浅谈公路隧道施工与勘察设计

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　　 摘要：文章对公路隧道施工方法与，贯通控制测量与勘察、设计，等进行了介绍，并对掘进机法、盾构法和沉埋管段法等现代隧道修建方法的运用和技术进行了论述。
　　 关键词：公路隧道；勘察设计；隧道施工
　　
　　 随着国民经济的发展，公路隧道无论从数量或规模上都在不断增加。目前，航空勘测、遥感技术、物探技术、岩层中应力应变的量测技术、电子计算机技术等的广泛应用，使隧道勘测设计技术水平也有很大提高。水平钻探技术和预灌浆技术的不断提高，增强了隧道开挖过程的安全性。并能保证隧道工程的施工质量。
　　1 隧道勘察设计
　　1.1 隧道勘测
　　 前期踏勘为确定隧道位置、隧道类型、施工方案、环保和后期维护等提供技术依据，要对隧道所在地区的地貌、地质状况，以及地下水分布情况和水量等水文资料进行勘测。
　　 在隧道预设段落进行地质钻探调查过程中，须了解区域内围岩的类别。围岩对隧道整体稳定性、使用寿命和设计施工方案有决定性影响，可依据围岩的综合强度来选择隧道设计方案与施工方法。
　　1.2 隧道选线
　　 隧道位置的选择，直接决定了建设项目类型、工程造价、以及通车后的养护与安全运营。因此，在踏勘测量时，结合路线的基本走向，在深入调查的基础上，深入研究，权衡轻重。决定取舍。方案应综合考虑政治、经济、国防、环保及工程造价等因素进行论证，加以比选。通常当路线开挖深度超过30m时，就应进行隧道与深度开挖方案的比较。论证阶段不仅需考虑施工难度和施工成本，同时还需兼顾建成后运营及维护成本。
　　 隧道平面线形设计应与隧址两端路线线形相一致。在隧道起点、终点和中间控制点之间按选线原则找出本着路线最短，成本最低的通过点，将隧道作为一个基础控制点，发挥隧道线形在总体布线中的重要作用。在各控制点之间反复穿线、插点，结合具体地形地貌条件综合考虑平、纵、横三方面的合理安排，确定道路中线的位置，尽量避免高边坡的出现。
　　 确定隧址主要是要考虑地质条件，洞口位置，隧道长度。地质条件对隧址的选择起决定性的作用，只要地质条件较好，隧道加长也是可以的，隧道应按照“顾全大局，兼顾两头，能长则长”的原则确定隧道的长度。隧道能较好地解决克服高程、缩短路线长度、减少洞口两端接线的桥梁和路基规模。
　　 要根据线路标准、地形、地质等条件选定隧道位置和长度。选线应作多种方案的比较。长隧道要考虑辅助坑道和运营通风的设置。洞口位置的选择要依据地质情况。考虑边坡和仰坡的稳定，避免塌方。
　　1.3 纵断面设计
　　 沿隧道中线的纵向坡度要服从线路设计的限制坡度。纵坡形状以单坡和人字坡居多，单坡有利于争取高程，人字坡便于施工排水和出碴。
　　 隧道的平纵线形应顺应地形与隧道前后衔接的道路整体线形及当地环境景观协调一致。并考虑地质条件及场地对施工难易程度的影响。隧道避免设置平曲线的主要原因是线形和通风，当受地形、地质条件限制时宜采用不设超高的平曲线半径。实际上当采用大半径曲线时，对中短隧道的通风不会造成大的影响。
　　1.4 横断面设计
　　 隧道横断面由车道、左侧侧向宽度、右侧侧向宽度、检修道(或人行道或余宽)组成。
　　 隧道横断面即衬砌内轮廓，是根据不侵入隧道建筑限界而制定的(隧道标准净宽横断面见图1)。
　　
　　
　　1.5 辅助坑道设计
