大斷面公路隧道的過(guò)程設(shè)計(jì)方法研究

李東明

摘 要：通過(guò)某隧道的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，提出大斷面公路隧道的過(guò)程設(shè)計(jì)方法，并建立應(yīng)用模型。過(guò)程設(shè)計(jì)方法以荷載--結(jié)構(gòu)法為基礎(chǔ)，并以極限拉應(yīng)變值來(lái)確定圍巖松動(dòng)區(qū)范圍。與傳統(tǒng)的公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范、普氏理論等方法相比，設(shè)計(jì)荷載中重點(diǎn)考慮施工過(guò)程的影響，從而在保證隧道安全性的同時(shí)優(yōu)化偏于保守的支護(hù)參數(shù)。通過(guò)雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖方法和單側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖方法這兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例表明：過(guò)程設(shè)計(jì)方法比狀態(tài)設(shè)計(jì)方法更為可靠和實(shí)用，更符合大斷面隧道的實(shí)際情況。研究結(jié)果將有助于為大斷面公路隧道尋求更為有效、合理的設(shè)計(jì)方法，提高大斷面隧道的設(shè)計(jì)水平。

關(guān)鍵詞：公路工程；大斷面公路隧道；過(guò)程設(shè)計(jì)方法；隧道荷載

1 引言

隧道圍巖松動(dòng)荷載的主要計(jì)算方法包括：基于圍巖分級(jí)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法，如 Barton 公式；基于室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（監(jiān)測(cè)）的經(jīng)驗(yàn)方法，如泰沙基公式、普式壓力拱；基于圍巖與支護(hù)系統(tǒng)相互作用的理論解析方法，如收斂-約束法；基于數(shù)值模擬的計(jì)算方法。中國(guó)公路隧道設(shè)計(jì)主要采用公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（沿用鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范），由大量實(shí)際工程總結(jié)出來(lái)的塌方公式作為松動(dòng)荷載。該設(shè)計(jì)理

論的適用范圍主要為 3 車道以下的小跨度隧道，對(duì)于 4 車道以上的大斷面公路隧道并不完全適用。例如，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中只給出了大斷面隧道松動(dòng)荷載的建議公式，對(duì)于具體設(shè)計(jì)則缺乏依據(jù)。本文統(tǒng)計(jì)了幾條早期單洞 4 車道公路隧道較差圍巖條件下的初襯和二襯厚度。早期大斷面公路隧道主要采用公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，襯砌厚度較大，隨著設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累，支護(hù)參數(shù)逐漸優(yōu)化，例如洞口淺埋段二襯厚度由 80 cm 逐步漸變?yōu)?65 cm，顯然人們意識(shí)到最初的大斷面隧道設(shè)計(jì)方案是不夠合理的。

