公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與工程經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化

鄒鵬程

摘 要：2016年，我國(guó)高速公路通車(chē)?yán)锍叹鸵呀?jīng)超過(guò)13萬(wàn)公里，公路隧道的數(shù)量與長(zhǎng)度也隨之大幅增加，特別在山區(qū)道路，數(shù)千米長(zhǎng)的超長(zhǎng)隧道已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮。本文首先對(duì)我國(guó)的公路隧道發(fā)展進(jìn)行介紹，然后從理論、實(shí)施和優(yōu)化展開(kāi)介紹隧道設(shè)計(jì)的主要方法，最后對(duì)幾種不同的施工開(kāi)挖工法進(jìn)行探索。

關(guān)鍵詞：公路隧道；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；工程經(jīng)濟(jì)；優(yōu)化

1公路隧道

在改革開(kāi)放后，我國(guó)的高速公路建設(shè)發(fā)展極為迅速，截止2016年，我國(guó)高速公路通車(chē)?yán)锍叹鸵呀?jīng)超過(guò)13萬(wàn)公里，公路隧道的數(shù)量、最大長(zhǎng)度和海拔高度也不斷被刷新。作為高速公路穿越山區(qū)及重要地面構(gòu)筑物區(qū)域的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式，隧道一方面避免了地形起伏的繞路現(xiàn)象，有效縮短道路里程，優(yōu)化行車(chē)體驗(yàn)，另一方面可以減少土地的占用，減小道路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)對(duì)周邊環(huán)境的影響，有利于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)。伴隨著隧道規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國(guó)隧道工程建設(shè)技術(shù)在不斷取得進(jìn)步。上世紀(jì)五六十年代是新中國(guó)隧道建設(shè)的起步時(shí)期，當(dāng)時(shí)為了實(shí)現(xiàn)山區(qū)居民交通出行和戰(zhàn)備需要，國(guó)家重點(diǎn)投資建設(shè)一批山區(qū)公路和隧道，但是受到技術(shù)條件的限制，隧道的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)較低。到了二十世紀(jì)末期，我國(guó)已有多條長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)千米的超長(zhǎng)公路隧道，在設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)上也有很大提高。在建設(shè)過(guò)程中，我國(guó)也學(xué)習(xí)了許多發(fā)達(dá)國(guó)家在公路隧道建設(shè)上的先進(jìn)技術(shù)，例如隧道盾構(gòu)開(kāi)挖、運(yùn)營(yíng)照明優(yōu)化以及自動(dòng)控制技術(shù)、雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)等，這些技術(shù)的吸收和使用進(jìn)一步提升了我國(guó)隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)水平。到了二十一世紀(jì)的今天，我國(guó)已經(jīng)成為隧道建設(shè)大國(guó)與強(qiáng)國(guó)，高海拔隧道和海底隧道建設(shè)也已成為現(xiàn)實(shí)，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工作業(yè)中的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。

