公路隧道设计过程中的问题探讨

2014-02-01茅文舟

中国科技信息 2014年9期

陈琦茅文舟

1.台州市交通勘察设计院，浙江台州 318000

2.台州市路桥区公路管理局，浙江台州 318050

近十年来，我国公路隧道的发展趋势迅猛，每年平均有七十万延米的隧道落成，随着大量实践经验的累积，我国公路隧道的设计水平也在蓬勃发展，丰富的勘察经验使得近几年来一大批高难度的科研项目和工程顺利进入实施阶段，在设计阶段制约我国公路隧道发展的技术瓶颈期已经初步度过，部分还达到了世界领先水准，同样在施工技术方面也有重大突破。我国在复杂的地质环境下以及非常规的隧道工程、高寒高原地区的隧道工程、黄土粘土地域的隧道工程等方面，均取得了长足的进步，在设计、施工、运营管理的方面也日趋成熟。在新材料和新工艺的研究和应用方面也进行了尝试，总体发展情况值得期待。但不可否认，过快的发展进程给公路隧道建设也遗留下了许多问题，特别是在设计方面，很多问题亟待解决，需要在日后的发展过程中逐渐完善。

1 公路隧道设计过程中存在的问题

目前我国公路隧道设计领域普遍采用了新奥法作为基本原理，结合工程经验与现场实际情况进行类比，充分考虑破损段的安全系数，最终得出结构验算结果，然后采用建模的方式模拟隧道的施工过程，运用有限元进行结构设计方面的分析和变形情况预测，建设过程中采用实际数据适时监控，分析安全系数和修正设计，采取施工措施保证工程顺利进行。多年的实践成果表明，和过去传统的方法相比，现行理论体系具备快速、便捷、安全、行之有效等优势，为我国交通基础设施的快速发展做出了重要的贡献，但仍然存在一些问题，主要集中在以下几个方面。

1.1 衬砌支护参数差别

新奥法提出把围岩与支护系统看作相互作用的一个整体，既发挥围岩的自承能力，又使支护起到加固围岩的作用的理论。在隧道的衬砌支护设计结构的分类主要参考工程类比，和隧道上的围岩分级有密切联系，对于不同的围岩，会采用不同的支护系数，结合实际地质水文条件进行精确的验算。但目前由于行业规范性有限，同一跨度的衬砌支护参数存在着不小的差异。这种差异出现的原因有很多方面。首先是受到设计单位总体技术水平参差不齐的影响，加上设计者的个人局限，导致对于围岩稳定性和支护作用的认识存在偏差。其次是地层岩石组成复杂繁琐，在不同的风化环境下，同种演示的物理受力参数也会存在差距，所以围岩的分级职能是定性为主，想要真正量化难度很大。最后则是隧道工程的地质勘察技术常会因为施工地点的特殊性受到局限，实际的地质情况在彻底挖开之前不能很好断定，因此也给量化提升了难度，使得隧道的结构设计难度增加。总的来讲，衬砌支护参数设计相差大和围岩级别围岩稳定性差异难以量化体现是设计方面存在的主要缺陷之一。

1.2 软弱围岩的施工问题

对于传统的新奥法而言，在施工问题上得不到重大突破的主要原因是不能解决软弱围岩快速施工和机械化两方面的问题。在施工过程中，软弱围岩的隧道主要用横纵切割和纵向台阶进行断面。在台阶法施工的过程中，虽然技术手段已经相对比较成熟，也是目前主流的施工方法，但施工单位对于工序繁琐、工期时间长、且大型机械不易参与的CD或者CRD法施工并不乐意采用，因此在一定程度上增加了事故的风险率。

1.3 支护结构耐久性方面的问题

《公路隧道设计规范》已对设计年限和使用耐久度做了规定，但是在实际设计施工过程中，衬砌结构如何进行耐久度方面的考量仍然是值得探讨和解决的问题。隧道的设计荷载很复杂，除了地质构造、岩性等因素外，地下水对围岩的稳定有重要影响。据对东南沿海地区混凝土隧道的破损程度、病害部位、主要病害进行了统计分析。早期的隧道普遍存在耐久性老化的现象，77%的隧道主要病害是渗漏水。按照传统的负荷式衬砌设计方式，首先应该保证支护的耐久性，这样才能使得隧道长期在安全的状态下运营。从目前公路隧道发展趋势来看，考虑到初期的耐久性，如果按照传统形式进行施工，就意味着初期支护要采用新材料和更加严苛的施工工艺，包括一切机械和配套设施，会大大增加工程成本，将工程推到成本和质量两难的境地中。

1.4 隧道衬砌结构的加固使用寿命问题

普通隧道在建成运营三到五年之后会出现不同程度裂缝和漏水现象。综合外部的荷载作用、材料退化程度和渗漏程度三个方面的情况，可以将隧道衬砌结构进行定性分级。在比较权威的专家眼中，隧道病害分级主要包括裂缝分级、渗漏分级、剥落分级、衬砌材料劣化分级、形变下沉分级以及冻害分级等。针对这些病害，分级方式往往是定性的，没有给出隧道病害分析或者隧道结构性能的辩证关系，无法确定定量，与此同时，对于一项工程而言，病害往往是多重并发的，具有一定的复杂性，因此对到结构的加固设计只能根据经验设计为主，对加固后的使用寿命不能进行明确的判断，仅仅单一的从材料加固的耐久性上体现，或各分局长期的观察和检测跟踪加固效果给予补偿。

2 针对涉及问题的应对措施

光面爆破、锚喷支护、监控量测是新奥法的三大要素。隧道现场监控量测是新奥法原理进行隧道设计和施工必不可少的手段。在施工中，应按设计要求加强量测，及时反馈，以便修正设计，指导施工。首先应该在部分关键工序上加大技术投入力度，进一步提升机械化程度。在部分关键的工序上应该尽快摘掉原始落后的帽子用钻孔车取代人工风枪，这样可以使得操作更加灵活，投入也相对比较理想。建议进行一次性投入大、周转存放不方便的大型钻孔机不能在短时间内得到推广的情况下，推动简易台车的发展进程，灵活的钻孔机在周边爆破方面能够有效弥补人力的缺陷，提升施工质量。其次在洞身开挖方面，应严格控制炮眼的深度、角度、间距以及用药量，并根据围岩情况及时修正钻爆参数，尽可能减少对围岩的扰动。要求开挖轮廓线成形规则，确保光面爆破质量。在选择合理的开挖方法时，既要根据不同的围岩级型，又要考虑初期支护的及时成环封闭。另外对软弱岩层还要及时的做好施工的二次衬砌。在设计方面，主要的对策有编制公路和隧道的标准图纸，必要时编制通用图纸，严格按照标准化设计进行。进一步研究好围岩稳定性与各客观因素方面的定量关系，捋顺支护措施在围岩稳定性中的比重，将施工设计信息化。推广新工艺，实现弱围岩的快速施工和机械化作业。采用强二衬的思路进行复合式衬砌结构的耐久性设计，研究好病害对于加固前后安全性的量化评估影响，掌握总结得到的方法。落实到实际操作中，要主抓分步工程在使用年限内的耐久性，喷混凝土、系统锚杆、钢架都要符合相应的要求，混凝土优先选用抗渗性能优良的耐腐蚀混凝土，锚杆也要具备耐腐蚀的性能。全长黏结型系统锚杆的锚固剂要选用耐腐蚀的砂浆或者树脂，钢架在施工过程中要注意对其保护层厚度的控制。