公路隧道平交段设计－施工方法研究

刘庆舒，陈改霞

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都610072)

在水电站场内交通工程中，出现隧道分岔和隧道平交的情况已越来越多。比如，大渡河大岗山水电站施工总布置要求左岸上坝公路隧道同时具有至坝顶，至进水口，至混凝土拌合系统三项功能。设计中采用隧道主线上坝，设置第一条支洞至混凝土拌合系统，第二条支洞至进水口。又如，雅砻江两河口水电站施工总布置要求，进厂交通隧道需分出支洞连接下游围堰，作为电站大坝枢纽右岸下游低高程开挖及填筑运输通道。

《公路隧道设计规范》(JTG D70－2004)第8.1.4条第6款要求“净宽大于3.0 m的横通道与主洞的交叉段均应设加强段衬砌，加强段衬砌应向各交叉洞延伸，主洞延伸长度不小于5.0 m，横通道延伸长度不小于3.0 m”。《公路隧道施工技术规范》(JTG F60－2009)第14.4.3条要求“平行导坑横通道的交叉口开挖应一次完成”。

显然，规范针对的交叉段都是主洞比支洞大很多的情况。对于主洞和支洞都较大的情况，规范没有做出明确的规定。目前一些文献[3、4]对某些平交段个案进行了分析，主要通过现场量测数据与有限元分析数据相比较，得到了一些有益的结论。

1 平交段分类及受力特点分析

水电站场内交通隧道中出现的平交段主要有两种形式。一种是大断面隧道通过喇叭口段分岔形成两条小断面隧道的形式，可称为渐变型平交段;一种是主洞隧道扩挖后，在侧边墙上开挖形成支洞的形式，可称为扩挖型平交段。显然两种情况的受力分析不一样。本文仅讨论扩挖型平交段。

综合文献[3、4]，平交段的受力特点如下:

(1)支洞的存在，降低了交叉口段的结构强度;

(2)交叉口位置塑性变形最大，应力松弛最显著;

(3)近距离隧道之间的岩体呈塑性状态;

(4)交叉口二次衬砌受力最为复杂，需要加强抗弯抗扭设计;

(5)平交段二次衬砌拱脚位置受压应力较大;

(6)隧道开挖方向、分部开挖、开挖进尺对平交段受力有明显的时序效应;

(7)支护顺序不同，平交段围岩－结构体系受力也不一样。

2 设计方法

隧道交叉部开挖面大，主洞拱形支撑作用被切断，是结构的最薄弱部位。无论采用何种施工方案，在支洞施工前，都需加强对交叉部的支护措施，以确保该部位的安全。以下介绍平交段设计中常用的几种加强措施。

2.1 型钢钢架、洞顶横梁

平交段应设置型钢钢架加强支护。根据平交段的地质情况和不同断面及所处位置采用不同型号、不同间距的型钢钢架。在主洞、支洞衔接位置需要在支洞洞顶设置横梁，连接主洞型钢钢架，保证交叉处主洞、支洞整体稳定性，布置可参见图1所示。

2.2 锁口锚杆

应在平交段主洞加宽扩挖后，再进行支洞的开挖。支洞开挖前，应先在支洞开挖轮廓线外置早强砂浆锚杆进行锁口加固，布置可参见图1所示。

图1 交叉口支护示意

2.3 对穿式锚杆

主洞和支洞交叉处的岩柱体是不规则的异形体，尖角处应力集中，需采取特殊措施保证岩体稳定。一般可采用对穿式低预应力锚杆或注浆法进行加固。

2.4 交叉口异型梁

支洞与主洞连接部位应设置曲线形横梁支撑，以保证支洞在闭合支撑下安全地开挖，布置可参见图1所示。

2.5 增加拱脚部位喷射混凝土厚度

结构分析表明，拱脚部位喷射混凝土承受较大的压应力。因此，通常将喷射混凝土设计为变厚度断面。设计中可采用喷混凝土内外轮廓线不同心的方法实现。

3 施工方法

隧道平交段结构受力复杂，施工相互影响大。开挖顺序的确定、主洞和支洞间岩体加固方法，以及施工监控量测方面均有特殊的要求。

(1)开挖顺序。从围岩应力释放和围岩位移变化及塑性区发展方面考虑，平交段施工应先开挖主洞，主洞掘进通过平交段，再进行平交加宽段的扩挖，最后开挖支洞。

(2)分部开挖、开挖进尺。平交加宽段开挖断面大，岩体－结构受力复杂，爆破作业对平交段围岩稳定有较大影响，故在开挖施工中应按“短进尺、浅孔、多循环”的方式对平交加宽段进行爆破，必要时可采用台阶法开挖。如大岗山3#隧道与301#隧道、302#隧道平交段开挖至距交叉洞口15 m时，开挖进尺按1.0 m控制，以减少爆破对平交段围岩的影响。