2設(shè)計(jì)方法

2.1設(shè)計(jì)理論

在公路隧道設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)理論和相應(yīng)的計(jì)算方法是確保隧道結(jié)構(gòu)合理與安全的重中之重，也是后期影響施工方案制定的重要因素。隨著人們對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)和地層相互作用的認(rèn)識(shí)不斷深入，隧道設(shè)計(jì)理論也經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段。（1）剛性結(jié)構(gòu)。在十九世紀(jì)的時(shí)候，地下建筑物通常采用石磚等剛性材料砌筑，斷面通常為拱形，計(jì)算理論主要為壓力線(xiàn)理論。這一理論認(rèn)為，地下的拱形結(jié)構(gòu)會(huì)受到來(lái)自于地層的荷載，當(dāng)起狀態(tài)達(dá)到極度平衡狀態(tài)時(shí)，其拱形結(jié)構(gòu)會(huì)變?yōu)榻^對(duì)剛性的三鉸拱靜定體系。該理論計(jì)算方法以靜力學(xué)原理為主，但由于對(duì)地下結(jié)構(gòu)受力缺乏明確了解，出于安全考慮，壓力線(xiàn)理論的計(jì)算結(jié)果較為保守，襯砌厚度較大。（2）彈性結(jié)構(gòu)。直到十九世紀(jì)后期，隧道工程開(kāi)始使用混凝土以及鋼筋來(lái)建造，地下結(jié)構(gòu)整體性得到增強(qiáng)，彈性結(jié)構(gòu)理論就開(kāi)始出現(xiàn)在地下結(jié)構(gòu)計(jì)算中了。在計(jì)算過(guò)程中除了考慮地層壓力，還增加了地層對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彈性反力的約束作用。由于地下結(jié)構(gòu)與圍巖緊密接觸，巖體壓力作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形的同時(shí)，也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生約束作用力，即為彈性反力。這在計(jì)算過(guò)程需對(duì)彈性反力在襯砌結(jié)構(gòu)上的作用范圍和大小進(jìn)行假設(shè)，根據(jù)假設(shè)方法的不同，該階段的計(jì)算理論可分為初期的假定彈性反力階段和更為進(jìn)步的彈性地基梁階段。（3）連續(xù)介質(zhì)。以上兩種理論都把圍巖做為一種外部荷載，是基于松弛荷載理論，按照結(jié)構(gòu)力學(xué)的思路去進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)和分析。隨著技術(shù)的進(jìn)步和巖土力學(xué)的發(fā)展，工程師們逐漸認(rèn)識(shí)到圍巖自身承載力的存在，而不僅僅是一種外部荷載，當(dāng)巖體因開(kāi)挖發(fā)生變形時(shí)，圍巖壓力由巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)，因?yàn)?，在?jì)算中要將巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)做為一個(gè)整體進(jìn)行考慮。這一發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)代隧道設(shè)計(jì)理論發(fā)展打開(kāi)了新的大門(mén)，圍巖成為了承受巖體荷載的主體，支護(hù)結(jié)構(gòu)與其共同發(fā)揮作用，圍巖承載理論成為當(dāng)今隧道工程發(fā)展的重要理論，而以利用圍巖自身承載能力為設(shè)計(jì)思路的新奧法也得到大面積推廣使用，成為當(dāng)今隧道設(shè)計(jì)的主要方法。

2.2設(shè)計(jì)優(yōu)化

在進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)時(shí)，通常要通過(guò)地勘報(bào)告等資料，對(duì)邊界條件、材料參數(shù)、巖土體性質(zhì)等進(jìn)行確定，并獲得一系列定值用于計(jì)算分析。但在實(shí)際情況中，隧道結(jié)構(gòu)與巖體之間的相互作用存在離散性和變異性。即使是同樣評(píng)級(jí)的圍巖，其與支護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)位置不同，所產(chǎn)生的力學(xué)效果也不相同。而隧道進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，巖體本身會(huì)受到擾動(dòng)影響，其特性與地勘資料所呈現(xiàn)的參數(shù)就發(fā)生了變化，因此，隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中所面臨的很多問(wèn)題是存在明顯隨機(jī)性的變量，受到巖體本身性質(zhì)、所用材料性能等影響，這些變量的變化范圍是有界，可以通過(guò)一定方法進(jìn)行模擬分析，確定其范圍及影響，使隧道設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性得到提升，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。近年來(lái)，通過(guò)結(jié)合有限元、結(jié)構(gòu)可靠度等多種理論，我國(guó)開(kāi)始嘗試在襯砌裂縫設(shè)計(jì)、巖爆預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行隨機(jī)有限元分析，確定有關(guān)因素在實(shí)際情況下的變化范圍，作為設(shè)計(jì)依據(jù)，目前已取得一定成果，若要進(jìn)行推廣與大規(guī)模運(yùn)用，還為時(shí)尚早。雖然隧道工程隨機(jī)性方面的研究尚處于初步階段，由于其相比于以往的設(shè)計(jì)理論更貼合實(shí)際，具有更高準(zhǔn)確性，因此也成為隧道設(shè)計(jì)方法優(yōu)化的重要方向。此外，在保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，還應(yīng)從隧道建設(shè)各個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)統(tǒng)籌分析設(shè)計(jì)方案、實(shí)際環(huán)境、施工條件及運(yùn)營(yíng)需要之間的相互影響。例如，公路隧道通常位于山區(qū)，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮到現(xiàn)有道路的運(yùn)輸條件、山體土層和巖層的地質(zhì)情況、周邊原材料供應(yīng)等，在線(xiàn)路走向、材料選擇等方面進(jìn)行比選和優(yōu)化。保證施工的可行性、方便性以及安全性。此外，防潮也是隧道建設(shè)的一大問(wèn)題，需根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤w分布范圍、水質(zhì)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)形式等方面，合理設(shè)置隧道防潮措施，既不過(guò)度使用導(dǎo)致成本升高，同時(shí)又能滿(mǎn)足工程相關(guān)要求，保證隧道運(yùn)營(yíng)期間的安全和穩(wěn)定。

