一條微風化輝綠巖脈通過，巖脈本身強度和完整性均較好，剛開挖揭露出來時有少量滲水。巖脈與隧道走向大角度相交，陡傾角，厚100 cm左右。受巖脈影響，平交口位置發生小規模垮塌約100 m3。

通過對該隧道周邊地質條件的調查，認為該巖脈是孤立的一條巖脈，并非破碎帶，認為前方地質條件仍然較好，該巖脈對平交段影響有限。及時采用網噴封閉，增設錨桿等措施，及時架設型鋼鋼架穩定已開挖洞身。平交段開挖完成揭示的地質條件印證了之前的推測。目前該平交段初期支護趨于穩定，實施二次襯砌后未發現異常。

大崗山水電站左岸上壩隧道第二個平交段圍巖主要為微風化花崗巖，發育三組結構面，整體穩定性較好，為Ⅲ級圍巖。開挖時，沒有嚴格按照施工圖中洞頂橫梁圖施工，造成了交叉口位置支洞洞頂沿水平結構面的塌方。由于開挖進尺不大，垮塌范圍不大。及時采用網噴封閉后，嚴格按照洞頂橫梁要求施工后，沒有新的垮塌發生。

4.3 地質條件特別好

長河壩水電站場內交通工程中也采用了眾多隧道平交段。長河壩水電站壩址區左右岸的巖體主要為微風化花崗巖，大多數地方為Ⅱ級，并有一部分地方原始地應力較高，有巖爆發生。長河壩水電站最早設計的平交段采用了“噴錨+型鋼+鋼混凝土二襯”的結構形式，逐漸演變成“噴錨+型鋼+預留二襯空間”的結構形式，并且型鋼鋼架的間距也做了適當的調整。

5 設計施工一體化方法建議及展望

隧道平交段應的設計和施工應同時進行。平交段開挖前，應提供預設計圖紙，開挖中，應根據實際開挖情況對預設計進行優化。如考慮到平交段交叉部隧道開挖量最小方案不能形成自然壓力拱，需對計算控制斷面襯砌線型進行優化，使其能形成自然拱結構，以改善裸洞自然成拱的能力;同時可對支護參數和施工組織進行優化。只有這樣才能達到既滿足結構要求又節約投資的目的。

[1]中國水電顧問集團成都勘測設計研究院.大渡河大崗山水電站場內交通工程【3#隧道】施工圖設計文件[Z].成都:中國水電顧問成都勘測設計研究院，2007

[2]中國水電顧問集團成都勘測設計研究院.長河壩水電站交通工程4#公路施工圖[Z].成都:中國水電顧問成都勘測設計研究院，2008

[3]王建.大跨度公路隧道交叉分岔段施工方案研究[J].公路交通技術，2009(1)

[4]中國水電顧問集團成都勘測設計研究院.四川省雅礱江官地水電站可行性研究報告[R].成都:中國水電顧問成都勘測設計研究院，2007