新建横通道与既有隧道交叉点处理方案探讨

刘旭光

（辽宁省公路勘测设计公司，辽宁 沈阳110006）

三架岭隧道位于国道集本线，是连接本溪市区与本溪满族自治县、桓仁满族自治县的重要交通节点。国道集本线为一级公路标准，设计速度60公里/小时。三架岭隧道为分离式隧道，既有左幅隧道始建于二十世纪70年代，因维修加固，建筑限界受净高限制只允许单车道居中行驶，无法满足道路运营要求，拟对左幅隧道进行新建。

新建左幅隧道位于现有上下行分离式隧道中间通过，本溪市端中线距原左幅隧道外边缘18.26米，距原右幅隧道外边缘38.27米；本溪县端中线距原左幅隧道外边缘159.40米，距右幅隧道外边缘52.7米。隧道位于直线段，纵向坡度-1.0%，隧道总长1057m，系越岭长隧道。新建左幅隧道与原隧道位置关系见图1。

图1 新建左幅隧道与原隧道位置关系示意图

新建隧道设置车行横通道1处，横通道长度为50.77米，与右幅隧道交叉角度为119°。设置人行横通道2处，人行横通道长度分别为39.74米和48.0米。新建车行、人行横通道需要对原右幅隧道衬砌结构、电缆槽和防排水等结构及设施进行凿除和修补。由于在原右幅隧道衬砌上开槽，施工中存在对原衬砌结构破坏和较大扰动的可能性，以及防水板接触不严产生渗漏水等病害。为保证隧道衬砌结构稳定及附属结构的有效性，制定了相应横通道与原有右幅隧道交叉点处的处理方案。

1 交叉点数值模拟研究

横通道与既有隧道交点位置应力分布较为复杂，为研究其应力、应力集中分布规律及其在围岩中发展变化规律，数值模拟过程中，模型边界均选取大于5倍隧道半径建立。岩石单元类型取为SOLID65单元，该单元能够模拟岩石等脆性材料的压碎和拉裂。数值模拟分析按应力边界条件进行模拟计算，模型底部铅垂方向边界条件为竖直约束，模型顶部边界条件为上覆岩层自重应力（P=r*h，其中h=400m），交叉点平面图如图2所示。

图2 交叉点平面

1.1 应力集中系数分析

应力集中是指地下硐室开挖后，周边不做加固处理情况下，其法向和切向应力均趋近于零，而周向应力则突然增大，即地下硐室次生应力高于原岩应力的现象，称为应力集中现象。应力集中程度采用应力集中系数（K）来表示，其关系式如下：

式中：P0为原岩应力；P1为次生应力。

由上述关系式可知应力集中系数越高，说明隧道次生应力高于原岩应力幅度越大，开挖后隧道越容易由于应力过大而发生失稳破坏，即稳定性就越差。

1.2 既有右幅隧道

通过数值模拟计算，由数据处理得到交叉点隧道顶板应力集中系数随距离变化的演化规律，详见图3所示：

图3 顶板应力集中系数

图3可以看出隧道交叉点开掘对顶板的应力集中系数影响不明显，开挖前后应力集中系数相差不大，在交叉点处应力集中系数大约为1.1。

因此，隧道交叉点支护过程中，要对应力集中系数较高部位进行重点支护，特别对交叉点的锐角侧。对交叉点应力集中较严重部位进行圆弧（角）处理或者布设卸压孔等处理方式，一定程度上可以减小隧道交叉点应力集中程度，保证隧道交叉点围岩的稳定性。

1.3 横通道

通过上述数值模拟计算，由数据处理得到交叉点横通道顶板应力集中系数随距离变化的变化规律，详见图4所示：

图4 顶板应力集中系数

图4可以看出，隧道交叉点处横通道顶板的应力集中系数（分别为1.26和1.20）略高于其他部位的应力集中系数，且应力集中系数随着远离交叉点而逐渐变小，最终趋于平缓。

因此，在对横通道交叉点施工过程中，要对隧道关键部位进行重点支护，特别是隧道交叉点锐角侧。同时应对隧道交叉点处进行必要圆弧（角）处理或布设卸压孔等措施，减小隧道应力集中程度，防止隧道局部破坏而导致失稳。

2 开挖控制方案

新建隧道本溪市端进洞310米范围距离既有左、右幅隧道较近，特别是距离左幅隧道为18.26米。横通道施工应严格控制爆破振动，爆破振动速度不大于10cm/s。同时应采用预裂爆破手段，严格控制装药量和钻孔深度，并监测既有右幅隧道爆破振动速度、衬砌结构及防排水措施的有效性，减少对衬砌结构及围岩扰动，保证既有隧道的安全稳定。施工中应严格控制进尺长度，做到精细化施工，及时施作防排水系统、支护系统，并做好监控量测工作，保证交叉点处围岩稳定。横通道施工靠近原右幅隧道时，应对现有道路进行封闭交通，制定相应绕行方案。