2 基本施工方法

從目前的施工技術(shù)水平來(lái)看，適合于大斷面隧道的開(kāi)挖方法主要有：

（1）上半斷面臺(tái)階法（短臺(tái)階法、上半斷面臨時(shí)封閉臺(tái)階法）

（2）中隔壁法（CD法、CRD法）

（3）雙側(cè)導(dǎo)坑開(kāi)挖法（雙側(cè)導(dǎo)坑超前開(kāi)挖法、眼鏡法）等三類六種基本施工方法。①上半斷面臺(tái)階法可采用可靠性強(qiáng)的超前支護(hù)以確保掌子面穩(wěn)定。雖然超前支護(hù)作為支護(hù)構(gòu)件的效果不十分清楚，但從改善開(kāi)挖前地層的角度來(lái)看，可在一定程度上控制拱頂范圍的松弛。如果在超前支護(hù)、輔助工法的效果不明顯或不經(jīng)濟(jì)時(shí)可改為CD法施工。同時(shí)因其開(kāi)挖空間大，適合大型機(jī)械快速施工。施工條件有利于作業(yè)，可以說(shuō)該方法在超前支護(hù)、輔助工法的配合下，能適應(yīng)各類圍巖條件下的施工并能形成有效的支護(hù)體系，適應(yīng)性強(qiáng)。②中隔壁法因縱向分割斷面，能確保掌子面的穩(wěn)定性，其開(kāi)挖斷面較大，若支護(hù)及時(shí)，可防止隧道周邊的松弛范圍的擴(kuò)大。在CD法和CRD法的施工過(guò)程中，拆除中壁作業(yè)復(fù)雜，施工條件相對(duì)較差，不宜采用大型機(jī)械快速施工。這種方法屬于大斷面分割施工，在大型電站和城市地下工程中應(yīng)用廣泛，在埋深小的情況下，能控制地表沉降，施工安全，在地質(zhì)不良地段也可以使用。③雙側(cè)壁導(dǎo)坑法又稱眼鏡工法，該方法因分割斷面細(xì)，能確保掌子面的穩(wěn)定和有效控制隧道周邊的松弛范圍。超前的導(dǎo)坑能探明前方的地質(zhì)情況，遇到不良地質(zhì)時(shí)可在開(kāi)挖前采取預(yù)防措施，但當(dāng)?shù)刭|(zhì)變好時(shí)改變工法困難。另外因開(kāi)挖斷面小，大型機(jī)械適用受限，施工條件差。該方法多用于城市地下工程，對(duì)地表沉降要求嚴(yán)格的工程以及不良地質(zhì)地段。施工中與上半斷面臺(tái)階法、中壁法互換困難，隧道全長(zhǎng)均采用同一方法，開(kāi)挖效率低。

3 過(guò)程設(shè)計(jì)方法

過(guò)程設(shè)計(jì)方法的基本思想為：根據(jù)施工開(kāi)挖步驟，將隧道斷面分成幾個(gè)單獨(dú)的小洞室；基于一定規(guī)則簡(jiǎn)化各個(gè)小跨度洞室，得到各自的幾何參數(shù)，并分別求得各小洞室的松動(dòng)壓力；最后在各小洞室的基礎(chǔ)上，通過(guò)規(guī)律組合得到總設(shè)計(jì)荷載并進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)。過(guò)程設(shè)計(jì)方法體現(xiàn)了系統(tǒng)科學(xué)內(nèi)容，即將隧道作為一個(gè)整體，其開(kāi)挖步驟視為整體中的要素；在按照基本假設(shè)和抽象的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)要素進(jìn)行分析和研究，并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道整體的研究，從而得到隧道整體的力學(xué)特征和荷載模式。它體現(xiàn)了系統(tǒng)科學(xué)中的由總到分，再由分到總的設(shè)計(jì)原則。過(guò)程設(shè)計(jì)方法重點(diǎn)考慮了隧道施工過(guò)程的影響，更加符合實(shí)際情況。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控試驗(yàn)

過(guò)程設(shè)計(jì)方法的核心問(wèn)題是要尋找隨開(kāi)挖過(guò)程的松動(dòng)區(qū)范圍發(fā)展規(guī)律。本文通過(guò)某隧道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)分析施工過(guò)程中動(dòng)態(tài)松動(dòng)區(qū)范圍的發(fā)展規(guī)律。該隧道在 K5+870 斷面埋入3套地表預(yù)埋式多點(diǎn)位移計(jì)，其中第 2、3 套數(shù)據(jù)有效。該斷面圍巖主要為全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，是 V 級(jí)圍巖向 IV 級(jí)圍巖的過(guò)渡段。隧道開(kāi)挖工序依次為：（1） 左導(dǎo)洞上臺(tái)階開(kāi)挖，（2） 右導(dǎo)洞上臺(tái)階開(kāi)挖，（3） 右導(dǎo)洞下臺(tái)階開(kāi)挖，（4） 左導(dǎo)洞下臺(tái)階開(kāi)挖，（5） 核心土上臺(tái)階開(kāi)挖，（6） 核心土下臺(tái)階開(kāi)挖。

5 過(guò)程設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用建議

過(guò)程設(shè)計(jì)方法是針對(duì)大斷面隧道提出的，在應(yīng)用過(guò)程設(shè)計(jì)方法計(jì)算松動(dòng)荷載時(shí)，要注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）過(guò)程設(shè)計(jì)方法適用于求解圍巖條件較差，能夠產(chǎn)生松動(dòng)壓力或松動(dòng)荷載的情況。

