浅谈公路隧道设计技术的现状和展望

边向华

【摘要】隧道施工由于地处环境特殊，施工机械、材料及设备都要在施工前做好充分的准备工作，否则就会影响施工效率甚至有安全事故的发生，所以隧道施工做好组织设计与施工管理具有不可忽视的重要作用。随着我国公路建设的快速发展，特别是高速公路建设进入山区后，修建了越来越多、越来越长的公路隧道。

【关键词】公路隧道；设计；施工；

1 关于短隧道的定义

关于公路短隧道的定义，按现有JTG D70—2004公路隧道设计规范规定，500m以下为短隧道，代替了原来的250m以下为短隧道。这个改变主要基于以下因素的考虑：

1）人们对公路隧道的认识在发生变化。随着我国公路建设特别是高速公路建设的突飞猛进，公路隧道数量越来越多，公路隧道的修建长度越来越长，如华蓥山隧道长4706m，海拔2200m的二郎山隧道长4160m，秦岭18 km特长隧道。人们对公路隧道的认识由陌生到了解，在不断加深的认识中，人们对公路隧道的观念也在发生变化。如在20世纪80年代修建成渝高速公路时，认为3000 m 以上的隧道非常困难，而现在对山区高速公路上3000 m左右的隧道修建认为也不很难。无论是隧道的建设管理者，还是设计者，对隧道的接受能力都在提高，同样对短隧道的接受长度也在增加。

2）400m--500 m以内的隧道，设施简单，通风单一，照明按正常设计进行，从定性到定量的角度可以视为短隧道。

3）根据《公路隧道设计规范》，800 m 以上的公路隧道需设置车行横通道，横通道的间距为400m--500m，也就是说，左右线隧道约500 m就应有一处车行横通道。当隧道长度小于500 m时，洞外就可设置两线之间的洞外联系道，保证了车辆的调头、换道。

2 国内外概况和发展趋势

2.1 大跨度公路隧道设计概况

在大跨度公路隧道设计方面，目前国内外多采用以新奥法理论为基础的复合式衬砌结构，先进的设计方法与技术问题则主要集中在其断面形式、尺寸规格、工程措施等方面。由于三车道公路隧道的断面面积和跨度均较大，且在其形式上具有鲜明的特点，由此引发了诸多的相关工程问题（例如施工方法、围岩稳定、工程措施与工程造价等），使得三车道公路隧道设计长期以来没有一个较为明确、系统的规范作指导，各设计单位在设计其断面形状、尺寸选取、工程措施等方面差异较大。

2.1.1 大跨度公路隧道设计断面形式

综观国内外大跨度公路隧道，目前大多采用以下两种断面形式：

1）坦三心园断面形式。

对于大跨度公路隧道而言，在保证满足建筑界限的基础上，适当降低高跨比（即高度与跨度的比值）就能够大大地减少断面开挖面积，并减少工程建设造价，从而节约大量的投资；但与此同时，高跨比的减少则对扁坦状隧道支护衬砌结构体系的受力状况会产生不利的影响，严重时可直接危及隧道围岩和结构的稳定性与安全性，因而设计中需兼顾到多方面的综合效应。

2）单心园断面形式。

相对三心园断面形式而言，单心园的断面面积通常要大一些，这就意味着其有较大的开挖面积（即会增加相应的工程量和建设成本）。但是，通过有限元仿真数值模拟和综合分析研究，认为单心园断面形式的洞室受力分布状态、围岩位移大小、塑性区分布范围以及施工控制难易程度、运营通风效果等诸多方面与坦三心园曲边墙断面形式的洞室尚有比选价值。

2.1.2 大跨度公路隧道设计断面尺寸

目前，对国内外已建成的大跨度公路隧道的设计断面尺寸规格相比较，可以发现：同为大跨度公路隧道，其断面设计尺寸规格差异较大，有的断面净空面积相差可达10 m2～15 m2，开挖断面积差别就更大；各个隧道高跨比也都不一样，但大多集中在0.6左右。

