公路隧道設(shè)計與施工的現(xiàn)狀問題探討及展望

歐陽娜

(江西省公路科研設(shè)計院，江西 南昌 330002)

0 引 言

近20年，我國公路建設(shè)迅猛發(fā)展，隧道建設(shè)不論是總長度還是規(guī)模不斷刷新世界紀(jì)錄，不論是科研、設(shè)計還是施工的技術(shù)瓶頸已經(jīng)被不斷突破。在隧道規(guī)模上，特長大斷面隧道建設(shè)技術(shù)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(shè)水平推向世界先進(jìn)的行列，復(fù)雜地質(zhì)條件下(巖溶、地裂縫、瓦斯、高地應(yīng)力等)、非標(biāo)隧道(小凈距、連供、大跨度、傍山棚洞等)、高寒區(qū)隧道(大力加山隧道)等非常規(guī)隧道的建設(shè)，在多年的工程實踐中積累了大量的經(jīng)驗，大量的新技術(shù)、新工藝、新理念的被提出和應(yīng)用。然而，在公路隧道設(shè)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(xù)完善發(fā)展，筆者結(jié)合自身的工程實踐，提出設(shè)計和施工方面存在的一些問題，并提出相應(yīng)的對策，以供探討。

1 設(shè)計問題及對策

1.1 隧道初期支護(hù)耐久性設(shè)計

隧道耐久性設(shè)計與隧道襯砌設(shè)計方案息息相關(guān)，耐久性設(shè)計應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計方法進(jìn)行針對性設(shè)計，目前常用的設(shè)計方法有三種：

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

第(1)和(2)種方法，是目前規(guī)范中規(guī)定的設(shè)計方法，第(1)中設(shè)計方法適用于圍巖等級較高的區(qū)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(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)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(dān)全部荷載，而對于第(2)種設(shè)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(dān)，但是對于初支和二襯的荷載分擔(dān)比例，規(guī)范中并沒有明確的規(guī)定，在實際的工程計算中，也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，具有較大的主觀性。但在大多數(shù)情況下，Ⅴ級圍巖初支與二襯的荷載分擔(dān)比為3∶7，對于Ⅳ級圍巖，分擔(dān)比為4∶6。對于分擔(dān)比重，在一些設(shè)計院也與隧道的跨度有關(guān)，顯然，具備較大的主觀性。

對于隧道的耐久性設(shè)計，可以通過以下幾種方法實現(xiàn)：

(1)如果按照傳統(tǒng)復(fù)合式襯砌設(shè)計計算方法，若要使隧道在設(shè)計年限內(nèi)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(gòu)件均需要考慮耐腐蝕，建設(shè)的成本將大幅提高，而且施工的質(zhì)量控制難度也增大。

(2)在初支承擔(dān)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(shè)計的關(guān)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(dān)比例不變，二襯按照耐久性混凝土結(jié)構(gòu)考慮，對于初支，提高鋼架的耐久性設(shè)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(jié)合，在初支系統(tǒng)中，鋼架和噴混的施工質(zhì)量相比于錨桿更容易控制。

(4)初支作為臨時構(gòu)件承擔(dān)施工階段全部荷載，并作為運營階段的安全儲備，二襯承擔(dān)運營階段的荷載及耐久性，這種設(shè)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(jīng)濟(jì)性差。

以上四種設(shè)計思路，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行確定，但是對于常規(guī)的山嶺隧道，第二種設(shè)計方法較為可靠。

1.2 襯砌設(shè)計

目前隧道多采用復(fù)合式襯砌，根據(jù)不同的圍巖等級，規(guī)范給出參考的支護(hù)設(shè)計參數(shù)，但是對于錨桿直徑與類型、型鋼型號等并沒有明確的規(guī)定，在設(shè)計人員應(yīng)用時差異較大。比如，現(xiàn)行規(guī)范中對Ⅴ級圍巖兩車道隧道，規(guī)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～I(xiàn)22，對于不同類型的錨桿使用情況認(rèn)識不清楚，且設(shè)計與施工現(xiàn)場脫節(jié)，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(yuǎn)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(jù)地質(zhì)和使用情況進(jìn)行合理選擇。

