公路隧道平交段設(shè)計(jì)－施工方法研究

劉慶舒，陳改霞

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川成都610072)

在水電站場內(nèi)交通工程中，出現(xiàn)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(jìn)水口，至混凝土拌合系統(tǒng)三項(xiàng)功能。設(shè)計(jì)中采用隧道主線上壩，設(shè)置第一條支洞至混凝土拌合系統(tǒng)，第二條支洞至進(jìn)水口。又如，雅礱江兩河口水電站施工總布置要求，進(jìn)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(yùn)輸通道。

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)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(yīng)設(shè)加強(qiáng)段襯砌，加強(qiáng)段襯砌應(yīng)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”?！豆匪淼朗┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》(JTG F60－2009)第14.4.3條要求“平行導(dǎo)坑橫通道的交叉口開挖應(yīng)一次完成”。

顯然，規(guī)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(guī)范沒有做出明確的規(guī)定。目前一些文獻(xiàn)[3、4]對某些平交段個案進(jìn)行了分析，主要通過現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)相比較，得到了一些有益的結(jié)論。

1 平交段分類及受力特點(diǎn)分析

水電站場內(nèi)交通隧道中出現(xiàn)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(kuò)挖后，在側(cè)邊墻上開挖形成支洞的形式，可稱為擴(kuò)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(kuò)挖型平交段。

綜合文獻(xiàn)[3、4]，平交段的受力特點(diǎn)如下:

(1)支洞的存在，降低了交叉口段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;

(2)交叉口位置塑性變形最大，應(yīng)力松弛最顯著;

(3)近距離隧道之間的巖體呈塑性狀態(tài);

(4)交叉口二次襯砌受力最為復(fù)雜，需要加強(qiáng)抗彎抗扭設(shè)計(jì);

(5)平交段二次襯砌拱腳位置受壓應(yīng)力較大;

(6)隧道開挖方向、分部開挖、開挖進(jìn)尺對平交段受力有明顯的時序效應(yīng);

(7)支護(hù)順序不同，平交段圍巖－結(jié)構(gòu)體系受力也不一樣。

2 設(shè)計(jì)方法

隧道交叉部開挖面大，主洞拱形支撐作用被切斷，是結(jié)構(gòu)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(qiáng)對交叉部的支護(hù)措施，以確保該部位的安全。以下介紹平交段設(shè)計(jì)中常用的幾種加強(qiáng)措施。

2.1 型鋼鋼架、洞頂橫梁

平交段應(yīng)設(shè)置型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)平交段的地質(zhì)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(shè)置橫梁，連接主洞型鋼鋼架，保證交叉處主洞、支洞整體穩(wěn)定性，布置可參見圖1所示。

2.2 鎖口錨桿

應(yīng)在平交段主洞加寬擴(kuò)挖后，再進(jìn)行支洞的開挖。支洞開挖前，應(yīng)先在支洞開挖輪廓線外置早強(qiáng)砂漿錨桿進(jìn)行鎖口加固，布置可參見圖1所示。

圖1 交叉口支護(hù)示意

2.3 對穿式錨桿

主洞和支洞交叉處的巖柱體是不規(guī)則的異形體，尖角處應(yīng)力集中，需采取特殊措施保證巖體穩(wěn)定。一般可采用對穿式低預(yù)應(yīng)力錨桿或注漿法進(jìn)行加固。

2.4 交叉口異型梁

支洞與主洞連接部位應(yīng)設(shè)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(jié)構(gòu)分析表明，拱腳部位噴射混凝土承受較大的壓應(yīng)力。因此，通常將噴射混凝土設(shè)計(jì)為變厚度斷面。設(shè)計(jì)中可采用噴混凝土內(nèi)外輪廓線不同心的方法實(shí)現(xiàn)。

3 施工方法

隧道平交段結(jié)構(gòu)受力復(fù)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(jiān)控量測方面均有特殊的要求。

(1)開挖順序。從圍巖應(yīng)力釋放和圍巖位移變化及塑性區(qū)發(fā)展方面考慮，平交段施工應(yīng)先開挖主洞，主洞掘進(jìn)通過平交段，再進(jìn)行平交加寬段的擴(kuò)挖，最后開挖支洞。

