公路隧道設計過程中的問題探討

陳 琦 茅文舟

1.臺州市交通勘察設計院，浙江 臺州 318000

2.臺州市路橋區公路管理局，浙江 臺州 318050

近十年來，我國公路隧道的發展趨勢迅猛，每年平均有七十萬延米的隧道落成，隨著大量實踐經驗的累積，我國公路隧道的設計水平也在蓬勃發展，豐富的勘察經驗使得近幾年來一大批高難度的科研項目和工程順利進入實施階段，在設計階段制約我國公路隧道發展的技術瓶頸期已經初步度過，部分還達到了世界領先水準，同樣在施工技術方面也有重大突破。我國在復雜的地質環境下以及非常規的隧道工程、高寒高原地區的隧道工程、黃土粘土地域的隧道工程等方面，均取得了長足的進步，在設計、施工、運營管理的方面也日趨成熟。在新材料和新工藝的研究和應用方面也進行了嘗試，總體發展情況值得期待。但不可否認，過快的發展進程給公路隧道建設也遺留下了許多問題，特別是在設計方面，很多問題亟待解決，需要在日后的發展過程中逐漸完善。

1 公路隧道設計過程中存在的問題

目前我國公路隧道設計領域普遍采用了新奧法作為基本原理，結合工程經驗與現場實際情況進行類比，充分考慮破損段的安全系數，最終得出結構驗算結果，然后采用建模的方式模擬隧道的施工過程，運用有限元進行結構設計方面的分析和變形情況預測，建設過程中采用實際數據適時監控，分析安全系數和修正設計，采取施工措施保證工程順利進行。多年的實踐成果表明，和過去傳統的方法相比，現行理論體系具備快速、便捷、安全、行之有效等優勢，為我國交通基礎設施的快速發展做出了重要的貢獻，但仍然存在一些問題，主要集中在以下幾個方面。

1.1 襯砌支護參數差別

新奧法提出把圍巖與支護系統看作相互作用的一個整體，既發揮圍巖的自承能力，又使支護起到加固圍巖的作用的理論。在隧道的襯砌支護設計結構的分類主要參考工程類比，和隧道上的圍巖分級有密切聯系，對于不同的圍巖，會采用不同的支護系數，結合實際地質水文條件進行精確的驗算。但目前由于行業規范性有限，同一跨度的襯砌支護參數存在著不小的差異。這種差異出現的原因有很多方面。首先是受到設計單位總體技術水平參差不齊的影響，加上設計者的個人局限，導致對于圍巖穩定性和支護作用的認識存在偏差。其次是地層巖石組成復雜繁瑣，在不同的風化環境下，同種演示的物理受力參數也會存在差距，所以圍巖的分級職能是定性為主，想要真正量化難度很大。最后則是隧道工程的地質勘察技術常會因為施工地點的特殊性受到局限，實際的地質情況在徹底挖開之前不能很好斷定，因此也給量化提升了難度，使得隧道的結構設計難度增加。總的來講，襯砌支護參數設計相差大和圍巖級別圍巖穩定性差異難以量化體現是設計方面存在的主要缺陷之一。

1.2 軟弱圍巖的施工問題

對于傳統的新奧法而言，在施工問題上得不到重大突破的主要原因是不能解決軟弱圍巖快速施工和機械化兩方面的問題。在施工過程中，軟弱圍巖的隧道主要用橫縱切割和縱向臺階進行斷面。在臺階法施工的過程中，雖然技術手段已經相對比較成熟，也是目前主流的施工方法，但施工單位對于工序繁瑣、工期時間長、且大型機械不易參與的CD或者CRD法施工并不樂意采用，因此在一定程度上增加了事故的風險率。

1.3 支護結構耐久性方面的問題

《公路隧道設計規范》已對設計年限和使用耐久度做了規定，但是在實際設計施工過程中，襯砌結構如何進行耐久度方面的考量仍然是值得探討和解決的問題。隧道的設計荷載很復雜，除了地質構造、巖性等因素外，地下水對圍巖的穩定有重要影響。據對東南沿海地區混凝土隧道的破損程度、病害部位、主要病害進行了統計分析。早期的隧道普遍存在耐久性老化的現象，77%的隧道主要病害是滲漏水。按照傳統的負荷式襯砌設計方式，首先應該保證支護的耐久性，這樣才能使得隧道長期在安全的狀態下運營。從目前公路隧道發展趨勢來看，考慮到初期的耐久性，如果按照傳統形式進行施工，就意味著初期支護要采用新材料和更加嚴苛的施工工藝，包括一切機械和配套設施，會大大增加工程成本，將工程推到成本和質量兩難的境地中。

