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公路隧道设计与施工的现状及问题探讨李伟平（浙江省交通规划设计研究院 杭州市）摘 要： 目前公路隧道主要采用以喷锚构筑法（或新奥法）为理论基础，结合工程经验类比的复合式衬砌结构形式，隧道施工期间主要的风险是大变形与坍方，运营期间主要的病害是裂缝与渗漏水。 国内公路隧道施工现状不能 完全与设计体系相匹配是公路隧道目前主要的矛盾，而粗放式施工的现状是导致隧道运营期间出现病害的重要因 素。作者结合长期的工程实践，试图对目前公路隧道设计施工中存在的问题进行思考，并尝试提出解决思路，以与同 行交流。关键词： 公路隧道； 设计； 施工； 现状； 对策近 年来，国内公路隧道的建设迅猛发展，近 年每年增长约 万延 ， 年底我国公路 隧道通车里程 万延 （ 座），已建成或 正在建设中的 以 上 隧 道 约 座。 我 国 公 路 隧道设计水平有了很大提高，积累了丰富的勘察设 计经验，近 年来一大批重大科研项目和重大公路 隧道工程的完成表明，制约我国特长公路隧道建设 与运营的技术瓶颈已经取得了突破，公路隧道的设 计水平已接近国际先进水平，部分超过国际先进水 平，施工技术有了重大进步。 复杂水文地质和工程 地质环境下（断层、岩溶、富水、瓦斯等）的隧道、非常 规隧道 （大 跨 度、小 净 距、连 拱、分 岔、螺 旋 隧 道、棚 洞、大断面竖井等）、高寒地区公路隧道、黄土地区公 路隧道等修筑技术，及特长、超长隧道的修筑与营运 技术，在设计、施工与营运管理等诸多方面均取得了 长足的发展并日益成熟，新材料、新技术和新工艺的 应用与研究也层出不穷。然而，在公路隧道工程建设中还是存在着一些 问题，需要在今后的发展过程中逐步完善、提高。 笔 者将结合自己的工程实践提出目前在公路隧道的设 计、施工中存 在 的 一 些 问 题 及 对 策 措 施，供 与 同 行 探讨。段安全系 数 法 进 行 结 构 强 度 验 算。 并 结 合 工 程 实践，采用模拟隧道施工过程的有限元分析进行结构 设计与变形预测，以及采用实际监测数据进行反分 析来评估安全性、修正设计参数和施工措施。 实践 已经证明，相比早期的矿山法施工，现行设计理论体 系和方法在保证快速、安全施工及一定时间内支护 结构的安全上是行之有效的，在促进公路隧道修建 技术进步，以及配合我国交通基础设施的快速发展 方面也发挥了极其重要的作用。 但也主要存在如下 几方面的问题。（）衬砌支护参数设计相差较大，且难以体现同 一围岩级别围岩稳定性差异。根据喷锚构筑法（或新奥法）原理，隧道结构采 用复合式衬砌，由初期支护和二次衬砌两层结构组 成，两层衬砌间设置防水层。 初期支护由喷混凝土、 系统锚杆、钢筋网、钢架组成，喷混凝土厚度一般不 大于；二 次 衬 砌 为 模 筑 素 混 凝 土 或 钢 筋 混 凝 土薄壳结构。目前的隧道衬砌支护结构设计主要根据工程类 比，根据隧道纵向长度上的围岩分级，对 级围 岩分别拟定不同的支护参数，必要时结合实际地质 条件和施工方案进行验算。 笔者在工作和技术交流 中发现，对同一跨度的隧道支护参数的设计（主要是 初期支护），不 同 设 计 单 位 存 在 着 明 显 的 差 异。 以 设计速度的单 洞 两 车 道 隧 道 为 例，同 样 是级围岩的深埋一般地段 ，型钢钢架的型号 差 异 较设计现状、问题及对策目前公路隧道工程的设计，是按喷锚构筑法（新 奥法）原理为基础采用工程经验类比法，结合破损阶收稿日期：公路 年 第 期大，从 不等，部分设计单位 习 惯 采 用 大型号的钢架；同样，对 级围岩的深埋一般地段，有 的设计单位对初期支护均设置钢架，有的仅必要时 设置，并导致喷混凝 土 厚度 存 在明显 差 异，厚 度 不等。