对隧道工程设计和施工的几点见解

王会勤

【摘要】隧道设计的最大特点就是——不确定，其根源就是对围岩判断的不确定以及由围岩产生的荷载的不确定，这就客观上造成隧道无法按设计施工的重要因素，这在实践中表现为以下几点。

【关键词】隧道工程 设计 施工

1.对围岩级别的判断误差较大

隧道设计是以围岩级别为基础的，一种围岩对应一种设计，尽管设计图有围岩分级的纵剖面以及相应的断面衬砌，但是，由于对地质勘测受到限制，所以，对围岩级别的划分存在比较大的误差，所以，强调地质超前预报，施工中要不断对原设计进行修正，本来这个工作应由设计单位完成，但是由于国家建设管理体制的影响，形成了由施工单位为主体的管理模式，由于施工单位地质技术力量相对薄弱，对围岩级别的判斷能力极其有限，这就造成了没能按设计施工的一大根源。

2.施工工艺对荷载的影响

“新奥法”设计是建立在保护围岩的基础之上的，如果施工过程中不注意保护围岩，围岩级别就会由低向高变化，如仍然按原设计结构施作，结构就不能满足使用功能，主要表现为：

①如Ⅲ级围岩塌方后就应该按Ⅴ级围岩施工；

②原设计暗洞结构，改为明挖后就得变更原设计结构，

③明挖段增长，如果埋深也增大，则须加大衬砌厚度；

上述情况与桥梁、房建等行业有本质的区别。有许多桥梁、房建专业的技术人员从事隧道施工，头脑中没有围岩级别划分的概念，机械照搬设计图纸，给工程留下巨大质量、安全隐患。

3.对“新奥法”的误解造成对隧道认识的多样性

一般情况，设计单位只负责结构的设计，保证结构的使用功能，对于隧道而言，主要目标是二次衬砌；我国隧道业有一个从“矿山法”到“新奥法”的发展过程，转折点是上世纪八十年代，据今时间很短，所以，如今的隧道业处在“矿山法”和“新奥法”两种方法交替之间，在施工实践的表现就是两种思想混杂，其中表现在对结构的理解上，设计单位按“矿山法”设计，就只设计衬砌，施工措施如支护由施工单位来定，所以支护称为“临时支护”，包括木支撑、钢支撑以及喷锚支护；而“新奥法”设计的支护结构为复合式，所以就有“初期支护”和“二次衬砌”的说法，“初期支护”不是“临时支护”，是结构的重要组成，在这一点上，受传统“矿山法”影响的范围很广，很多人，甚至包括高级领导、质检单位等仍然将喷锚支护当作临时支护，不注意质量，为工程留下隐患。

喷锚支护既是施工辅助措施又是结构的重要组成，作为施工措施，设计单位不愿过多关注，而作为结构组成，则必须明确设计标准。在当今社会技术水平下，喷锚支护的质量与施工者的技术、经验、设备、工艺等有很大关系，目前国家还没有一个通用的隧道工法，设计单位很难针对某一具体施工单位来开展设计，所以，有关这方面的设计的性质就是设计原则，这就产生了又一个不确定因素。重点表现在超前支护以及锚杆的实施。

3.1超前支护是保护围岩的一项重要措施，设计单位一般设计为间距300～400mm的超前小导管，其理念是通过插入围岩中的超前小导管向围岩注入水泥浆以固结围岩，以实现控制围岩应力释放的目标，要达到这个要求，必须做到：导管孔口以及临空面有封堵措施，以保证注浆有一定的压力方有可能实现渗透、固结的目的，但是在实践应用中，如果施作封堵、拆除封堵，隧道进度将受到严重制约，这似乎表明设计不合理，其实未必，因为目前的设备与材料及工艺也是制约因素之一，争论没有任何意义，重要的是作为隧道工程师要理解设计的本来目的，要达到超前预支护的目的未必靠注浆，有的设计将超前小导管改为超前钢插管，这就符合当前的施工技术水平，但是，作为隧道技术工作者要清楚，这种设计未必较超前小导管更先进、更合理，只能讲这项技术符合当前的生产技术水平。上述讲明超前预支护的本来面目，作为现场的隧道工程师要在理解设计意图的基础上实施超前预支护，如果插入超前小导管后，注浆随便应付一下，就认为是严格按设计施工了，尤其是在塌方后，还坚持是按设计施工，就十分错误了。