3 凿除及加固方案

（1）从新建左幅隧道向既有右幅隧道掘进过程中，距离右幅隧道衬砌结构背面5m处应停止开挖，并及时对掌子面附近的横通道喷射混凝土封闭围岩，保证已完成段横通道的安全稳定。重点关注及监测交叉点应力集中较大位置，采用圆弧处理，并打设泄压孔，减少应力集中影响。

（2）在横通道掌子面周边打设注φ45注浆小导管，并注1∶1水泥水玻璃双液浆，加固围岩，防止施工时出现塌方或围岩大变形。

（3）待围岩稳定后，采用切割机沿横通道洞门边缘向外扩20cm范围进行环向切割并破除二次衬砌。凿除二衬混凝土后，对原有防水板进行切割，并至少保证30cm焊接长度，然后进行初期支护混凝土凿除。待上述工序完毕后，采用 “短进尺、弱爆破、勤量测、早支护” 的原则，进行围岩掘进施工。

（4）由既有右幅隧道沿横通道轴线方向进行掘进施工，掘进采用钻爆法，严格控制和优化爆破方案，采用预裂爆破方法，每循环进尺不超过0.6米，并及时喷射混凝土封闭围岩，加强右幅隧道的沉降和变形等观测。

（5）横通道与既有右幅隧道交叉处设置钢拱架进行加强防护措施，掘进长度满足架设拱架条件后及时施作。人行横通道共设置2榀I16钢拱架，钢拱架纵向间距1米；车行横通道共设置5榀I16钢拱架，钢拱架纵向间距1米。

（6）拱架施作完毕后，进行衬砌混凝土施工。

4 防排水方案

隧道防排水应当遵循 “防、排、堵、截结合，因地制宜，综合治理” 的原则，保证隧道结构物和运营设备正常使用和行车安全。隧道建成后，应满足拱部、边墙、路面、设备箱洞不渗水，隧道衬砌背后不积水，排水沟不冻结，车行横通道、人行横通道拱部不滴水，边墙不淌水。对于新建隧道比较容易实施，但由于车行横通道和人行横通道是和原有隧道连接，故交叉点处的防排水处理尤为重要，主要采取了下列措施：

（1）采用切割机先行对二次衬砌进行切割，切割出临空面后再逐步向周边扩展，保证横通道周边二次衬砌和防水板完好。

（2）横通道防水板切割需保留至少30cm焊接长度。采用焊接方式，搭接宽度为30cm。横通道与既有右幅隧道连接处防水板搭接详见图5。如果施工中防水板有破损，应进行焊接缝补，保证防水效果满足要求，避免运管期间渗漏水事故发生。

图5 车行横通道与右线隧道连接处防水板搭接图

（3）横通道衬砌背后均设置了MF12的环向盲沟，边墙底部设置φ100纵向排水管，通过环向盲沟将水引排至纵向排水管，由于原右幅隧道与横通道相接处现场勘察无纵向排水管，为保证地下纵向排水顺畅，在横通道与原右幅隧道路面结合处设置钢筋混凝土集水槽，将地表和地下水通过集水坑及隧道排水系统引排至隧道外。

（4）横通道与既有右幅隧道相衔接处设置沉降缝，沉降缝排水措施采用背贴式止水带和中埋式止水带，并采用钢筋卡固定，保证衬砌结构施工缝不发生渗漏水事故。

5 过路电缆槽处理方案

既有右幅隧道电缆槽净深度为52cm，盖板厚度为8cm，电缆槽顶面高出路面厚度为25cm。因车行横通道与原路面相接处应保证顺接（与原路高程一致），改建后电缆槽盖板采用20cm厚钢筋混凝土结构，其净空为15cm，在距离电缆槽底面5cm处设置电缆托架，其上10cm空间内放置电缆，可以不切断和拆迁电缆。人行横通道的电缆槽维持原右幅隧道的高度，高出路面25cm。

图6 过路电缆槽处理方案

6 结语

通过数值模拟研究，对横通道与既有隧道交叉点的设计、施工方案提供理论依据，并对施工关键点进行重点关注。针对新建横通道对既有隧道的影响，提出对既有隧道衬砌、附属结构设施的设计方案和施工措施。该隧道于2018年竣工，项目通过三年的运营，隧道总体运营状态良好，未发生衬砌裂缝、渗漏水等病害，取得较好的效果，为其他类似工程提供可以借鉴的经验。