　　 辅助坑道有斜井、竖井、平行导坑及横洞四种。斜井是在中线附近的山上有利地点开凿的斜向正洞的坑道。斜井倾角一般在180一27。之间，采用卷扬机提升。斜井断面一般为长方形，面积约为8～14m2。竖井是由山顶中线附近垂直开挖的坑道，通向正洞。其平面位置可在铁路中线上或在中线的一侧(距中线约20m)。竖井断面多为圆形，内径约为4.5―6.Om。平行导坑是距隧道中线17～25m开挖的平行小坑道，以斜向通道与隧道连接，亦可作将来扩建为第二线的导洞。
　　 此外，隧道设计还包括洞门设计，以及开挖方法和衬砌类型的选择等。
　　2 隧道施工
　　2.1 隧道掘进
　　 隧道开挖是隧道施工的重中之重。工程的质量、进度、安全、效益等无不与之密切相关，开挖符合要求，支护才有一个顺利的保证基础。开挖方式可分为手掘式、半机械式及机械式。按挡土形式分敞开式，也叫明挖，其开挖面从隧道外能直接看得到。这种方式多用于浅埋隧道或城市铁路隧道；密闭式，不能直接看到开挖面，只能靠各种装置而间接地掌握开挖面，适用于通过高山的隧道。
　　2.1.1 超前地质预报
　　 开挖遇到最大困难是隧道围岩、地质构造、渗水等情况复杂多变，很难完全了解。为了及时掌握变化的情况，指导施工，就要重视测量和地质超前预报。在隧道开挖过程中，每前进lm都有可能出现新情况。所以超前预报就显得尤为重要，目前我们能够采用的地质超前预报手段有：打超前探孔法，地震波法和超声波探测法，也可以借鉴有经验的地质专家根据地貌特征，掌子面岩石产状，地质构造特征对前方地质情况的判断。
　　2.1.2 中线及高程控制
　　 在隧道进行中线测量以前。就要考虑将来隧道打通后的偏差数值。根据隧道的长度和平面形状，在地形图上先行布置测点的位置和预计的贯通点，并在平面图上量出必要的尺寸，再根据规范规定的极限误差试算出测角和量距的必要精度，然后进行测量。这个过程叫做测量设计或叫做隧道贯通误差的预计4km以下的隧道中线贯通极限误差为±lOOmm；4―8km的隧道中线贯通极限误差为±150mm。
　　 隧道高程数据的准确对控制建设规模至关重要，短隧道应用普通水平仪，长隧道应用精密水平仪即能保证需要达到的精度。高程贯通极限误差为±50mm。
　　 在隧道掘进过程中，及时对工程进行推进控制测量。通过控制测量，以测定隧道的纵向坡度、方向偏离等，来获悉隧道的掘进状态。
　　2.1.3 掘进方式
　　 全断面开挖法和分部开挖法是钻爆法开挖常用的方法，但隧道施工很复杂，时常遇到各种困难情况，如大断层、流沙、膨胀地层、溶洞、大量涌水等，尚需采取相应措施。
　　 盾构法是采用盾构作为施工机具的隧道施工方法。松软地质多采用盾构法开挖。盾构是一种圆形钢结构开挖机械，其前端为切口环，中间为支撑环，后端为盾尾。开挖时。切口环首先切入地层并能掩护工人安全地工作；支撑环是承受荷载的主要部分，其中安设多台推进盾构的千斤顶及其他机械；盾尾随着上述两部分前进，保护工人安装铸铁管片或钢筋混凝土管片。盾构法适用于松软地层，施工安全，对地层扰动少，控制围岩周边准确，极少超挖。
　　 掘进机法是在整个隧道断面上，用连续掘进的联动机施工的方法。普通型掘进机的前端是一个金属圆盘，以强大的旋转和推进力驱动旋转，圆盘上装有数十把特制刀具，切割地层，圆盘周边装有若干铲斗将切割的碎石倾入皮带运输机，自后部运出。机身中部有数对可伸缩的支撑机构，当刀具切割地层时。它先外伸撑紧在周围岩壁上，以平衡强大的扭矩和推力。掘进机法的优点是对围岩扰动少，控制断面准确，无超挖，速度快，操作人员少。优点是改善作业环境、减轻劳动强度、提高推进速度、缩短工期；不足是造价较高、需要大量设备配合、工作占地面积大。掘进机法施工对于短隧道或曲线半径小的隧道不太适合。