1.4 隧道襯砌結構的加固使用壽命問題

普通隧道在建成運營三到五年之后會出現不同程度裂縫和漏水現象。綜合外部的荷載作用、材料退化程度和滲漏程度三個方面的情況，可以將隧道襯砌結構進行定性分級。在比較權威的專家眼中，隧道病害分級主要包括裂縫分級、滲漏分級、剝落分級、襯砌材料劣化分級、形變下沉分級以及凍害分級等。針對這些病害，分級方式往往是定性的，沒有給出隧道病害分析或者隧道結構性能的辯證關系，無法確定定量，與此同時，對于一項工程而言，病害往往是多重并發的，具有一定的復雜性，因此對到結構的加固設計只能根據經驗設計為主，對加固后的使用壽命不能進行明確的判斷，僅僅單一的從材料加固的耐久性上體現，或各分局長期的觀察和檢測跟蹤加固效果給予補償。

2 針對涉及問題的應對措施

光面爆破、錨噴支護、監控量測是新奧法的三大要素。隧道現場監控量測是新奧法原理進行隧道設計和施工必不可少的手段。在施工中，應按設計要求加強量測，及時反饋，以便修正設計，指導施工。首先應該在部分關鍵工序上加大技術投入力度，進一步提升機械化程度。在部分關鍵的工序上應該盡快摘掉原始落后的帽子用鉆孔車取代人工風槍，這樣可以使得操作更加靈活，投入也相對比較理想。建議進行一次性投入大、周轉存放不方便的大型鉆孔機不能在短時間內得到推廣的情況下，推動簡易臺車的發展進程，靈活的鉆孔機在周邊爆破方面能夠有效彌補人力的缺陷，提升施工質量。其次在洞身開挖方面，應嚴格控制炮眼的深度、角度、間距以及用藥量，并根據圍巖情況及時修正鉆爆參數，盡可能減少對圍巖的擾動。要求開挖輪廓線成形規則，確保光面爆破質量。在選擇合理的開挖方法時，既要根據不同的圍巖級型，又要考慮初期支護的及時成環封閉。另外對軟弱巖層還要及時的做好施工的二次襯砌。在設計方面，主要的對策有編制公路和隧道的標準圖紙，必要時編制通用圖紙，嚴格按照標準化設計進行。進一步研究好圍巖穩定性與各客觀因素方面的定量關系，捋順支護措施在圍巖穩定性中的比重，將施工設計信息化。推廣新工藝，實現弱圍巖的快速施工和機械化作業。采用強二襯的思路進行復合式襯砌結構的耐久性設計，研究好病害對于加固前后安全性的量化評估影響，掌握總結得到的方法。落實到實際操作中，要主抓分步工程在使用年限內的耐久性，噴混凝土、系統錨桿、鋼架都要符合相應的要求，混凝土優先選用抗滲性能優良的耐腐蝕混凝土，錨桿也要具備耐腐蝕的性能。全長黏結型系統錨桿的錨固劑要選用耐腐蝕的砂漿或者樹脂，鋼架在施工過程中要注意對其保護層厚度的控制。

3 結束語

本文針對我國在公路隧道領域設計上的缺陷進行了思考和重點分析，根據近年來經驗的總結從施工和設計兩個方面對存在的問題提出了初步的應對措施。在此拋磚引玉，只有更多的研究和實踐，才能逐漸改變設計和施工中存在的問題，使得公路隧道行業向著正確的方向蓬勃發展。

[1]中華人民共和國行業標準，JTG D70-2004 公路隧道設計規范[S]. 北京：人民交通出版社，2004.

[2]李偉平. 公路隧道穿越軟弱圍巖的變形與控制方法[J]. 現代隧道技術，2011.