公路隧道結構設計方案與工程經濟的優化

高亮

摘要：2016年，我國高速公路通車里程就已經超過13萬公里，公路隧道的數量與長度也隨之大幅增加，特別在山區道路，數千米長的超長隧道已經屢見不鮮。本文首先對我國的公路隧道發展進行介紹，然后從理論、實施和優化展開介紹隧道設計的主要方法，最后對幾種不同的施工開挖工法進行探索。

關鍵詞：公路隧道;結構設計方案;工程經濟;優化

1公路隧道

在改革開放后，我國的高速公路建設發展極為迅速，截止2016年，我國高速公路通車里程就已經超過13萬公里，公路隧道的數量、最大長度和海拔高度也不斷被刷新。作為高速公路穿越山區及重要地面構筑物區域的常見結構形式，隧道一方面避免了地形起伏的繞路現象，有效縮短道路里程，優化行車體驗，另一方面可以減少土地的占用，減小道路建設和運營對周邊環境的影響，有利于當地經濟發展和環境保護。伴隨著隧道規模的不斷擴大，我國隧道工程建設技術在不斷取得進步。上世紀五六十年代是新中國隧道建設的起步時期，當時為了實現山區居民交通出行和戰備需要，國家重點投資建設一批山區公路和隧道，但是受到技術條件的限制，隧道的設計和運營標準較低。到了二十世紀末期，我國已有多條長度達到數千米的超長公路隧道，在設計和運營標準上也有很大提高。在建設過程中，我國也學習了許多發達國家在公路隧道建設上的先進技術，例如隧道盾構開挖、運營照明優化以及自動控制技術、雷達監控系統等，這些技術的吸收和使用進一步提升了我國隧道建設和運營水平。到了二十一世紀的今天，我國已經成為隧道建設大國與強國，高海拔隧道和海底隧道建設也已成為現實，隧道結構設計及施工作業中的相關技術已經相當成熟。

2設計方法

2.1設計理論

在公路隧道設計中，設計理論和相應的計算方法是確保隧道結構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。隨著人們對于隧道結構和地層相互作用的認識不斷深入，隧道設計理論也經歷了多個發展階段。（1）剛性結構。在十九世紀的時候，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，計算理論主要為壓力線理論。這一理論認為，地下的拱形結構會受到來自于地層的荷載，當起狀態達到極度平衡狀態時，其拱形結構會變為絕對剛性的三鉸拱靜定體系。該理論計算方法以靜力學原理為主，但由于對地下結構受力缺乏明確了解，出于安全考慮，壓力線理論的計算結果較為保守，襯砌厚度較大。（2）彈性結構。直到十九世紀后期，隧道工程開始使用混凝土以及鋼筋來建造，地下結構整體性得到增強，彈性結構理論就開始出現在地下結構計算中了。在計算過程中除了考慮地層壓力，還增加了地層對結構產生的彈性反力的約束作用。由于地下結構與圍巖緊密接觸，巖體壓力作用導致結構發生彈性變形的同時，也會對結構產生約束作用力，即為彈性反力。這在計算過程需對彈性反力在襯砌結構上的作用范圍和大小進行假設，根據假設方法的不同，該階段的計算理論可分為初期的假定彈性反力階段和更為進步的彈性地基梁階段。（3）連續介質。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，按照結構力學的思路去進行隧道設計和分析。隨著技術的進步和巖土力學的發展，工程師們逐漸認識到圍巖自身承載力的存在，而不僅僅是一種外部荷載，當巖體因開挖發生變形時，圍巖壓力由巖體和支護結構共同承擔，因為，在計算中要將巖體和支護結構做為一個整體進行考慮。這一發現為現代隧道設計理論發展打開了新的大門，圍巖成為了承受巖體荷載的主體，支護結構與其共同發揮作用，圍巖承載理論成為當今隧道工程發展的重要理論，而以利用圍巖自身承載能力為設計思路的新奧法也得到大面積推廣使用，成為當今隧道設計的主要方法。

