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(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都610072)

在水電站場(chǎng)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(lái)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(shí)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(kāi)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(zhǎng)度不小于5.0 m，橫通道延伸長(zhǎng)度不小于3.0 m”。《公路隧道施工技術(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(kāi)挖應(yīng)一次完成”。

顯然，規(guī)范針對(duì)的交叉段都是主洞比支洞大很多的情況。對(duì)于主洞和支洞都較大的情況，規(guī)范沒(méi)有做出明確的規(guī)定。目前一些文獻(xiàn)[3、4]對(duì)某些平交段個(gè)案進(jìn)行了分析，主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)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(chǎng)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(guò)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(kāi)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(kāi)挖方向、分部開(kāi)挖、開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)平交段受力有明顯的時(shí)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(kāi)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(wú)論采用何種施工方案，在支洞施工前，都需加強(qiáng)對(duì)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(hào)、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(jiàn)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(kāi)挖。支洞開(kāi)挖前，應(yīng)先在支洞開(kāi)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(jiàn)圖1所示。

圖1 交叉口支護(hù)示意

2.3 對(duì)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(duì)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(kāi)挖，布置可參見(jiàn)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(kāi)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(cè)方面均有特殊的要求。

(1)開(kāi)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(kāi)挖主洞，主洞掘進(jìn)通過(guò)平交段，再進(jìn)行平交加寬段的擴(kuò)挖，最后開(kāi)挖支洞。

(2)分部開(kāi)挖、開(kāi)挖進(jìn)尺。平交加寬段開(kāi)挖斷面大，巖體－結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，爆破作業(yè)對(duì)平交段圍巖穩(wěn)定有較大影響，故在開(kāi)挖施工中應(yīng)按“短進(jìn)尺、淺孔、多循環(huán)”的方式對(duì)平交加寬段進(jìn)行爆破，必要時(shí)可采用臺(tái)階法開(kāi)挖。如大崗山3#隧道與301#隧道、302#隧道平交段開(kāi)挖至距交叉洞口15 m時(shí)，開(kāi)挖進(jìn)尺按1.0 m控制，以減少爆破對(duì)平交段圍巖的影響。

(3)支護(hù)順序。平交段開(kāi)挖應(yīng)及時(shí)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(shí)，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(duì)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(kāi)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(guò)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(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖地段。具體實(shí)施時(shí)，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(duì)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(gè)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(jí)圍巖。但平交口位置有一條微風(fēng)化輝綠巖脈通過(guò)，巖脈本身強(qiáng)度和完整性均較好，剛開(kāi)挖揭露出來(lái)時(shí)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(guò)對(duì)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(duì)平交段影響有限。及時(shí)采用網(wǎng)噴封閉，增設(shè)錨桿等措施，及時(shí)架設(shè)型鋼鋼架穩(wěn)定已開(kāi)挖洞身。平交段開(kāi)挖完成揭示的地質(zhì)條件印證了之前的推測(cè)。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(gè)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(jí)圍巖。開(kāi)挖時(shí)，沒(méi)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(kāi)挖進(jìn)尺不大，垮塌范圍不大。及時(shí)采用網(wǎng)噴封閉后，嚴(yán)格按照洞頂橫梁要求施工后，沒(méi)有新的垮塌發(fā)生。

4.3 地質(zhì)條件特別好

長(zhǎng)河壩水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程中也采用了眾多隧道平交段。長(zhǎng)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(jí)，并有一部分地方原始地應(yīng)力較高，有巖爆發(fā)生。長(zhǎng)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(shí)進(jìn)行。平交段開(kāi)挖前，應(yīng)提供預(yù)設(shè)計(jì)圖紙，開(kāi)挖中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖情況對(duì)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(kāi)挖量最小方案不能形成自然壓力拱，需對(duì)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(shí)可對(duì)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(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.大渡河大崗山水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程【3#隧道】施工圖設(shè)計(jì)文件[Z].成都:中國(guó)水電顧問(wèn)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2007

[2]中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.長(zhǎng)河壩水電站交通工程4#公路施工圖[Z].成都:中國(guó)水電顧問(wèn)成都勘測(cè)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(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.四川省雅礱江官地水電站可行性研究報(bào)告[R].成都:中國(guó)水電顧問(wèn)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2007