公路隧道設計與施工的現狀問題探討及展望

歐陽娜

(江西省公路科研設計院，江西 南昌 330002)

0 引 言

近20年，我國公路建設迅猛發展，隧道建設不論是總長度還是規模不斷刷新世界紀錄，不論是科研、設計還是施工的技術瓶頸已經被不斷突破。在隧道規模上，特長大斷面隧道建設技術也被解決，比如秦嶺終南山隧道、錦屏山隧道等，將公路隧道的建設水平推向世界先進的行列，復雜地質條件下(巖溶、地裂縫、瓦斯、高地應力等)、非標隧道(小凈距、連供、大跨度、傍山棚洞等)、高寒區隧道(大力加山隧道)等非常規隧道的建設，在多年的工程實踐中積累了大量的經驗，大量的新技術、新工藝、新理念的被提出和應用。然而，在公路隧道設計和施工中，依然存在一些問題，需要在后期的工程實踐和科研中繼續完善發展，筆者結合自身的工程實踐，提出設計和施工方面存在的一些問題，并提出相應的對策，以供探討。

1 設計問題及對策

1.1 隧道初期支護耐久性設計

隧道耐久性設計與隧道襯砌設計方案息息相關，耐久性設計應根據不同的設計方法進行針對性設計，目前常用的設計方法有三種：

(1)初支作為主要的受力結構，承擔荷載，二襯作為安全儲備，滿足構造要求即可；(2)初支與二襯根據一定的比例分擔荷載；(3)初支承擔施工階段全部荷載，二襯承擔運營階段的荷載。

第(1)和(2)種方法，是目前規范中規定的設計方法，第(1)中設計方法適用于圍巖等級較高的區段，即Ⅰ～Ⅲ級，對于Ⅳ、Ⅴ級等較差圍巖則采用第(2)種方法，對于第(3)種方法，則是基于結構的耐久性設計，即初支不能滿足耐久性要求的前提下采用。第(1)和(3)種方法荷載分布和受力體系較為明確，初支和二襯單獨承擔全部荷載，而對于第(2)種設計方法，隧道的荷載是由初支和二襯按照一定的分配比例共同承擔，但是對于初支和二襯的荷載分擔比例，規范中并沒有明確的規定，在實際的工程計算中，也沒有統一的標準，具有較大的主觀性。但在大多數情況下，Ⅴ級圍巖初支與二襯的荷載分擔比為3∶7，對于Ⅳ級圍巖，分擔比為4∶6。對于分擔比重，在一些設計院也與隧道的跨度有關，顯然，具備較大的主觀性。

對于隧道的耐久性設計，可以通過以下幾種方法實現：

(1)如果按照傳統復合式襯砌設計計算方法，若要使隧道在設計年限內滿足耐久性的要求，需要確保噴混、鋼架、錨桿等部件的耐久性滿足要求，這意味著，初支構件均需要考慮耐腐蝕，建設的成本將大幅提高，而且施工的質量控制難度也增大。

(2)在初支承擔荷載比重以及初支材料不變的條件下，提高二襯的承載比重，把二襯作為耐久性設計的關鍵，即增大二襯承載比以彌補初支耐久性的損失。對于Ⅴ級圍巖將二襯的荷載分提高至70%～80%，對于Ⅳ級圍巖提高至40%～50%。

(3)初支二襯荷載承擔比例不變，二襯按照耐久性混凝土結構考慮，對于初支，提高鋼架的耐久性設計，即通過加密鋼架間距，采用耐腐蝕性的格柵鋼架，格柵鋼架可與噴射混凝土緊密結合，在初支系統中，鋼架和噴混的施工質量相比于錨桿更容易控制。

(4)初支作為臨時構件承擔施工階段全部荷載，并作為運營階段的安全儲備，二襯承擔運營階段的荷載及耐久性，這種設計方法在水下隧道較為適宜，在普通山嶺隧道中造價偏高，經濟性差。

以上四種設計思路，需要根據具體情況進行確定，但是對于常規的山嶺隧道，第二種設計方法較為可靠。

1.2 襯砌設計

目前隧道多采用復合式襯砌，根據不同的圍巖等級，規范給出參考的支護設計參數，但是對于錨桿直徑與類型、型鋼型號等并沒有明確的規定，在設計人員應用時差異較大。比如，現行規范中對Ⅴ級圍巖兩車道隧道，規范中給出鋼架的厚度14～22 cm，若采用型鋼，則型號的范圍為I14～I22，對于不同類型的錨桿使用情況認識不清楚，且設計與施工現場脫節，雖采用中空注漿錨桿，但是由于注漿不滿足要求，其加固效果遠不如砂漿錨桿，對于隧道的注漿材料，比如初支背后注漿、二襯背后注漿、超前加固注漿等也不能根據地質和使用情況進行合理選擇。

