大斷面公路隧道的過程設計方法研究

李東明

摘 要：通過某隧道的現場試驗研究和數值分析，提出大斷面公路隧道的過程設計方法，并建立應用模型。過程設計方法以荷載--結構法為基礎，并以極限拉應變值來確定圍巖松動區范圍。與傳統的公路隧道設計規范、普氏理論等方法相比，設計荷載中重點考慮施工過程的影響，從而在保證隧道安全性的同時優化偏于保守的支護參數。通過雙側壁導坑開挖方法和單側壁導坑開挖方法這兩個應用實例表明：過程設計方法比狀態設計方法更為可靠和實用，更符合大斷面隧道的實際情況。研究結果將有助于為大斷面公路隧道尋求更為有效、合理的設計方法，提高大斷面隧道的設計水平。

關鍵詞：公路工程；大斷面公路隧道；過程設計方法；隧道荷載

1 引言

隧道圍巖松動荷載的主要計算方法包括：基于圍巖分級系統的經驗方法，如 Barton 公式；基于室內、現場試驗（監測）的經驗方法，如泰沙基公式、普式壓力拱；基于圍巖與支護系統相互作用的理論解析方法，如收斂-約束法；基于數值模擬的計算方法。中國公路隧道設計主要采用公路隧道設計規范（沿用鐵路隧道設計規范），由大量實際工程總結出來的塌方公式作為松動荷載。該設計理

論的適用范圍主要為 3 車道以下的小跨度隧道，對于 4 車道以上的大斷面公路隧道并不完全適用。例如，公路隧道設計規范中只給出了大斷面隧道松動荷載的建議公式，對于具體設計則缺乏依據。本文統計了幾條早期單洞 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計規范進行設計，襯砌厚度較大，隨著設計經驗的積累，支護參數逐漸優化，例如洞口淺埋段二襯厚度由 80 cm 逐步漸變為 65 cm，顯然人們意識到最初的大斷面隧道設計方案是不夠合理的。

2 基本施工方法

從目前的施工技術水平來看，適合于大斷面隧道的開挖方法主要有：

（1）上半斷面臺階法（短臺階法、上半斷面臨時封閉臺階法）

（2）中隔壁法（CD法、CRD法）

（3）雙側導坑開挖法（雙側導坑超前開挖法、眼鏡法）等三類六種基本施工方法。①上半斷面臺階法可采用可靠性強的超前支護以確保掌子面穩定。雖然超前支護作為支護構件的效果不十分清楚，但從改善開挖前地層的角度來看，可在一定程度上控制拱頂范圍的松弛。如果在超前支護、輔助工法的效果不明顯或不經濟時可改為CD法施工。同時因其開挖空間大，適合大型機械快速施工。施工條件有利于作業，可以說該方法在超前支護、輔助工法的配合下，能適應各類圍巖條件下的施工并能形成有效的支護體系，適應性強。②中隔壁法因縱向分割斷面，能確保掌子面的穩定性，其開挖斷面較大，若支護及時，可防止隧道周邊的松弛范圍的擴大。在CD法和CRD法的施工過程中，拆除中壁作業復雜，施工條件相對較差，不宜采用大型機械快速施工。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，在地質不良地段也可以使用。③雙側壁導坑法又稱眼鏡工法，該方法因分割斷面細，能確保掌子面的穩定和有效控制隧道周邊的松弛范圍。超前的導坑能探明前方的地質情況，遇到不良地質時可在開挖前采取預防措施，但當地質變好時改變工法困難。另外因開挖斷面小，大型機械適用受限，施工條件差。該方法多用于城市地下工程，對地表沉降要求嚴格的工程以及不良地質地段。施工中與上半斷面臺階法、中壁法互換困難，隧道全長均采用同一方法，開挖效率低。

