公路隧道设计与施工的现状问题探讨及展望

欧阳娜

(江西省公路科研设计院，江西 南昌 330002)

0 引 言

近20年，我国公路建设迅猛发展，隧道建设不论是总长度还是规模不断刷新世界纪录，不论是科研、设计还是施工的技术瓶颈已经被不断突破。在隧道规模上，特长大断面隧道建设技术也被解决，比如秦岭终南山隧道、锦屏山隧道等，将公路隧道的建设水平推向世界先进的行列，复杂地质条件下(岩溶、地裂缝、瓦斯、高地应力等)、非标隧道(小净距、连供、大跨度、傍山棚洞等)、高寒区隧道(大力加山隧道)等非常规隧道的建设，在多年的工程实践中积累了大量的经验，大量的新技术、新工艺、新理念的被提出和应用。然而，在公路隧道设计和施工中，依然存在一些问题，需要在后期的工程实践和科研中继续完善发展，笔者结合自身的工程实践，提出设计和施工方面存在的一些问题，并提出相应的对策，以供探讨。

1 设计问题及对策

1.1 隧道初期支护耐久性设计

隧道耐久性设计与隧道衬砌设计方案息息相关，耐久性设计应根据不同的设计方法进行针对性设计，目前常用的设计方法有三种：

(1)初支作为主要的受力结构，承担荷载，二衬作为安全储备，满足构造要求即可；(2)初支与二衬根据一定的比例分担荷载；(3)初支承担施工阶段全部荷载，二衬承担运营阶段的荷载。

第(1)和(2)种方法，是目前规范中规定的设计方法，第(1)中设计方法适用于围岩等级较高的区段，即Ⅰ～Ⅲ级，对于Ⅳ、Ⅴ级等较差围岩则采用第(2)种方法，对于第(3)种方法，则是基于结构的耐久性设计，即初支不能满足耐久性要求的前提下采用。第(1)和(3)种方法荷载分布和受力体系较为明确，初支和二衬单独承担全部荷载，而对于第(2)种设计方法，隧道的荷载是由初支和二衬按照一定的分配比例共同承担，但是对于初支和二衬的荷载分担比例，规范中并没有明确的规定，在实际的工程计算中，也没有统一的标准，具有较大的主观性。但在大多数情况下，Ⅴ级围岩初支与二衬的荷载分担比为3∶7，对于Ⅳ级围岩，分担比为4∶6。对于分担比重，在一些设计院也与隧道的跨度有关，显然，具备较大的主观性。

对于隧道的耐久性设计，可以通过以下几种方法实现：

(1)如果按照传统复合式衬砌设计计算方法，若要使隧道在设计年限内满足耐久性的要求，需要确保喷混、钢架、锚杆等部件的耐久性满足要求，这意味着，初支构件均需要考虑耐腐蚀，建设的成本将大幅提高，而且施工的质量控制难度也增大。

(2)在初支承担荷载比重以及初支材料不变的条件下，提高二衬的承载比重，把二衬作为耐久性设计的关键，即增大二衬承载比以弥补初支耐久性的损失。对于Ⅴ级围岩将二衬的荷载分提高至70%～80%，对于Ⅳ级围岩提高至40%～50%。

(3)初支二衬荷载承担比例不变，二衬按照耐久性混凝土结构考虑，对于初支，提高钢架的耐久性设计，即通过加密钢架间距，采用耐腐蚀性的格栅钢架，格栅钢架可与喷射混凝土紧密结合，在初支系统中，钢架和喷混的施工质量相比于锚杆更容易控制。

(4)初支作为临时构件承担施工阶段全部荷载，并作为运营阶段的安全储备，二衬承担运营阶段的荷载及耐久性，这种设计方法在水下隧道较为适宜，在普通山岭隧道中造价偏高，经济性差。

以上四种设计思路，需要根据具体情况进行确定，但是对于常规的山岭隧道，第二种设计方法较为可靠。

1.2 衬砌设计

目前隧道多采用复合式衬砌，根据不同的围岩等级，规范给出参考的支护设计参数，但是对于锚杆直径与类型、型钢型号等并没有明确的规定，在设计人员应用时差异较大。比如，现行规范中对Ⅴ级围岩两车道隧道，规范中给出钢架的厚度14～22 cm，若采用型钢，则型号的范围为I14～I22，对于不同类型的锚杆使用情况认识不清楚，且设计与施工现场脱节，虽采用中空注浆锚杆，但是由于注浆不满足要求，其加固效果远不如砂浆锚杆，对于隧道的注浆材料，比如初支背后注浆、二衬背后注浆、超前加固注浆等也不能根据地质和使用情况进行合理选择。

