公路隧道設(shè)計(jì)階段的問題與對(duì)策研究

岳林博

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710075）

1 引言

目前，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路修建質(zhì)量已經(jīng)成為整個(gè)社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)此，承擔(dān)我國(guó)公路隧道修建設(shè)計(jì)主要責(zé)任監(jiān)管與施工部門必須以規(guī)范化施工與設(shè)計(jì)為基本要求，通過(guò)對(duì)地質(zhì)環(huán)境、地理位置、施工技術(shù)、設(shè)計(jì)水準(zhǔn)的優(yōu)化，為我國(guó)公路隧道修建躋身國(guó)際行列奠基鋪路。本文重點(diǎn)就我國(guó)公路隧道施工與設(shè)計(jì)的具體方法開展了深入的研究，以期為提升我國(guó)公路隧道工程的質(zhì)量提供指導(dǎo)。

2 公路隧道設(shè)計(jì)的原則

公路隧道設(shè)計(jì)的原則主要表現(xiàn)在6個(gè)方面：（1）公路隧道設(shè)計(jì)必須要嚴(yán)格按照國(guó)家的設(shè)計(jì)規(guī)范和要求來(lái)進(jìn)行，確保設(shè)計(jì)的科學(xué)性和規(guī)范性。（2）隧道洞口需要設(shè)置洞門，洞門的結(jié)構(gòu)不受外在因素的限制，可以采用臺(tái)階式、柱式或者是端墻式。無(wú)論采用哪種設(shè)計(jì)形式，隧道洞門都需要結(jié)合公路隧道工程的實(shí)際情況以及洞門所處位置的環(huán)境和地質(zhì)特點(diǎn)。對(duì)于諸多特殊情況，諸如在車站、景區(qū)等地域修筑隧道時(shí)，具體的施工設(shè)計(jì)則必須關(guān)注洞門的實(shí)用性、觀賞性，以達(dá)到建筑與環(huán)境和諧搭配的發(fā)展需要。（3）如果遇到隧道等高線與中線相交的情況時(shí)，隧道洞口結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為斜交式。（4）設(shè)計(jì)隧道內(nèi)部輪廓，應(yīng)盡量做到規(guī)范設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)要素齊全，對(duì)應(yīng)的排風(fēng)、照明、通風(fēng)、排水等符合要求標(biāo)準(zhǔn)。（5）設(shè)計(jì)公路隧道施工圖時(shí)，必須嚴(yán)格參照具體規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。（6）必須加強(qiáng)對(duì)于公路隧道的監(jiān)控檢測(cè)的設(shè)計(jì)。

3 公路隧道設(shè)計(jì)存在的問題

3.1 公路隧道建設(shè)中圖紙?jiān)O(shè)計(jì)存在的問題

當(dāng)前，公路隧道設(shè)計(jì)與公路隧道勘查分別由設(shè)計(jì)單位與勘查單位2個(gè)不同的部門各自進(jìn)行。一些設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)人員與勘察人員缺乏溝通，又缺乏責(zé)任心，在沒有認(rèn)真研究勘察資料的情況下憑經(jīng)驗(yàn)想當(dāng)然地進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致圖紙出現(xiàn)問題。還有一些設(shè)計(jì)人員不清楚施工單位的施工能力、施工技術(shù)，設(shè)計(jì)出的圖紙標(biāo)準(zhǔn)過(guò)高，缺乏可操作性，在實(shí)際施工過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)【1】。

3.2 沒有充分考慮地下水因素

進(jìn)行公路隧道設(shè)計(jì)，不僅需要研究圍巖各項(xiàng)參數(shù)（包括圍巖的密度、質(zhì)量、彈性、泊松比等），還需要認(rèn)真研究地下水對(duì)施工可能造成的影響。從公路隧道施工的實(shí)際情況來(lái)看，地下水是造成隧道病害的重要原因。但令人遺憾的是，當(dāng)前國(guó)內(nèi)公路隧道設(shè)計(jì)只關(guān)注圍巖，常常忽視了地下水這一因素，導(dǎo)致圖紙?jiān)O(shè)計(jì)淪為紙上談兵。

4 做好公路隧道設(shè)計(jì)的對(duì)策

4.1 掌握公路隧道設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

地面結(jié)構(gòu)工程在平地上進(jìn)行施工，形成工程結(jié)構(gòu)后，依靠結(jié)構(gòu)自身承受各種荷載（這些荷載多為靜力荷載或動(dòng)力荷載，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響較?。?；而公路隧道工程需要在巖土體中進(jìn)行施工，在整個(gè)施工過(guò)程中都必須承受來(lái)自巖土體的巨大荷載，在施工結(jié)束后才能形成隧道工程結(jié)構(gòu)。此外，巖土體各個(gè)位置的巖性、圍巖級(jí)別、圍巖風(fēng)化程度、單軸飽和抗壓強(qiáng)度、斷層厚度、節(jié)理、地下水條件（包括地下水的類型及其狀況）往往存在著較大差異，在施工過(guò)程中，工程荷載還可能發(fā)生較大的變化。因此，設(shè)計(jì)人員必須主動(dòng)研究各種不確定因素，綜合考慮各種意外情況，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行隧道公路的計(jì)算與設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員必須主動(dòng)學(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國(guó)家公路隧道設(shè)計(jì)的各種方法（如收斂約束法、CURTIS法、MUIR WOOD法），并嘗試在公路隧道設(shè)計(jì)中應(yīng)用這些方法。在條件允許的情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)使用人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)勘查資料進(jìn)行詳細(xì)分析研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行公路隧道設(shè)計(jì)。

4.2 使用應(yīng)用型軟件進(jìn)行公路隧道設(shè)計(jì)