造成這一現象的主要原因有以下幾種：設計院和設計師設計水平和設計經驗受限，對圍巖性質、設計方法存在理解上的偏差；受限制于勘察，當前的勘察技術并不能在施工前做到完全準確的量化，以定性判別為主，定量為輔，而且地質條件復雜多變，往往需要進行動態設計，隧道的設計取決于巖土勘察和結構計算兩個方面，具有巖土與結構的雙重特性。

基于此，建議各地區相關部門聯合設計和科研單位，在結合地區地質、水文特點，總結地區隧道建設經驗的基礎上，對現行規范進行細化，制定隧道襯砌設計參數區域化的地方性規范，此外，還應完善動態設計制度，即建立具備時效性、高效性、準確性的評審機制，實行信息化施工，此外，設計和施工的利益脫節，各方在優化設計缺乏節約成本的動力。

1.3 初支格柵與鋼架

在公路隧道的初支系統中，鋼架材料多為型鋼，較少采用格柵鋼架，即便在設計中采用格柵鋼架，但施工單位多數情況下會要求變更為型鋼，型鋼鋼架加工簡便，安裝速度快。型鋼可以快速建立支護體系，但是與噴射混凝土結合性差，在耐久性方面，遜于格柵鋼架。因此，從耐久性設計的角度考慮，建議使用格柵鋼架。

2 施工問題與應對措施

2.1 設計與施工脫節

公路隧道隧址往往位于遠離市區的山區，與設計院距離較遠，對于多數設計院，通常派遣應屆生作為設計代表，導致在隧道建設過程中，遇到的設計問題很難及時解決；動態設計缺乏時效性和高效性，即便施工單位提出變更的申請，由于涉及各方，很難快速解決，在此過程中，施工停滯，影響工期。另一方面，隧道設計與施工脫節，對于設計不合理的地方不能及時溝通，另外由于部分項目的單價不合理，存在偷工減料的情況。

2.2 施工機械化程度低

公路隧道的施工方法一鉆爆法為主，對于全斷面隧道或者對掘進速度有較高要求的情況下可采用掘進機施工.鉆爆法相對于掘進機施工，其投資較小、適應性更強、施工工藝簡單等特點，廣泛用于公路隧道的施工。由于勞動力充足，鉆爆法多以人工鉆爆為主，即人工通過手持氣動巖鑿機鉆孔，人工架設鋼架，但是采用人工進行鉆爆作業，施工環境惡劣，勞動強度高，而且隧道施工，風險較高，如果處理不當，易出現塌方，造成人員的重大傷亡；另一方面，隧道施工的一線作業人員，日趨老齡化，經過多年的發展，人工鉆爆的施工效率已經接近極限，已經沒有提升的空間，而且人力成本不斷升高，采用人工鉆爆法施工，不論是經濟還是社會效益的優勢不再顯著。

近年來，工程機械裝備的設計和制造水平大幅提升，隧道施工機械的自動化水平，專業性適用性也得到很大的提升，液壓式巖鑿機、立拱臺車被研發用于隧道掘進施工。液壓巖鑿機的應用，提高了鉆孔的效率(φ50炮孔，每分鐘鉆進2 m)、施工的安全性也得到提升，隧道施工環境也得到改善。但是目前，此類機械多以進口為主，價格昂貴，適用性不強，因此應立足國產化，自主研發液壓巖鑿機及其配套設備，以適應我國復雜的地質環境，提高鉆爆法的施工效率。

3 結 論

本文就隧道設計與施工方面的一些問題展開討論，主要結論如下：

(1)隧道設計需要注重耐久性設計，本文建議通過提高二襯承擔荷載的比重，以彌補常規初支條件下耐久性的損失，并對初支的設計參數制定相應的標準或者圖集，以規范設計，并且建議有條件情況下優先選用格柵鋼架；

(2)施工與設計的不完全匹配是隧道病害出現的主要原因，設計時應結合施工現場的實際，減少不合理設計的出現，目前還應加大研發國產化自動化的隧道施工機械。