　　2.1.4 开挖的出土方式
　　 进行隧道开挖，就其出土而言，主要为隧道内的出土。当隧道较长，为加快进度，也有在垂直于隧道轴线方向，设竖井出土。
　　 在隧道轴线开挖时，出土方式：轨道式是隧道内常见的一种出土方法，轨道车是用蓄电池电瓶车，操作方便，成本低，电瓶车常用载重量在2～6t之间，配线可为单线、复线及三线等；胶带式是用胶带循环运转，能连续大量出土，费用低，工作方便，不足是不能运送材料；装载车式就是用铲车装土，汽车运输，这样效率高，但工作面大，废气排出多不利通风。

　　 从竖井向外出土分为：抓斗方式，是在竖井内设一个土坑或土斗，将开挖的土倒于斗内，再用抓斗抓上土提升出隧道出土；链盘提升机方式，是在提升塔两侧，用循环链并在其上装置盘状装土容器，当容器装满土后，连续不断地作水平或垂直运转，从而将土提升装车运走。
　　2.2 隧道支护
　　 隧道开挖后，为使围岩稳定，确保运营安全，需按一定轮廓尺寸建造一层具有足够强度的支护结构，这种隧道支护结构称为隧道衬砌。隧道洞身衬砌按新奥法原理，结合工程类比法设计。常用的衬砌种类有就地灌注混凝土类、预制块拼装、喷锚或单喷混凝土、复合式衬砌。
　　2.2.1 复合式衬砌
　　 复合式衬砌是在喷锚或单喷支护之后，再就地灌注～层混凝土，形成喷锚支护同混凝土衬砌结合的复合式衬砌结构。如遇有水地段可在两层支护间加挂一层塑料板或做其他防水层。
　　2.2.2 喷锚支护
　　 在隧道工程中，喷锚支护有可能取代构件支撑。喷锚支护的主要优点是支护及时，安全可靠，并能大量节约木材和钢材。欧洲一些国家在较弱地层的大断面爆破后，采用长锚杆结合喷混凝土做支护，已获得成功。中国亦曾在老黄土隧道开挖中使用喷锚支护。自喷锚支护发展后，对较弱岩层也可进行全断面开挖，以全断面开挖取代分部开挖。
　　 在岩石地层中采用全断面开挖及喷混凝土衬砌，其质量好坏首先取决于光面爆破。运用新奥法原理，考虑围岩自身承载能力，可在坑道爆破后初期支护以喷，锚，网为主要支护手段，喷混凝土采用湿喷工艺。I、Ⅱ、Ⅲ类围岩径向锚杆采用中空注浆锚杆，还增加了钢拱架或格栅钢架支护。辅助措施为在I、Ⅱ类围岩采用大管棚或小导管注浆超前预加固，Ⅲ类围岩采用超前锚杆预支护。为了抗震与防冻融，I、Ⅱ类围岩段二次衬砌采用了带仰拱钢筋混凝土结构。
　　3 结语
　　
　　 隧道工程是公路工程建设中的重要组成部分。隧道设计施工相对于路基工程、路面工程、桥涵工程来说有它的复杂性和特殊性：首先在勘察设计阶段，要根据当地地质地貌特点，勘察设计工作务必力求科学严谨、数据准确全面；在施工阶段，必须严格遵循施工规范及设计方案，保证按图施工。同时加强施工管理，选择好先进、合理的施工机具，做好工艺控制。
　　 掘进机开挖法正在不断改进创新，液压凿岩机的更新完善，使隧道开挖进度大大提高。光电测量仪器和激光导向设备的使用，提高了长隧道施工的精确程度。
　　 今后，为使车辆在隧道内安全、快捷、舒适的行驶，一定要针对隧道所具有的独特道路与环境特征，采用科学的设计手段和施工方案，提高交通安全性，降低事故率，努力为人民群众的生产生活和经济社会的发展创造良好的交通环境。
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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