（2） 采用過(guò)程設(shè)計(jì)方法計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意對(duì)開(kāi)挖方法進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和抽象。

（3） 過(guò)程設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用中引入了影響系數(shù)η ，它是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，由專家或經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員確定，與圍巖條件、開(kāi)挖洞室的幾何尺寸等因素有一定的關(guān)系。

（4） 采用過(guò)程設(shè)計(jì)方法時(shí)，可以從新的角度對(duì)一些問(wèn)題進(jìn)行討論和解答。例如，以松動(dòng)荷載為目標(biāo)函數(shù)，認(rèn)為荷載最小即為最優(yōu)，則能夠獲得相同條件下最優(yōu)的開(kāi)挖方法和開(kāi)挖順序，能夠得到相同條件的某一開(kāi)挖方法下的最優(yōu)開(kāi)挖幾何尺寸。

6 過(guò)程設(shè)計(jì)方法與狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的聯(lián)系與區(qū)別

狀態(tài)設(shè)計(jì)方法與過(guò)程設(shè)計(jì)方法兩者之間具有一定的聯(lián)系。

（1） 狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的荷載計(jì)算公式是過(guò)程設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)和前提。普氏理論、公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范等方法為一次開(kāi)挖計(jì)算公式，屬于狀態(tài)設(shè)計(jì)方法范疇。過(guò)程設(shè)計(jì)方法在計(jì)算小洞室的松動(dòng)荷載時(shí)，需要采用普氏理論、公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范等方法進(jìn)行計(jì)算。

（2） 過(guò)程設(shè)計(jì)方法在一定程度上包含了狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。過(guò)程設(shè)計(jì)方法注重每一步開(kāi)挖過(guò)程的分析和計(jì)算；而每一步驟的計(jì)算歸根結(jié)底就是一個(gè)狀態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程。例如，當(dāng)隧道的開(kāi)挖方法簡(jiǎn)化為一次開(kāi)挖時(shí)，過(guò)程設(shè)計(jì)方法即簡(jiǎn)化為狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。

7 結(jié)論

（1） 隧道設(shè)計(jì)荷載與施工工序有關(guān)。在一定程度上，每個(gè)工序的開(kāi)挖受到相鄰工序的影響，但其影響程度不大；每個(gè)工序可以認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)立的小洞室隧道，并可由規(guī)范或普氏理論等求得。

（2） 建立了過(guò)程設(shè)計(jì)方法的計(jì)算公式。給出了三導(dǎo)洞開(kāi)挖方式下，基于普氏和泰沙基公式的總垂直均布荷載公式。并在同濟(jì)曙光有限元軟件平臺(tái)下開(kāi)發(fā)了過(guò)程設(shè)計(jì)方法模塊。

（3）通過(guò)將過(guò)程設(shè)計(jì)荷載計(jì)算值與實(shí)測(cè)荷載對(duì)比表明：實(shí)測(cè)的松動(dòng)壓力整體上小于過(guò)程荷載計(jì)算值，過(guò)程荷載計(jì)算方法具有一定可靠性和實(shí)用價(jià)值，可作為過(guò)程設(shè)計(jì)方法的基本依據(jù)。

（4） 過(guò)程設(shè)計(jì)方法與狀態(tài)設(shè)計(jì)方法既有區(qū)別又有聯(lián)系。過(guò)程設(shè)計(jì)方法在計(jì)算小洞室的松動(dòng)荷載時(shí)，需要依賴普氏理論等傳統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。兩者的本質(zhì)區(qū)別在于：狀態(tài)設(shè)計(jì)方法為靜態(tài)設(shè)計(jì)，過(guò)程設(shè)計(jì)方法則體現(xiàn)了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的概念。當(dāng)隧道的開(kāi)挖方法簡(jiǎn)化為一次開(kāi)挖時(shí)，過(guò)程設(shè)計(jì)方法即簡(jiǎn)化為狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣樹(shù)屏，黃倫海，胡學(xué)兵.超大斷面公路隧道的設(shè)計(jì)與研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005.1

[2]劉堯軍，高桂鳳，馮衛(wèi)星.大跨公路隧道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].遼寧交通科技，2004.2