(2)分部開挖、開挖進(jìn)尺。平交加寬段開挖斷面大，巖體－結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，爆破作業(yè)對平交段圍巖穩(wěn)定有較大影響，故在開挖施工中應(yīng)按“短進(jìn)尺、淺孔、多循環(huán)”的方式對平交加寬段進(jìn)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(jìn)尺按1.0 m控制，以減少爆破對平交段圍巖的影響。

(3)支護(hù)順序。平交段開挖應(yīng)及時施工初期支護(hù)，保證圍巖－結(jié)構(gòu)體系的安全。型鋼鋼架應(yīng)緊跟掌子面，保證初期支護(hù)承擔(dān)較大比例的圍巖壓力;圍巖變形達(dá)到一定程度時，根據(jù)具體情況，施工防水及模筑襯砌。

4 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)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(shè)上進(jìn)行的(有限元分析的需要)。事實(shí)上，平交段開挖均是在地質(zhì)不連續(xù)體中進(jìn)行的，以上討論只具有定性的指導(dǎo)意義，在實(shí)際施工過程中，不具有明確的可操作性。

4.1 地質(zhì)條件較差

平交段受力關(guān)系復(fù)雜，為了保證其結(jié)構(gòu)安全，一般應(yīng)該設(shè)置在地質(zhì)條件較好的地方。設(shè)計(jì)中，平交段都設(shè)置在Ⅱ級、Ⅲ級圍巖地段。具體實(shí)施時，如果平交段地質(zhì)條件較差，設(shè)計(jì)應(yīng)做調(diào)整。

4.2 結(jié)構(gòu)面影響

隧道圍巖是千變?nèi)f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(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)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(fēng)化花崗巖，發(fā)育兩組結(jié)構(gòu)面，整體穩(wěn)定性較好，為Ⅲ級圍巖。但平交口位置有一條微風(fēng)化輝綠巖脈通過，巖脈本身強(qiáng)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(fā)生小規(guī)模垮塌約100 m3。

通過對該隧道周邊地質(zhì)條件的調(diào)查，認(rèn)為該巖脈是孤立的一條巖脈，并非破碎帶，認(rèn)為前方地質(zhì)條件仍然較好，該巖脈對平交段影響有限。及時采用網(wǎng)噴封閉，增設(shè)錨桿等措施，及時架設(shè)型鋼鋼架穩(wěn)定已開挖洞身。平交段開挖完成揭示的地質(zhì)條件印證了之前的推測。目前該平交段初期支護(hù)趨于穩(wěn)定，實(shí)施二次襯砌后未發(fā)現(xiàn)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(fēng)化花崗巖，發(fā)育三組結(jié)構(gòu)面，整體穩(wěn)定性較好，為Ⅲ級圍巖。開挖時，沒有嚴(yán)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(jié)構(gòu)面的塌方。由于開挖進(jìn)尺不大，垮塌范圍不大。及時采用網(wǎng)噴封閉后，嚴(yán)格按照洞頂橫梁要求施工后，沒有新的垮塌發(fā)生。

4.3 地質(zhì)條件特別好

長河壩水電站場內(nèi)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(qū)左右岸的巖體主要為微風(fēng)化花崗巖，大多數(shù)地方為Ⅱ級，并有一部分地方原始地應(yīng)力較高，有巖爆發(fā)生。長河壩水電站最早設(shè)計(jì)的平交段采用了“噴錨+型鋼+鋼混凝土二襯”的結(jié)構(gòu)形式，逐漸演變成“噴錨+型鋼+預(yù)留二襯空間”的結(jié)構(gòu)形式，并且型鋼鋼架的間距也做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

5 設(shè)計(jì)施工一體化方法建議及展望

隧道平交段應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工應(yīng)同時進(jìn)行。平交段開挖前，應(yīng)提供預(yù)設(shè)計(jì)圖紙，開挖中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際開挖情況對預(yù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)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(jì)算控制斷面襯砌線型進(jìn)行優(yōu)化，使其能形成自然拱結(jié)構(gòu)，以改善裸洞自然成拱的能力;同時可對支護(hù)參數(shù)和施工組織進(jìn)行優(yōu)化。只有這樣才能達(dá)到既滿足結(jié)構(gòu)要求又節(jié)約投資的目的。

[1]中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院.大渡河大崗山水電站場內(nèi)交通工程【3#隧道】施工圖設(shè)計(jì)文件[Z].成都:中國水電顧問成都勘測設(shè)計(jì)研究院，2007

[2]中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shù)，2009(1)

[4]中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)研究院，2007