3 過程設計方法

過程設計方法的基本思想為：根據施工開挖步驟，將隧道斷面分成幾個單獨的小洞室；基于一定規則簡化各個小跨度洞室，得到各自的幾何參數，并分別求得各小洞室的松動壓力；最后在各小洞室的基礎上，通過規律組合得到總設計荷載并進行隧道設計。過程設計方法體現了系統科學內容，即將隧道作為一個整體，其開挖步驟視為整體中的要素；在按照基本假設和抽象的基礎上，對各個要素進行分析和研究，并最終實現對隧道整體的研究，從而得到隧道整體的力學特征和荷載模式。它體現了系統科學中的由總到分，再由分到總的設計原則。過程設計方法重點考慮了隧道施工過程的影響，更加符合實際情況。

4 現場監控試驗

過程設計方法的核心問題是要尋找隨開挖過程的松動區范圍發展規律。本文通過某隧道現場試驗來分析施工過程中動態松動區范圍的發展規律。該隧道在 K5+870 斷面埋入3套地表預埋式多點位移計，其中第 2、3 套數據有效。該斷面圍巖主要為全～強風化花崗巖，是 V 級圍巖向 IV 級圍巖的過渡段。隧道開挖工序依次為：（1） 左導洞上臺階開挖，（2） 右導洞上臺階開挖，（3） 右導洞下臺階開挖，（4） 左導洞下臺階開挖，（5） 核心土上臺階開挖，（6） 核心土下臺階開挖。

5 過程設計方法的應用建議

過程設計方法是針對大斷面隧道提出的，在應用過程設計方法計算松動荷載時，要注意以下幾個方面的問題：

（1）過程設計方法適用于求解圍巖條件較差，能夠產生松動壓力或松動荷載的情況。

（2） 采用過程設計方法計算時，應注意對開挖方法進行合理的簡化和抽象。

（3） 過程設計方法的應用中引入了影響系數η ，它是一個經驗值，由專家或經驗豐富的設計人員確定，與圍巖條件、開挖洞室的幾何尺寸等因素有一定的關系。

（4） 采用過程設計方法時，可以從新的角度對一些問題進行討論和解答。例如，以松動荷載為目標函數，認為荷載最小即為最優，則能夠獲得相同條件下最優的開挖方法和開挖順序，能夠得到相同條件的某一開挖方法下的最優開挖幾何尺寸。

6 過程設計方法與狀態設計方法的聯系與區別

狀態設計方法與過程設計方法兩者之間具有一定的聯系。

（1） 狀態設計方法的荷載計算公式是過程設計方法的基礎和前提。普氏理論、公路隧道設計規范等方法為一次開挖計算公式，屬于狀態設計方法范疇。過程設計方法在計算小洞室的松動荷載時，需要采用普氏理論、公路隧道設計規范等方法進行計算。

（2） 過程設計方法在一定程度上包含了狀態設計方法。過程設計方法注重每一步開挖過程的分析和計算；而每一步驟的計算歸根結底就是一個狀態設計過程。例如，當隧道的開挖方法簡化為一次開挖時，過程設計方法即簡化為狀態設計方法。

7 結論

（1） 隧道設計荷載與施工工序有關。在一定程度上，每個工序的開挖受到相鄰工序的影響，但其影響程度不大；每個工序可以認為是一個獨立的小洞室隧道，并可由規范或普氏理論等求得。

（2） 建立了過程設計方法的計算公式。給出了三導洞開挖方式下，基于普氏和泰沙基公式的總垂直均布荷載公式。并在同濟曙光有限元軟件平臺下開發了過程設計方法模塊。

（3）通過將過程設計荷載計算值與實測荷載對比表明：實測的松動壓力整體上小于過程荷載計算值，過程荷載計算方法具有一定可靠性和實用價值，可作為過程設計方法的基本依據。

（4） 過程設計方法與狀態設計方法既有區別又有聯系。過程設計方法在計算小洞室的松動荷載時，需要依賴普氏理論等傳統的狀態設計方法。兩者的本質區別在于：狀態設計方法為靜態設計，過程設計方法則體現了動態設計的概念。當隧道的開挖方法簡化為一次開挖時，過程設計方法即簡化為狀態設計方法。

參考文獻

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