新建橫通道與既有隧道交叉點處理方案探討

劉旭光

（遼寧省公路勘測設計公司，遼寧 沈陽110006）

三架嶺隧道位于國道集本線，是連接本溪市區與本溪滿族自治縣、桓仁滿族自治縣的重要交通節點。國道集本線為一級公路標準，設計速度60公里/小時。三架嶺隧道為分離式隧道，既有左幅隧道始建于二十世紀70年代，因維修加固，建筑限界受凈高限制只允許單車道居中行駛，無法滿足道路運營要求，擬對左幅隧道進行新建。

新建左幅隧道位于現有上下行分離式隧道中間通過，本溪市端中線距原左幅隧道外邊緣18.26米，距原右幅隧道外邊緣38.27米；本溪縣端中線距原左幅隧道外邊緣159.40米，距右幅隧道外邊緣52.7米。隧道位于直線段，縱向坡度-1.0%，隧道總長1057m，系越嶺長隧道。新建左幅隧道與原隧道位置關系見圖1。

圖1 新建左幅隧道與原隧道位置關系示意圖

新建隧道設置車行橫通道1處，橫通道長度為50.77米，與右幅隧道交叉角度為119°。設置人行橫通道2處，人行橫通道長度分別為39.74米和48.0米。新建車行、人行橫通道需要對原右幅隧道襯砌結構、電纜槽和防排水等結構及設施進行鑿除和修補。由于在原右幅隧道襯砌上開槽，施工中存在對原襯砌結構破壞和較大擾動的可能性，以及防水板接觸不嚴產生滲漏水等病害。為保證隧道襯砌結構穩定及附屬結構的有效性，制定了相應橫通道與原有右幅隧道交叉點處的處理方案。

1 交叉點數值模擬研究

橫通道與既有隧道交點位置應力分布較為復雜，為研究其應力、應力集中分布規律及其在圍巖中發展變化規律，數值模擬過程中，模型邊界均選取大于5倍隧道半徑建立。巖石單元類型取為SOLID65單元，該單元能夠模擬巖石等脆性材料的壓碎和拉裂。數值模擬分析按應力邊界條件進行模擬計算，模型底部鉛垂方向邊界條件為豎直約束，模型頂部邊界條件為上覆巖層自重應力（P=r*h，其中h=400m），交叉點平面圖如圖2所示。

圖2 交叉點平面

1.1 應力集中系數分析

應力集中是指地下硐室開挖后，周邊不做加固處理情況下，其法向和切向應力均趨近于零，而周向應力則突然增大，即地下硐室次生應力高于原巖應力的現象，稱為應力集中現象。應力集中程度采用應力集中系數（K）來表示，其關系式如下：

式中：P0為原巖應力；P1為次生應力。

由上述關系式可知應力集中系數越高，說明隧道次生應力高于原巖應力幅度越大，開挖后隧道越容易由于應力過大而發生失穩破壞，即穩定性就越差。

1.2 既有右幅隧道

通過數值模擬計算，由數據處理得到交叉點隧道頂板應力集中系數隨距離變化的演化規律，詳見圖3所示：

圖3 頂板應力集中系數

圖3可以看出隧道交叉點開掘對頂板的應力集中系數影響不明顯，開挖前后應力集中系數相差不大，在交叉點處應力集中系數大約為1.1。

因此，隧道交叉點支護過程中，要對應力集中系數較高部位進行重點支護，特別對交叉點的銳角側。對交叉點應力集中較嚴重部位進行圓?。ń牵┨幚砘蛘卟荚O卸壓孔等處理方式，一定程度上可以減小隧道交叉點應力集中程度，保證隧道交叉點圍巖的穩定性。

1.3 橫通道

通過上述數值模擬計算，由數據處理得到交叉點橫通道頂板應力集中系數隨距離變化的變化規律，詳見圖4所示：

圖4 頂板應力集中系數

圖4可以看出，隧道交叉點處橫通道頂板的應力集中系數（分別為1.26和1.20）略高于其他部位的應力集中系數，且應力集中系數隨著遠離交叉點而逐漸變小，最終趨于平緩。

因此，在對橫通道交叉點施工過程中，要對隧道關鍵部位進行重點支護，特別是隧道交叉點銳角側。同時應對隧道交叉點處進行必要圓?。ń牵┨幚砘虿荚O卸壓孔等措施，減小隧道應力集中程度，防止隧道局部破壞而導致失穩。

2 開挖控制方案

新建隧道本溪市端進洞310米范圍距離既有左、右幅隧道較近，特別是距離左幅隧道為18.26米。橫通道施工應嚴格控制爆破振動，爆破振動速度不大于10cm/s。同時應采用預裂爆破手段，嚴格控制裝藥量和鉆孔深度，并監測既有右幅隧道爆破振動速度、襯砌結構及防排水措施的有效性，減少對襯砌結構及圍巖擾動，保證既有隧道的安全穩定。施工中應嚴格控制進尺長度，做到精細化施工，及時施作防排水系統、支護系統，并做好監控量測工作，保證交叉點處圍巖穩定。橫通道施工靠近原右幅隧道時，應對現有道路進行封閉交通，制定相應繞行方案。

