公路隧道结构设计方案与工程经济的优化

邹鹏程

摘 要：2016年，我国高速公路通车里程就已经超过13万公里，公路隧道的数量与长度也随之大幅增加，特别在山区道路，数千米长的超长隧道已经屡见不鲜。本文首先对我国的公路隧道发展进行介绍，然后从理论、实施和优化展开介绍隧道设计的主要方法，最后对几种不同的施工开挖工法进行探索。

关键词：公路隧道；结构设计方案；工程经济；优化

1公路隧道

在改革开放后，我国的高速公路建设发展极为迅速，截止2016年，我国高速公路通车里程就已经超过13万公里，公路隧道的数量、最大长度和海拔高度也不断被刷新。作为高速公路穿越山区及重要地面构筑物区域的常见结构形式，隧道一方面避免了地形起伏的绕路现象，有效缩短道路里程，优化行车体验，另一方面可以减少土地的占用，减小道路建设和运营对周边环境的影响，有利于当地经济发展和环境保护。伴随着隧道规模的不断扩大，我国隧道工程建设技术在不断取得进步。上世纪五六十年代是新中国隧道建设的起步时期，当时为了实现山区居民交通出行和战备需要，国家重点投资建设一批山区公路和隧道，但是受到技术条件的限制，隧道的设计和运营标准较低。到了二十世纪末期，我国已有多条长度达到数千米的超长公路隧道，在设计和运营标准上也有很大提高。在建设过程中，我国也学习了许多发达国家在公路隧道建设上的先进技术，例如隧道盾构开挖、运营照明优化以及自动控制技术、雷达监控系统等，这些技术的吸收和使用进一步提升了我国隧道建设和运营水平。到了二十一世纪的今天，我国已经成为隧道建设大国与强国，高海拔隧道和海底隧道建设也已成为现实，隧道结构设计及施工作业中的相关技术已经相当成熟。

2设计方法

2.1设计理论

在公路隧道设计中，设计理论和相应的计算方法是确保隧道结构合理与安全的重中之重，也是后期影响施工方案制定的重要因素。随着人们对于隧道结构和地层相互作用的认识不断深入，隧道设计理论也经历了多个发展阶段。（1）刚性结构。在十九世纪的时候，地下建筑物通常采用石砖等刚性材料砌筑，断面通常为拱形，计算理论主要为压力线理论。这一理论认为，地下的拱形结构会受到来自于地层的荷载，当起状态达到极度平衡状态时，其拱形结构会变为绝对刚性的三铰拱静定体系。该理论计算方法以静力学原理为主，但由于对地下结构受力缺乏明确了解，出于安全考虑，压力线理论的计算结果较为保守，衬砌厚度较大。（2）彈性结构。直到十九世纪后期，隧道工程开始使用混凝土以及钢筋来建造，地下结构整体性得到增强，弹性结构理论就开始出现在地下结构计算中了。在计算过程中除了考虑地层压力，还增加了地层对结构产生的弹性反力的约束作用。由于地下结构与围岩紧密接触，岩体压力作用导致结构发生弹性变形的同时，也会对结构产生约束作用力，即为弹性反力。这在计算过程需对弹性反力在衬砌结构上的作用范围和大小进行假设，根据假设方法的不同，该阶段的计算理论可分为初期的假定弹性反力阶段和更为进步的弹性地基梁阶段。（3）连续介质。以上两种理论都把围岩做为一种外部荷载，是基于松弛荷载理论，按照结构力学的思路去进行隧道设计和分析。随着技术的进步和岩土力学的发展，工程师们逐渐认识到围岩自身承载力的存在，而不仅仅是一种外部荷载，当岩体因开挖发生变形时，围岩压力由岩体和支护结构共同承担，因为，在计算中要将岩体和支护结构做为一个整体进行考虑。这一发现为现代隧道设计理论发展打开了新的大门，围岩成为了承受岩体荷载的主体，支护结构与其共同发挥作用，围岩承载理论成为当今隧道工程发展的重要理论，而以利用围岩自身承载能力为设计思路的新奥法也得到大面积推广使用，成为当今隧道设计的主要方法。