2.1.3 大跨度公路隧道设计现状

目前，国内外大断面公路隧道的工程措施还存在一些差别。在初期支护方面，国外较多地应用钢拱支撑，而国内则钢拱支撑和钢筋格栅拱架都有，设计人员个体差别较大，在围岩类别较低时采用钢拱支撑较多。

2.2 大跨度公路隧道施工方法现状

大跨度公路隧道开挖跨度较大，同时要考虑到复杂的工程地质条件、断面几何特性、施工条件、防排水、工程措施与围岩稳定性要求以及工程建设成本、工期等一系列因素。结构及其受力条件均较两车道隧道复杂，加上施工期间诸多工序的相互影响、围岩的多次扰动以及支护衬砌相互之间的非同步施工等诸多因素，故更易发生围岩失稳和隧道结构开裂与破坏等现象。目前，国内外为此都加强了大跨度公路隧道的施工管理，注重加强光面爆破、锚喷支护、监控量测、及时反馈分析这四大信息化施工动态控制关键技术的落实，以确保大跨度公路隧道围岩与隧道结构体系的稳定。

3 今后的展望

对于隧道，尽管对设计方法进行了研究，也还是难以令人满意。例如“山岭隧道的设计”（矿山法）， 难以采用计算法， 其原因是不能准确地推定地基常数及外荷重，或施工时不能确定隧道与地基的相互作用。以下从这点出发，展望今后设计。技術柏发展对于矿山法，初步设计时，在可能的范围内引用台理的计算方法是一个课题。对比， 必须发展地基常数的推定等地质勘探技术。在小范围内能直接地求出地基常数的原位测试法的改进、用于大范围调查的浅层反射法和电胆摄像等改变了目前常用的折射法和调查费用，希望进一步加强研究开发。

作为力学模型，可考虑采用弹性支承环或有限元。把有限元法应用于深埋隧道， 应力释放率作为100%进行设计时，计算q 应考虑岩体的成拱作用，同时要以一定的精度确定应力和位移，采用反算法来确定地基常数的研究正在进行。

此外，在建设深埋隧道时都要采取防水措施（防水设计），为此，必须解决对透水性差的地层如何进行工程评价及地下水压力的评价问题。对城市浅埋燧道，防止地表沉降的设计方法今后也更加重要。

具体地说，若隧道内空变位仅为数毫米，隧道在力学上属于稳定状态时，有两种方法可以考虑。第一种方法考虑的是，为使隧道力学上稳定，只要支护结构稳定即可； 第二种方法认为，从有效地利用围岩自身支护机能出发，必须使支护结构和围岩都稳定才行。

对于因容许有大松动而导致隧道域围岩整体破坏，其结果使隧道土压力急增的情况，因为在此之前即应发现支护结构明显的变形，故这种仅受上述松石荷载作用的隧道，只要支护结构稳定则隧道也稳定安全；至于受推挤压力作用的另一类隧道，因为现有技术在多数情况下还难于推定最后作用的土压力大小，为了控制围岩力学强度不致降低，也有通过稳定围岩来判断隧道支护结构稳定性的方法。

无论采用哪种方法，都必须在今后的实践中验证其可靠性。总之，对于要求在所有情况下都保证围岩稳定，其设计是否安全而又经济实用，还有待进行大量的调查研究工作。

总之，在公路隧道建设中秉着施工之根本和设计之灵魂，勘察是基础。勘察设计人员应当先按照现行的标准、规范、规程和技术条例，进行工程测量、勘测工程地质和水文地质等勘察工作。设计人员应严格遵守强制性条文，根据该地区实际地质特征，综合考虑施工工艺，设计出安全经济符合要求的隧道。施工人员运用优良的施工机械，合理的施工工艺将隧道顺利完工。

参考文献：

[1]《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011）.

[2]白云.公路隧道安全等级评价方法研究[D].重庆交通大学，2008

[3]杨承洞，刘学增.塔岭头隧道进洞施工监控量测[J].山西建筑，2006，32（13）：60—61.

[4]徐猛，宫风强，张伟.蓖麻谈连拱隧道开挖施工方法的探讨[J].山西建筑，2006，32（1）：54—55.