造成这一现象的主要原因有以下几种：设计院和设计师设计水平和设计经验受限，对围岩性质、设计方法存在理解上的偏差；受限制于勘察，当前的勘察技术并不能在施工前做到完全准确的量化，以定性判别为主，定量为辅，而且地质条件复杂多变，往往需要进行动态设计，隧道的设计取决于岩土勘察和结构计算两个方面，具有岩土与结构的双重特性。

基于此，建议各地区相关部门联合设计和科研单位，在结合地区地质、水文特点，总结地区隧道建设经验的基础上，对现行规范进行细化，制定隧道衬砌设计参数区域化的地方性规范，此外，还应完善动态设计制度，即建立具备时效性、高效性、准确性的评审机制，实行信息化施工，此外，设计和施工的利益脱节，各方在优化设计缺乏节约成本的动力。

1.3 初支格栅与钢架

在公路隧道的初支系统中，钢架材料多为型钢，较少采用格栅钢架，即便在设计中采用格栅钢架，但施工单位多数情况下会要求变更为型钢，型钢钢架加工简便，安装速度快。型钢可以快速建立支护体系，但是与喷射混凝土结合性差，在耐久性方面，逊于格栅钢架。因此，从耐久性设计的角度考虑，建议使用格栅钢架。

2 施工问题与应对措施

2.1 设计与施工脱节

公路隧道隧址往往位于远离市区的山区，与设计院距离较远，对于多数设计院，通常派遣应届生作为设计代表，导致在隧道建设过程中，遇到的设计问题很难及时解决；动态设计缺乏时效性和高效性，即便施工单位提出变更的申请，由于涉及各方，很难快速解决，在此过程中，施工停滞，影响工期。另一方面，隧道设计与施工脱节，对于设计不合理的地方不能及时沟通，另外由于部分项目的单价不合理，存在偷工减料的情况。

2.2 施工机械化程度低

公路隧道的施工方法一钻爆法为主，对于全断面隧道或者对掘进速度有较高要求的情况下可采用掘进机施工.钻爆法相对于掘进机施工，其投资较小、适应性更强、施工工艺简单等特点，广泛用于公路隧道的施工。由于劳动力充足，钻爆法多以人工钻爆为主，即人工通过手持气动岩凿机钻孔，人工架设钢架，但是采用人工进行钻爆作业，施工环境恶劣，劳动强度高，而且隧道施工，风险较高，如果处理不当，易出现塌方，造成人员的重大伤亡；另一方面，隧道施工的一线作业人员，日趋老龄化，经过多年的发展，人工钻爆的施工效率已经接近极限，已经没有提升的空间，而且人力成本不断升高，采用人工钻爆法施工，不论是经济还是社会效益的优势不再显著。

近年来，工程机械装备的设计和制造水平大幅提升，隧道施工机械的自动化水平，专业性适用性也得到很大的提升，液压式岩凿机、立拱台车被研发用于隧道掘进施工。液压岩凿机的应用，提高了钻孔的效率(φ50炮孔，每分钟钻进2 m)、施工的安全性也得到提升，隧道施工环境也得到改善。但是目前，此类机械多以进口为主，价格昂贵，适用性不强，因此应立足国产化，自主研发液压岩凿机及其配套设备，以适应我国复杂的地质环境，提高钻爆法的施工效率。

3 结 论

本文就隧道设计与施工方面的一些问题展开讨论，主要结论如下：

(1)隧道设计需要注重耐久性设计，本文建议通过提高二衬承担荷载的比重，以弥补常规初支条件下耐久性的损失，并对初支的设计参数制定相应的标准或者图集，以规范设计，并且建议有条件情况下优先选用格栅钢架；

(2)施工与设计的不完全匹配是隧道病害出现的主要原因，设计时应结合施工现场的实际，减少不合理设计的出现，目前还应加大研发国产化自动化的隧道施工机械。