2.2設計優化

在進行隧道設計時，通常要通過地勘報告等資料，對邊界條件、材料參數、巖土體性質等進行確定，并獲得一系列定值用于計算分析。但在實際情況中，隧道結構與巖體之間的相互作用存在離散性和變異性。即使是同樣評級的圍巖，其與支護結構相對位置不同，所產生的力學效果也不相同。而隧道進行開挖時，巖體本身會受到擾動影響，其特性與地勘資料所呈現的參數就發生了變化，因此，隧道設計過程中所面臨的很多問題是存在明顯隨機性的變量，受到巖體本身性質、所用材料性能等影響，這些變量的變化范圍是有界，可以通過一定方法進行模擬分析，確定其范圍及影響，使隧道設計的準確性和可靠性得到提升，實現設計優化。近年來，通過結合有限元、結構可靠度等多種理論，我國開始嘗試在襯砌裂縫設計、巖爆預測等方面進行隨機有限元分析，確定有關因素在實際情況下的變化范圍，作為設計依據，目前已取得一定成果，若要進行推廣與大規模運用，還為時尚早。雖然隧道工程隨機性方面的研究尚處于初步階段，由于其相比于以往的設計理論更貼合實際，具有更高準確性，因此也成為隧道設計方法優化的重要方向。此外，在保證結構安全的基礎上，還應從隧道建設各個環節來統籌分析設計方案、實際環境、施工條件及運營需要之間的相互影響。例如，公路隧道通常位于山區，設計時需考慮到現有道路的運輸條件、山體土層和巖層的地質情況、周邊原材料供應等，在線路走向、材料選擇等方面進行比選和優化。保證施工的可行性、方便性以及安全性。此外，防潮也是隧道建設的一大問題，需根據當地地下水體分布范圍、水質特點、結構形式等方面，合理設置隧道防潮措施，既不過度使用導致成本升高，同時又能滿足工程相關要求，保證隧道運營期間的安全和穩定。

3開挖方式探究

開挖是隧道施工的第一步，也是危險性最大的一步。開挖方式選擇不當，極易引起巖土體坍塌，造成人員傷亡和財產損失，在隧道建設的發展過程中，基于對地層受力情況的認識加深和各種事故帶來的經驗教訓，工程人員針對不同地質情況和施工條件，創造出了多種開挖工法，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，通常用于穩定性較差的地層施工。該方法首先進行拱部斷面的開挖工作，以便于實現頂部圍巖的支護，隨后，在該基礎上進行下部斷面的開挖工作，同時開展邊墻的砌筑工作。由于在實現邊墻開挖工作之前首先需要支承好拱頂部分，因此稱為先拱后墻法。在具體施工過程中，第一步要做的，是挖出兩個導坑，以便于進行上部斷面開挖作業中，可以將石渣及時運出，提升工作效率。如果施工的隧道比較短，同時巖層比較干燥，僅僅實現上導坑的施工也開始進行工作開展，在實現該部分施工時，為了提升施工效率，可以在完成上半部分斷面的施工后，再開展下一步工作，該方法在部分些跨度比較大的洞室也同樣適用，具有較大的應用價值。

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。由于挖鑿斷面會出現的蘑菇形狀，因此得名蘑菇形法。這種方法結合了其上兩種方法的優點，因此可以根據地質穩定性的好壞來進行施工上的調整，極其便利。同時，也減少了作業中一些材料的使用，使得施工的速度有了提升，因此在大規模的公路隧道建造中這也是經常會用到的一種方法。

結語

本文主要是分析與總結隧道優化的問題，根據實際的優化方法，對工程中的各項參數進行對比分析，提出該隧道的最終優化方案，為以后類似隧道工程提供參考。對于今后的隧道建設有以下建議：本文中提及的各項優化方法還需實際驗證，且需考慮的隧道斷面類型單元，應分析更多的斷面形式，增加優化潛力。

參考文獻：

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（作者身份證號碼：320925198901220017）