3開(kāi)挖方式探究

開(kāi)挖是隧道施工的第一步，也是危險(xiǎn)性最大的一步。開(kāi)挖方式選擇不當(dāng)，極易引起巖土體坍塌，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，在隧道建設(shè)的發(fā)展過(guò)程中，基于對(duì)地層受力情況的認(rèn)識(shí)加深和各種事故帶來(lái)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，工程人員針對(duì)不同地質(zhì)情況和施工條件，創(chuàng)造出了多種開(kāi)挖工法，具體主要有以下幾種。

3.1先拱后墻法

這種方法也叫支撐頂拱法，通常用于穩(wěn)定性較差的地層施工。該方法首先進(jìn)行拱部斷面的開(kāi)挖工作，以便于實(shí)現(xiàn)頂部圍巖的支護(hù)，隨后，在該基礎(chǔ)上進(jìn)行下部斷面的開(kāi)挖工作，同時(shí)開(kāi)展邊墻的砌筑工作。由于在實(shí)現(xiàn)邊墻開(kāi)挖工作之前首先需要支承好拱頂部分，因此稱(chēng)為先拱后墻法。在具體施工過(guò)程中，第一步要做的，是挖出兩個(gè)導(dǎo)坑，以便于進(jìn)行上部斷面開(kāi)挖作業(yè)中，可以將石渣及時(shí)運(yùn)出，提升工作效率。如果施工的隧道比較短，同時(shí)巖層比較干燥，僅僅實(shí)現(xiàn)上導(dǎo)坑的施工也開(kāi)始進(jìn)行工作開(kāi)展，在實(shí)現(xiàn)該部分施工時(shí)，為了提升施工效率，可以在完成上半部分?jǐn)嗝娴氖┕ず?，再開(kāi)展下一步工作，該方法在部分些跨度比較大的洞室也同樣適用，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

3.2蘑菇形法

這是一種混合了先拱后墻以及漏斗棚架法兩種施工方式的方法。由于挖鑿斷面會(huì)出現(xiàn)的蘑菇形狀，因此得名蘑菇形法。這種方法結(jié)合了其上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，因此可以根據(jù)地質(zhì)穩(wěn)定性的好壞來(lái)進(jìn)行施工上的調(diào)整，極其便利。同時(shí)，也減少了作業(yè)中一些材料的使用，使得施工的速度有了提升，因此在大規(guī)模的公路隧道建造中這也是經(jīng)常會(huì)用到的一種方法。

結(jié)語(yǔ)

本文主要是分析與總結(jié)隧道優(yōu)化的問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際的優(yōu)化方法，對(duì)工程中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，提出該隧道的最終優(yōu)化方案，為以后類(lèi)似隧道工程提供參考。對(duì)于今后的隧道建設(shè)有以下建議：本文中提及的各項(xiàng)優(yōu)化方法還需實(shí)際驗(yàn)證，且需考慮的隧道斷面類(lèi)型單元，應(yīng)分析更多的斷面形式，增加優(yōu)化潛力。

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（作者單位：中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司）