(3)支护顺序。平交段开挖应及时施工初期支护，保证围岩－结构体系的安全。型钢钢架应紧跟掌子面，保证初期支护承担较大比例的围岩压力;围岩变形达到一定程度时，根据具体情况，施工防水及模筑衬砌。

4 工程地质、水文地质条件对平交段的影响

以上的讨论全部是基于围岩均匀，各向同性的假设上进行的(有限元分析的需要)。事实上，平交段开挖均是在地质不连续体中进行的，以上讨论只具有定性的指导意义，在实际施工过程中，不具有明确的可操作性。

4.1 地质条件较差

平交段受力关系复杂，为了保证其结构安全，一般应该设置在地质条件较好的地方。设计中，平交段都设置在Ⅱ级、Ⅲ级围岩地段。具体实施时，如果平交段地质条件较差，设计应做调整。

4.2 结构面影响

隧道围岩是千变万化的，在围岩条件较好的情况下，也可能存在相对洞室而言不利的结构面或结构面组合。

大岗山水电站左岸上坝隧道第一个平交段围岩主要为微风化花岗岩，发育两组结构面，整体稳定性较好，为Ⅲ级围岩。但平交口位置有一条微风化辉绿岩脉通过，岩脉本身强度和完整性均较好，刚开挖揭露出来时有少量渗水。岩脉与隧道走向大角度相交，陡倾角，厚100 cm左右。受岩脉影响，平交口位置发生小规模垮塌约100 m3。

通过对该隧道周边地质条件的调查，认为该岩脉是孤立的一条岩脉，并非破碎带，认为前方地质条件仍然较好，该岩脉对平交段影响有限。及时采用网喷封闭，增设锚杆等措施，及时架设型钢钢架稳定已开挖洞身。平交段开挖完成揭示的地质条件印证了之前的推测。目前该平交段初期支护趋于稳定，实施二次衬砌后未发现异常。

大岗山水电站左岸上坝隧道第二个平交段围岩主要为微风化花岗岩，发育三组结构面，整体稳定性较好，为Ⅲ级围岩。开挖时，没有严格按照施工图中洞顶横梁图施工，造成了交叉口位置支洞洞顶沿水平结构面的塌方。由于开挖进尺不大，垮塌范围不大。及时采用网喷封闭后，严格按照洞顶横梁要求施工后，没有新的垮塌发生。

4.3 地质条件特别好

长河坝水电站场内交通工程中也采用了众多隧道平交段。长河坝水电站坝址区左右岸的岩体主要为微风化花岗岩，大多数地方为Ⅱ级，并有一部分地方原始地应力较高，有岩爆发生。长河坝水电站最早设计的平交段采用了“喷锚+型钢+钢混凝土二衬”的结构形式，逐渐演变成“喷锚+型钢+预留二衬空间”的结构形式，并且型钢钢架的间距也做了适当的调整。

5 设计施工一体化方法建议及展望

隧道平交段应的设计和施工应同时进行。平交段开挖前，应提供预设计图纸，开挖中，应根据实际开挖情况对预设计进行优化。如考虑到平交段交叉部隧道开挖量最小方案不能形成自然压力拱，需对计算控制断面衬砌线型进行优化，使其能形成自然拱结构，以改善裸洞自然成拱的能力;同时可对支护参数和施工组织进行优化。只有这样才能达到既满足结构要求又节约投资的目的。

[1]中国水电顾问集团成都勘测设计研究院.大渡河大岗山水电站场内交通工程【3#隧道】施工图设计文件[Z].成都:中国水电顾问成都勘测设计研究院，2007

[2]中国水电顾问集团成都勘测设计研究院.长河坝水电站交通工程4#公路施工图[Z].成都:中国水电顾问成都勘测设计研究院，2008

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

[4]中国水电顾问集团成都勘测设计研究院.四川省雅砻江官地水电站可行性研究报告[R].成都:中国水电顾问成都勘测设计研究院，2007