2.2设计优化

在进行隧道设计时，通常要通过地勘报告等资料，对边界条件、材料参数、岩土体性质等进行确定，并获得一系列定值用于计算分析。但在实际情况中，隧道结构与岩体之间的相互作用存在离散性和变异性。即使是同样评级的围岩，其与支护结构相对位置不同，所产生的力学效果也不相同。而隧道进行开挖时，岩体本身会受到扰动影响，其特性与地勘资料所呈现的参数就发生了变化，因此，隧道设计过程中所面临的很多问题是存在明显随机性的变量，受到岩体本身性质、所用材料性能等影响，这些变量的变化范围是有界，可以通过一定方法进行模拟分析，确定其范围及影响，使隧道设计的准确性和可靠性得到提升，实现设计优化。近年来，通过结合有限元、结构可靠度等多种理论，我国开始尝试在衬砌裂缝设计、岩爆预测等方面进行随机有限元分析，确定有关因素在实际情况下的变化范围，作为设计依据，目前已取得一定成果，若要进行推广与大规模运用，还为时尚早。虽然隧道工程随机性方面的研究尚处于初步阶段，由于其相比于以往的设计理论更贴合实际，具有更高准确性，因此也成为隧道设计方法优化的重要方向。此外，在保证结构安全的基础上，还应从隧道建设各个环节来统筹分析设计方案、实际环境、施工条件及运营需要之间的相互影响。例如，公路隧道通常位于山区，设计时需考虑到现有道路的运输条件、山体土层和岩层的地质情况、周边原材料供应等，在线路走向、材料选择等方面进行比选和优化。保证施工的可行性、方便性以及安全性。此外，防潮也是隧道建设的一大问题，需根据当地地下水体分布范围、水质特点、结构形式等方面，合理设置隧道防潮措施，既不过度使用导致成本升高，同时又能满足工程相关要求，保证隧道运营期间的安全和稳定。

3开挖方式探究

开挖是隧道施工的第一步，也是危险性最大的一步。开挖方式选择不当，极易引起岩土体坍塌，造成人员伤亡和财产损失，在隧道建设的发展过程中，基于对地层受力情况的认识加深和各种事故带来的经验教训，工程人员针对不同地质情况和施工条件，创造出了多种开挖工法，具体主要有以下几种。

3.1先拱后墙法

这种方法也叫支撑顶拱法，通常用于稳定性较差的地层施工。该方法首先进行拱部断面的开挖工作，以便于实现顶部围岩的支护，随后，在该基础上进行下部断面的开挖工作，同时开展边墙的砌筑工作。由于在实现边墙开挖工作之前首先需要支承好拱顶部分，因此称为先拱后墙法。在具体施工过程中，第一步要做的，是挖出两个导坑，以便于进行上部断面开挖作业中，可以将石渣及时运出，提升工作效率。如果施工的隧道比较短，同时岩层比较干燥，仅仅实现上导坑的施工也开始进行工作开展，在实现该部分施工时，为了提升施工效率，可以在完成上半部分断面的施工后，再开展下一步工作，该方法在部分些跨度比较大的洞室也同样适用，具有较大的应用价值。

3.2蘑菇形法

这是一种混合了先拱后墙以及漏斗棚架法两种施工方式的方法。由于挖凿断面会出现的蘑菇形状，因此得名蘑菇形法。这种方法结合了其上两种方法的优点，因此可以根据地质稳定性的好坏来进行施工上的调整，极其便利。同时，也减少了作业中一些材料的使用，使得施工的速度有了提升，因此在大规模的公路隧道建造中这也是经常会用到的一种方法。

结语

本文主要是分析与总结隧道优化的问题，根据实际的优化方法，对工程中的各项参数进行对比分析，提出该隧道的最终优化方案，为以后类似隧道工程提供参考。对于今后的隧道建设有以下建议：本文中提及的各项优化方法还需实际验证，且需考虑的隧道断面类型单元，应分析更多的断面形式，增加优化潜力。

参考文献

[1]尹修超.浅析公路隧道施工技术[J].江西建材，2017，（24）：167，169.

[2]何松.高速公路隧道施工技术及控制关键点探究[J].建材与装饰，2017，（44）：233-234.

（作者单位：中铁二院工程集团有限责任公司）