3.2锚喷支护是“新奥法”三大支柱之一，其中的“锚”主要指系统锚杆，这个行业对于系统锚杆有两种不同的观点，即系统锚杆由于以及系统锚杆无用，在当前，系统锚杆无用论的影响很广，这与矿山法的影响有很大关系，但归根到底是没有理解“新奥法”的基本原理，“新奥法”定义为：

围岩是主要承载结构，支护是激发围岩承载能力的手段，激发围岩承载环的条件就是对围岩松动圈施加“侧限”，如何提供有效的侧限，与围岩稳定性和开挖方法有关：如果可以全断面开挖、支护一次闭合成环且其强度足够，则不需要系统锚杆，典型的实例就是“盾构法”施工；如果不能实现全断面开挖，支护分部实施，如果能在围岩应力有效控制之内将支护闭合成环，则亦可不必施作系统锚杆。但是，以上工法均要求钢架加工必须严格圆形、节点必须吻合（即要求支护结构受力后偏心满足强度要求），否则仅靠钢架就无法提供有效的侧限，事实上只有全断面开挖有这个条件，分部开挖由于安装以及围岩变形影响，钢架根本无法作到圆顺、节点亦无法作到吻合，所以，在现阶段社会生产水平条件下，系统锚杆必须认真施作。

4.隧洞衬砌和监测措施

4.1隧道衬砌

4.1.1复合式衬砌设计应综合考虑包括围岩在内的支护结构、断面形状、开挖方法、施工顺序和断面闭合时间等因素，力求充分发挥围岩的自承能力。

4.1.2复合式衬砌的初期支护，宜采用喷锚支护，其基层平整度应符合D/L≤1/6（D为初期支护基层相邻两凸面凹进去的深度；L为基层两凸面的距离）；二次衬砌宜采用模筑混凝土，二次衬砌宜为等厚截面，连接圆顺。

4.1.3各级围岩在确定开挖断面时，除应满足隧道建筑限界要求外，还应预留适当的围岩变形量，其量值可根据围岩级别、隧道宽度、埋置深度、施工方法和支护情况等条件，采用工程类比法确定。

4.1.4超前支护

超前支护的性质完全是施工措施，所以，不必拘泥于原设计图，施工中应根据围岩、进尺、施工工艺等因素不断调整间距、材质、长度等。

4.2围岩监测

4.2.1.监测项目

监测项目分为必测项目和选测项目，满足施工需要的是必测项目，包括：

（1）洞内、外观察

洞内观察围岩吊块规模、频率，节理、裂隙发展变化以及喷射混凝土开裂情况，其中特别注意纵向裂缝和斜交裂缝，除了眼观之外，应配合仪器测量，裂缝只有发展状态的才是不安全的；

（2）拱顶下沉

拱顶下沉量由两部分组成：一是拱部支护整体下沉，而是拱部局部变形下沉，要区分两种数据，须结合拱脚的量测结果；

（3）净空变化

对净空变化的量测，传统只测水平位移，这主要受到接触式量测仪器的限制，不能全面、真实地反映实际围岩变化，全站仪测量具备测量水平以及竖向位移的条件，结合拱顶下称，可区分局部变形和整体下沉两种情况；

（4）地表沉降

地表下沉监测项目在浅埋地段以及由于隧道施工造成地下水位变化而可能引发的地面建筑物沉降地段开展，在山岭，若地面没有建筑物，则以洞内监测为主。

（5）实践证明，对于Ⅳ～Ⅵ级围岩，其90%以上的变形发生在1B（B为隧道开挖宽度），对于单线隧道，开挖宽度约为7m，对于双线隧道开挖宽度约为14m，所以，按照5～10m的间距布置断面，就有可能在某1B范围无测点，所以，实际实施应按照隧道进尺来确定，危险地段，每一循环必须布置测点；一般情况按照进尺的2～3倍布置测点。