3 鑿除及加固方案

（1）從新建左幅隧道向既有右幅隧道掘進過程中，距離右幅隧道襯砌結構背面5m處應停止開挖，并及時對掌子面附近的橫通道噴射混凝土封閉圍巖，保證已完成段橫通道的安全穩定。重點關注及監測交叉點應力集中較大位置，采用圓弧處理，并打設泄壓孔，減少應力集中影響。

（2）在橫通道掌子面周邊打設注φ45注漿小導管，并注1∶1水泥水玻璃雙液漿，加固圍巖，防止施工時出現塌方或圍巖大變形。

（3）待圍巖穩定后，采用切割機沿橫通道洞門邊緣向外擴20cm范圍進行環向切割并破除二次襯砌。鑿除二襯混凝土后，對原有防水板進行切割，并至少保證30cm焊接長度，然后進行初期支護混凝土鑿除。待上述工序完畢后，采用 “短進尺、弱爆破、勤量測、早支護” 的原則，進行圍巖掘進施工。

（4）由既有右幅隧道沿橫通道軸線方向進行掘進施工，掘進采用鉆爆法，嚴格控制和優化爆破方案，采用預裂爆破方法，每循環進尺不超過0.6米，并及時噴射混凝土封閉圍巖，加強右幅隧道的沉降和變形等觀測。

（5）橫通道與既有右幅隧道交叉處設置鋼拱架進行加強防護措施，掘進長度滿足架設拱架條件后及時施作。人行橫通道共設置2榀I16鋼拱架，鋼拱架縱向間距1米；車行橫通道共設置5榀I16鋼拱架，鋼拱架縱向間距1米。

（6）拱架施作完畢后，進行襯砌混凝土施工。

4 防排水方案

隧道防排水應當遵循 “防、排、堵、截結合，因地制宜，綜合治理” 的原則，保證隧道結構物和運營設備正常使用和行車安全。隧道建成后，應滿足拱部、邊墻、路面、設備箱洞不滲水，隧道襯砌背后不積水，排水溝不凍結，車行橫通道、人行橫通道拱部不滴水，邊墻不淌水。對于新建隧道比較容易實施，但由于車行橫通道和人行橫通道是和原有隧道連接，故交叉點處的防排水處理尤為重要，主要采取了下列措施：

（1）采用切割機先行對二次襯砌進行切割，切割出臨空面后再逐步向周邊擴展，保證橫通道周邊二次襯砌和防水板完好。

（2）橫通道防水板切割需保留至少30cm焊接長度。采用焊接方式，搭接寬度為30cm。橫通道與既有右幅隧道連接處防水板搭接詳見圖5。如果施工中防水板有破損，應進行焊接縫補，保證防水效果滿足要求，避免運管期間滲漏水事故發生。

圖5 車行橫通道與右線隧道連接處防水板搭接圖

（3）橫通道襯砌背后均設置了MF12的環向盲溝，邊墻底部設置φ100縱向排水管，通過環向盲溝將水引排至縱向排水管，由于原右幅隧道與橫通道相接處現場勘察無縱向排水管，為保證地下縱向排水順暢，在橫通道與原右幅隧道路面結合處設置鋼筋混凝土集水槽，將地表和地下水通過集水坑及隧道排水系統引排至隧道外。

（4）橫通道與既有右幅隧道相銜接處設置沉降縫，沉降縫排水措施采用背貼式止水帶和中埋式止水帶，并采用鋼筋卡固定，保證襯砌結構施工縫不發生滲漏水事故。

5 過路電纜槽處理方案

既有右幅隧道電纜槽凈深度為52cm，蓋板厚度為8cm，電纜槽頂面高出路面厚度為25cm。因車行橫通道與原路面相接處應保證順接（與原路高程一致），改建后電纜槽蓋板采用20cm厚鋼筋混凝土結構，其凈空為15cm，在距離電纜槽底面5cm處設置電纜托架，其上10cm空間內放置電纜，可以不切斷和拆遷電纜。人行橫通道的電纜槽維持原右幅隧道的高度，高出路面25cm。

圖6 過路電纜槽處理方案

6 結語

通過數值模擬研究，對橫通道與既有隧道交叉點的設計、施工方案提供理論依據，并對施工關鍵點進行重點關注。針對新建橫通道對既有隧道的影響，提出對既有隧道襯砌、附屬結構設施的設計方案和施工措施。該隧道于2018年竣工，項目通過三年的運營，隧道總體運營狀態良好，未發生襯砌裂縫、滲漏水等病害，取得較好的效果，為其他類似工程提供可以借鑒的經驗。