公路隧道設(shè)計過程中的問題探討

陳 琦 茅文舟

1.臺州市交通勘察設(shè)計院，浙江 臺州 318000

2.臺州市路橋區(qū)公路管理局，浙江 臺州 318050

近十年來，我國公路隧道的發(fā)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(jīng)驗的累積，我國公路隧道的設(shè)計水平也在蓬勃發(fā)展，豐富的勘察經(jīng)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(shè)計階段制約我國公路隧道發(fā)展的技術(shù)瓶頸期已經(jīng)初步度過，部分還達到了世界領(lǐng)先水準(zhǔn)，同樣在施工技術(shù)方面也有重大突破。我國在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下以及非常規(guī)的隧道工程、高寒高原地區(qū)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(shè)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(yīng)用方面也進行了嘗試，總體發(fā)展情況值得期待。但不可否認(rèn)，過快的發(fā)展進程給公路隧道建設(shè)也遺留下了許多問題，特別是在設(shè)計方面，很多問題亟待解決，需要在日后的發(fā)展過程中逐漸完善。

1 公路隧道設(shè)計過程中存在的問題

目前我國公路隧道設(shè)計領(lǐng)域普遍采用了新奧法作為基本原理，結(jié)合工程經(jīng)驗與現(xiàn)場實際情況進行類比，充分考慮破損段的安全系數(shù)，最終得出結(jié)構(gòu)驗算結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計方面的分析和變形情況預(yù)測，建設(shè)過程中采用實際數(shù)據(jù)適時監(jiān)控，分析安全系數(shù)和修正設(shè)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(tǒng)的方法相比，現(xiàn)行理論體系具備快速、便捷、安全、行之有效等優(yōu)勢，為我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)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(shù)差別

新奧法提出把圍巖與支護系統(tǒng)看作相互作用的一個整體，既發(fā)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(shè)計結(jié)構(gòu)的分類主要參考工程類比，和隧道上的圍巖分級有密切聯(lián)系，對于不同的圍巖，會采用不同的支護系數(shù)，結(jié)合實際地質(zhì)水文條件進行精確的驗算。但目前由于行業(yè)規(guī)范性有限，同一跨度的襯砌支護參數(shù)存在著不小的差異。這種差異出現(xiàn)的原因有很多方面。首先是受到設(shè)計單位總體技術(shù)水平參差不齊的影響，加上設(shè)計者的個人局限，導(dǎo)致對于圍巖穩(wěn)定性和支護作用的認(rèn)識存在偏差。其次是地層巖石組成復(fù)雜繁瑣，在不同的風(fēng)化環(huán)境下，同種演示的物理受力參數(shù)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(zhì)勘察技術(shù)常會因為施工地點的特殊性受到局限，實際的地質(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)計難度增加?？偟膩碇v，襯砌支護參數(shù)設(shè)計相差大和圍巖級別圍巖穩(wěn)定性差異難以量化體現(xiàn)是設(shè)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(tǒng)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(shù)手段已經(jīng)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(fēng)險率。

1.3 支護結(jié)構(gòu)耐久性方面的問題

《公路隧道設(shè)計規(guī)范》已對設(shè)計年限和使用耐久度做了規(guī)定，但是在實際設(shè)計施工過程中，襯砌結(jié)構(gòu)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(shè)計荷載很復(fù)雜，除了地質(zhì)構(gòu)造、巖性等因素外，地下水對圍巖的穩(wěn)定有重要影響。據(jù)對東南沿海地區(qū)混凝土隧道的破損程度、病害部位、主要病害進行了統(tǒng)計分析。早期的隧道普遍存在耐久性老化的現(xiàn)象，77%的隧道主要病害是滲漏水。按照傳統(tǒng)的負荷式襯砌設(shè)計方式，首先應(yīng)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(tài)下運營。從目前公路隧道發(fā)展趨勢來看，考慮到初期的耐久性，如果按照傳統(tǒng)形式進行施工，就意味著初期支護要采用新材料和更加嚴(yán)苛的施工工藝，包括一切機械和配套設(shè)施，會大大增加工程成本，將工程推到成本和質(zhì)量兩難的境地中。

1.4 隧道襯砌結(jié)構(gòu)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(xiàn)不同程度裂縫和漏水現(xiàn)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(jié)構(gòu)進行定性分級。在比較權(quán)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(jié)構(gòu)性能的辯證關(guān)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(fā)的，具有一定的復(fù)雜性，因此對到結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計只能根據(jù)經(jīng)驗設(shè)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(xiàn)，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(yīng)對措施

光面爆破、錨噴支護、監(jiān)控量測是新奧法的三大要素。隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測是新奧法原理進行隧道設(shè)計和施工必不可少的手段。在施工中，應(yīng)按設(shè)計要求加強量測，及時反饋，以便修正設(shè)計，指導(dǎo)施工。首先應(yīng)該在部分關(guān)鍵工序上加大技術(shù)投入力度，進一步提升機械化程度。在部分關(guān)鍵的工序上應(yīng)該盡快摘掉原始落后的帽子用鉆孔車取代人工風(fēng)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(zhuǎn)存放不方便的大型鉆孔機不能在短時間內(nèi)得到推廣的情況下，推動簡易臺車的發(fā)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(zhì)量。其次在洞身開挖方面，應(yīng)嚴(yán)格控制炮眼的深度、角度、間距以及用藥量，并根據(jù)圍巖情況及時修正鉆爆參數(shù)，盡可能減少對圍巖的擾動。要求開挖輪廓線成形規(guī)則，確保光面爆破質(zhì)量。在選擇合理的開挖方法時，既要根據(jù)不同的圍巖級型，又要考慮初期支護的及時成環(huán)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(shè)計方面，主要的對策有編制公路和隧道的標(biāo)準(zhǔn)圖紙，必要時編制通用圖紙，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計進行。進一步研究好圍巖穩(wěn)定性與各客觀因素方面的定量關(guān)系，捋順支護措施在圍巖穩(wěn)定性中的比重，將施工設(shè)計信息化。推廣新工藝，實現(xiàn)弱圍巖的快速施工和機械化作業(yè)。采用強二襯的思路進行復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)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(jié)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(nèi)的耐久性，噴混凝土、系統(tǒng)錨桿、鋼架都要符合相應(yīng)的要求，混凝土優(yōu)先選用抗?jié)B性能優(yōu)良的耐腐蝕混凝土，錨桿也要具備耐腐蝕的性能。全長黏結(jié)型系統(tǒng)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(jié)束語

本文針對我國在公路隧道領(lǐng)域設(shè)計上的缺陷進行了思考和重點分析，根據(jù)近年來經(jīng)驗的總結(jié)從施工和設(shè)計兩個方面對存在的問題提出了初步的應(yīng)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(shè)計和施工中存在的問題，使得公路隧道行業(yè)向著正確的方向蓬勃發(fā)展。

[1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，JTG D70-2004 公路隧道設(shè)計規(guī)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(xiàn)代隧道技術(shù)，2011.