造成這一現(xiàn)象的主要原因有以下幾種：設(shè)計院和設(shè)計師設(shè)計水平和設(shè)計經(jīng)驗受限，對圍巖性質(zhì)、設(shè)計方法存在理解上的偏差；受限制于勘察，當(dāng)前的勘察技術(shù)并不能在施工前做到完全準(zhǔn)確的量化，以定性判別為主，定量為輔，而且地質(zhì)條件復(fù)雜多變，往往需要進(jìn)行動態(tài)設(shè)計，隧道的設(shè)計取決于巖土勘察和結(jié)構(gòu)計算兩個方面，具有巖土與結(jié)構(gòu)的雙重特性。

基于此，建議各地區(qū)相關(guān)部門聯(lián)合設(shè)計和科研單位，在結(jié)合地區(qū)地質(zhì)、水文特點，總結(jié)地區(qū)隧道建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行細(xì)化，制定隧道襯砌設(shè)計參數(shù)區(qū)域化的地方性規(guī)范，此外，還應(yīng)完善動態(tài)設(shè)計制度，即建立具備時效性、高效性、準(zhǔn)確性的評審機制，實行信息化施工，此外，設(shè)計和施工的利益脫節(jié)，各方在優(yōu)化設(shè)計缺乏節(jié)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(tǒng)中，鋼架材料多為型鋼，較少采用格柵鋼架，即便在設(shè)計中采用格柵鋼架，但施工單位多數(shù)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(hù)體系，但是與噴射混凝土結(jié)合性差，在耐久性方面，遜于格柵鋼架。因此，從耐久性設(shè)計的角度考慮，建議使用格柵鋼架。

2 施工問題與應(yīng)對措施

2.1 設(shè)計與施工脫節(jié)

公路隧道隧址往往位于遠(yuǎn)離市區(qū)的山區(qū)，與設(shè)計院距離較遠(yuǎn)，對于多數(shù)設(shè)計院，通常派遣應(yīng)屆生作為設(shè)計代表，導(dǎo)致在隧道建設(shè)過程中，遇到的設(shè)計問題很難及時解決；動態(tài)設(shè)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(shè)計與施工脫節(jié)，對于設(shè)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(jìn)速度有較高要求的情況下可采用掘進(jìn)機施工.鉆爆法相對于掘進(jìn)機施工，其投資較小、適應(yīng)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(shè)鋼架，但是采用人工進(jìn)行鉆爆作業(yè)，施工環(huán)境惡劣，勞動強度高，而且隧道施工，風(fēng)險較高，如果處理不當(dāng)，易出現(xiàn)塌方，造成人員的重大傷亡；另一方面，隧道施工的一線作業(yè)人員，日趨老齡化，經(jīng)過多年的發(fā)展，人工鉆爆的施工效率已經(jīng)接近極限，已經(jīng)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(jīng)濟(jì)還是社會效益的優(yōu)勢不再顯著。

近年來，工程機械裝備的設(shè)計和制造水平大幅提升，隧道施工機械的自動化水平，專業(yè)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(fā)用于隧道掘進(jìn)施工。液壓巖鑿機的應(yīng)用，提高了鉆孔的效率(φ50炮孔，每分鐘鉆進(jìn)2 m)、施工的安全性也得到提升，隧道施工環(huán)境也得到改善。但是目前，此類機械多以進(jìn)口為主，價格昂貴，適用性不強，因此應(yīng)立足國產(chǎn)化，自主研發(fā)液壓巖鑿機及其配套設(shè)備，以適應(yīng)我國復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，提高鉆爆法的施工效率。

3 結(jié) 論

本文就隧道設(shè)計與施工方面的一些問題展開討論，主要結(jié)論如下：

(1)隧道設(shè)計需要注重耐久性設(shè)計，本文建議通過提高二襯承擔(dān)荷載的比重，以彌補常規(guī)初支條件下耐久性的損失，并對初支的設(shè)計參數(shù)制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或者圖集，以規(guī)范設(shè)計，并且建議有條件情況下優(yōu)先選用格柵鋼架；

(2)施工與設(shè)計的不完全匹配是隧道病害出現(xiàn)的主要原因，設(shè)計時應(yīng)結(jié)合施工現(xiàn)場的實際，減少不合理設(shè)計的出現(xiàn)，目前還應(yīng)加大研發(fā)國產(chǎn)化自動化的隧道施工機械。