在公路隧道設(shè)計(jì)中使用先進(jìn)的應(yīng)用型軟件，可以有效提升公路隧道設(shè)計(jì)的效率，并及早發(fā)現(xiàn)公路隧道設(shè)計(jì)中存在的問題。這些應(yīng)用型軟件的種類很多，功能各異，各有其自己的應(yīng)用適應(yīng)范圍。如：

1）FLAC軟件，采用差分法，可以處理大變形，計(jì)算維數(shù)為2D、3D，適應(yīng)巖土工程要求。

2）ANSYS軟件，采用有限元法，可以處理大變形，計(jì)算維數(shù)為2D、3D，適應(yīng)巖土工程要求。

3）FINAL軟件，采用有限元法，可以處理大變形，計(jì)算維數(shù)為2D、3D，適應(yīng)巖土工程要求。

4）3DEC軟件，采用離散元法，可以處理大變形，計(jì)算維數(shù)為3D，適應(yīng)巖土工程要求。

5）UDEC軟件，采用離散元法，可以處理大變形，計(jì)算維數(shù)為2D，適應(yīng)巖土工程要求。

6）GEOFBA軟件，采用有限元法，可以處理大變形，計(jì)算維數(shù)為2D，適應(yīng)巖土工程要求。

7）ABAQUS軟件，采用有限元法，可以處理大變形，計(jì)算維數(shù)為2D、3D，不適應(yīng)巖土工程要求。

8）MSC.MARE軟件，采用有限元法，可以處理大變形，計(jì)算維數(shù)為2D、3D，不適應(yīng)巖土工程要求。

以上這些應(yīng)用型軟件需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)隧道設(shè)計(jì)的具體要求靈活選用。

4.3 采用新奧法進(jìn)行公路隧道設(shè)計(jì)、施工

公路隧道設(shè)計(jì)中最大的問題是設(shè)計(jì)人員辛辛苦苦設(shè)計(jì)出來(lái)的圖紙不符合現(xiàn)實(shí)的實(shí)際情況。因此，人們應(yīng)當(dāng)考慮：采用新奧法進(jìn)行公路隧道的設(shè)計(jì)、施工。新奧法充分應(yīng)用巖體力學(xué)原理，在開挖作業(yè)中盡量采用光面爆破、預(yù)裂爆破，并盡可能采用大斷面開挖，最大限度地減少開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)。而后根據(jù)圍巖特征，采用不同的支護(hù)類型（包括錨桿、噴射混凝土等），形成以錨桿、噴射混凝土、圍巖三位一體的承載結(jié)構(gòu)，從而控制圍巖的變形和松弛，并共同承載巖土體的荷載。再后，對(duì)圍巖與支護(hù)進(jìn)行不間斷的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，向設(shè)計(jì)單位及時(shí)反饋圍巖-支護(hù)體的力學(xué)動(dòng)態(tài)及其變化信息，來(lái)指導(dǎo)隧道工程的設(shè)計(jì)與施工。

采用新奧法，需要根據(jù)圍巖的具體情況來(lái)使用不同的開挖斷面方法。如果圍巖屬于Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ類，可使用全斷面法。全斷面法就是將全部設(shè)計(jì)斷面一次性開挖成型，然后進(jìn)行修筑襯砌。全斷面開挖法采用移動(dòng)式鉆孔臺(tái)車，沿全斷面進(jìn)行一次性鉆孔，并進(jìn)行裝藥連線，然后進(jìn)行起爆作業(yè)，一次性爆破成型。清除石渣、土渣后鉆孔臺(tái)車再推進(jìn)到開挖面進(jìn)行下一輪鉆孔、爆破作業(yè)。采用全斷面法施工速度快，施工效率高；但使用全斷面法時(shí)，必須保證工作面有足夠的新鮮空氣。

如果圍巖屬于Ⅱ、Ⅲ類，可采用分部開挖法。進(jìn)行分部開挖，又可采用如下方法：（1）臺(tái)階分部開挖法；（2）單側(cè)壁導(dǎo)坑法；（3）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。采用分部開挖法可以減小各個(gè)坑道的跨度，有利于增強(qiáng)圍巖的相對(duì)穩(wěn)定性，并有利于提前探明地質(zhì)情況。

4.4 做好隧道襯砌設(shè)計(jì)

通常情況下，隧道襯砌的主要結(jié)構(gòu)基本包括2種形式：一種是明洞襯砌、淺埋式襯砌；另一種是深埋斷復(fù)合式襯砌。就隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體效果而言，襯砌結(jié)構(gòu)方式的選擇，將直接影響隧道襯砌設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效果。因此，在具體襯砌方式選擇時(shí)，必須以當(dāng)?shù)貒鷰r地質(zhì)的條件情況及施工的實(shí)際需求為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)綜合考量進(jìn)行具體選擇。目前，在隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工時(shí)，基本都采用新奧法實(shí)施隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工。對(duì)于圍巖地質(zhì)較差的地段，在設(shè)計(jì)時(shí)還需要將襯砌進(jìn)行適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)，并且要在特定的位置設(shè)置相應(yīng)的加強(qiáng)斷襯砌，以此來(lái)保證襯砌的穩(wěn)定性。選擇襯砌材料時(shí)一般選用鋼筋混凝土材料【2】。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)公路隧道設(shè)計(jì)雖然取得了一定的成績(jī)，但也存在著許多問題。因此，設(shè)計(jì)人員必須提高自己的責(zé)任心，必須詳細(xì)研究勘查資料，主動(dòng)運(yùn)用先進(jìn)的應(yīng)用軟件與先進(jìn)的設(shè)計(jì)-施工方法來(lái)進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)，從而提升公路隧道設(shè)計(jì)水平，為國(guó)內(nèi)公路隧道建設(shè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。