公路隧道設計階段的問題與對策研究

岳林博

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，西安710075）

1 引言

目前，隨著國民經濟的快速發展，公路修建質量已經成為整個社會關注的焦點。對此，承擔我國公路隧道修建設計主要責任監管與施工部門必須以規范化施工與設計為基本要求，通過對地質環境、地理位置、施工技術、設計水準的優化，為我國公路隧道修建躋身國際行列奠基鋪路。本文重點就我國公路隧道施工與設計的具體方法開展了深入的研究，以期為提升我國公路隧道工程的質量提供指導。

2 公路隧道設計的原則

公路隧道設計的原則主要表現在6個方面：（1）公路隧道設計必須要嚴格按照國家的設計規范和要求來進行，確保設計的科學性和規范性。（2）隧道洞口需要設置洞門，洞門的結構不受外在因素的限制，可以采用臺階式、柱式或者是端墻式。無論采用哪種設計形式，隧道洞門都需要結合公路隧道工程的實際情況以及洞門所處位置的環境和地質特點。對于諸多特殊情況，諸如在車站、景區等地域修筑隧道時，具體的施工設計則必須關注洞門的實用性、觀賞性，以達到建筑與環境和諧搭配的發展需要。（3）如果遇到隧道等高線與中線相交的情況時，隧道洞口結構可設計為斜交式。（4）設計隧道內部輪廓，應盡量做到規范設計，要求設計要素齊全，對應的排風、照明、通風、排水等符合要求標準。（5）設計公路隧道施工圖時，必須嚴格參照具體規范標準。（6）必須加強對于公路隧道的監控檢測的設計。

3 公路隧道設計存在的問題

3.1 公路隧道建設中圖紙設計存在的問題

當前，公路隧道設計與公路隧道勘查分別由設計單位與勘查單位2個不同的部門各自進行。一些設計單位的設計人員與勘察人員缺乏溝通，又缺乏責任心，在沒有認真研究勘察資料的情況下憑經驗想當然地進行設計，導致圖紙出現問題。還有一些設計人員不清楚施工單位的施工能力、施工技術，設計出的圖紙標準過高，缺乏可操作性，在實際施工過程中難以實現【1】。

3.2 沒有充分考慮地下水因素

進行公路隧道設計，不僅需要研究圍巖各項參數（包括圍巖的密度、質量、彈性、泊松比等），還需要認真研究地下水對施工可能造成的影響。從公路隧道施工的實際情況來看，地下水是造成隧道病害的重要原因。但令人遺憾的是，當前國內公路隧道設計只關注圍巖，常常忽視了地下水這一因素，導致圖紙設計淪為紙上談兵。

4 做好公路隧道設計的對策

4.1 掌握公路隧道設計的特點

地面結構工程在平地上進行施工，形成工程結構后，依靠結構自身承受各種荷載（這些荷載多為靜力荷載或動力荷載，對工程結構的影響較小）；而公路隧道工程需要在巖土體中進行施工，在整個施工過程中都必須承受來自巖土體的巨大荷載，在施工結束后才能形成隧道工程結構。此外，巖土體各個位置的巖性、圍巖級別、圍巖風化程度、單軸飽和抗壓強度、斷層厚度、節理、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，在施工過程中，工程荷載還可能發生較大的變化。因此，設計人員必須主動研究各種不確定因素，綜合考慮各種意外情況，在此基礎上進行隧道公路的計算與設計。設計人員必須主動學習發達國家公路隧道設計的各種方法（如收斂約束法、CURTIS法、MUIR WOOD法），并嘗試在公路隧道設計中應用這些方法。在條件允許的情況下，設計人員應使用人工智能、大數據技術對勘查資料進行詳細分析研究，并在此基礎上進行公路隧道設計。

4.2 使用應用型軟件進行公路隧道設計

在公路隧道設計中使用先進的應用型軟件，可以有效提升公路隧道設計的效率，并及早發現公路隧道設計中存在的問題。這些應用型軟件的種類很多，功能各異，各有其自己的應用適應范圍。如：

1）FLAC軟件，采用差分法，可以處理大變形，計算維數為2D、3D，適應巖土工程要求。

2）ANSYS軟件，采用有限元法，可以處理大變形，計算維數為2D、3D，適應巖土工程要求。

3）FINAL軟件，采用有限元法，可以處理大變形，計算維數為2D、3D，適應巖土工程要求。

4）3DEC軟件，采用離散元法，可以處理大變形，計算維數為3D，適應巖土工程要求。

5）UDEC軟件，采用離散元法，可以處理大變形，計算維數為2D，適應巖土工程要求。

6）GEOFBA軟件，采用有限元法，可以處理大變形，計算維數為2D，適應巖土工程要求。

7）ABAQUS軟件，采用有限元法，可以處理大變形，計算維數為2D、3D，不適應巖土工程要求。

8）MSC.MARE軟件，采用有限元法，可以處理大變形，計算維數為2D、3D，不適應巖土工程要求。

以上這些應用型軟件需要設計人員根據隧道設計的具體要求靈活選用。

4.3 采用新奧法進行公路隧道設計、施工

公路隧道設計中最大的問題是設計人員辛辛苦苦設計出來的圖紙不符合現實的實際情況。因此，人們應當考慮：采用新奧法進行公路隧道的設計、施工。新奧法充分應用巖體力學原理，在開挖作業中盡量采用光面爆破、預裂爆破，并盡可能采用大斷面開挖，最大限度地減少開挖對圍巖的擾動。而后根據圍巖特征，采用不同的支護類型（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構，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，對圍巖與支護進行不間斷的現場監測，向設計單位及時反饋圍巖-支護體的力學動態及其變化信息，來指導隧道工程的設計與施工。

采用新奧法，需要根據圍巖的具體情況來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計斷面一次性開挖成型，然后進行修筑襯砌。全斷面開挖法采用移動式鉆孔臺車，沿全斷面進行一次性鉆孔，并進行裝藥連線，然后進行起爆作業，一次性爆破成型。清除石渣、土渣后鉆孔臺車再推進到開挖面進行下一輪鉆孔、爆破作業。采用全斷面法施工速度快，施工效率高；但使用全斷面法時，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。進行分部開挖，又可采用如下方法：（1）臺階分部開挖法；（2）單側壁導坑法；（3）雙側壁導坑法。采用分部開挖法可以減小各個坑道的跨度，有利于增強圍巖的相對穩定性，并有利于提前探明地質情況。

4.4 做好隧道襯砌設計

通常情況下，隧道襯砌的主要結構基本包括2種形式：一種是明洞襯砌、淺埋式襯砌；另一種是深埋斷復合式襯砌。就隧道襯砌結構設計的具體效果而言，襯砌結構方式的選擇，將直接影響隧道襯砌設計的質量與效果。因此，在具體襯砌方式選擇時，必須以當地圍巖地質的條件情況及施工的實際需求為標準，通過綜合考量進行具體選擇。目前，在隧道襯砌結構施工時，基本都采用新奧法實施隧道襯砌結構施工。對于圍巖地質較差的地段，在設計時還需要將襯砌進行適當的延長，并且要在特定的位置設置相應的加強斷襯砌，以此來保證襯砌的穩定性。選擇襯砌材料時一般選用鋼筋混凝土材料【2】。

5 結語

當前，國內公路隧道設計雖然取得了一定的成績，但也存在著許多問題。因此，設計人員必須提高自己的責任心，必須詳細研究勘查資料，主動運用先進的應用軟件與先進的設計-施工方法來進行隧道設計，從而提升公路隧道設計水平，為國內公路隧道建設做出應有的貢獻。