之所以发生这样的状况，主要可能是： 受设计 单位总体水平及设计者个人经验局限，对围岩稳定 性、支护结构作用的认识和理解存在差异； 地层岩 性多样，受构造和风化的影响，使得物理力学参数差 异大，故围岩的分级也只能是定性划分为主、量化划 分为辅； 隧道工程地质受勘察技术的局限具有不 确定性，实际地质只有“挖开了 才 清 楚”，由 于 围 岩 变化的不确定性和量化的困难，使得隧道的结构设 计具有岩土工程和结构工程的双重特征。鉴于此，建议公路主管部门借鉴铁路部门经验，对公路隧道编制标准图或通用图，进行标准化设计。此外，按围岩级别进行支护参数设计的经验类 比设计方法，难以体现围岩稳定性的差异，即使对同 一围岩级别设计了多种支护参数，也难以与实际施 工中变化 的 围 岩 精 确 匹 配。 主 要 体 现 在 锚 杆 的 数 量、长度和打设角度，以及是否必须设置钢架或调整 钢架的型号上。 虽然设计理念强调进行动态设计、 动态施工管理，但实际执行往往存在一定程度的困 难。 动态设计和施工的主要工作还是通过对拱顶竖 直位移、周边收敛位移的变形监测及支护结构的外 表变化，来判断隧道施工的安全性，若认为不安全， 则进行加强支护或施工方案的变更，对围岩“变好” 应减弱支护参数则往往被忽略了。之所以发生这样的状况，主要可能是： 缺乏结 合施工中围岩的微观特性进行量化设计的体系； 在施工中要较为准确地掌握岩体差异风化程度、软 弱结构面及节理的组数、产状变化及地下水等对围 岩稳定性的影响，需要很强的专业素养，在目前我国 交通建设快速发展情况下，这样的人才显然比较缺 乏； 现场施工具有较强的时效性，且需多专业密切 配合，缺乏严格流程或评审的支护参数减弱，往往意 味着降低安全度的风险，现场决策人员可能需要承 担相当的风险； 目前的建设体制缺乏精细化施工、 节约成本的动力。建议进一步研究围岩稳定性与岩体强度、完整 性、结构面产状、地下水的定量关系，理清各支护措 施（包括各种情况下锚杆的角度、长度、间距和钢架 间距等）在提高围岩稳定性中的权重，真正体现信息化施工、合理支护的理念。（）传统新奥法理论不利于软弱围岩的快速施 工和机械化作业。按传统新奥法理论的设计和施工，对软弱围岩 主要采用隧道断面横竖切割、纵向台阶的方式。 以 单洞两车道公路隧道为例，对 级围岩一般采用拱 部预留核心土弧形开挖的短台阶法施工，很差的或 对沉降要求高的 级围岩则采用 、 工法或 双侧壁导坑法施工；对 级围岩一般采用台阶法施 工。 虽然技术成熟有效，是目前主流的施工方法，但 施工单位尤其不愿意采用工序多、进度慢、只能人工 或小型机械的 、 工法或双侧壁导坑法施工， 从而增加了施工的风险和事故。“新意法”隧道施工工法是一种系统的全断面机 械化开挖的隧 道 设 计、施 工 技 术，是 对 传 统 新 奥 法 理论的继承与发扬，其精髓都是“保护围岩，充分调 动和发挥围岩的自承能力”。 “新意法”设计和施工 以工作面超前核心岩土的变形与隧道的稳定性为主 要评价指标，在进行超前预加固措施基础上，采用全 断面施工。 该 工 法 适 用 于 软 弱 地 层 大 断 面 隧 道 开 挖、浅埋隧道控制地面沉降等复杂地质条件的地下 施工，被意大利公路及铁路领域纳入规范并且被广 泛采用。 欧洲国家的大型项目施工也较多地采用此 工法。建议国内公路交通系统在进一步研究应用的基 础上，推广使用该工法。（）隧 道 支 护 结 构 的耐久性 设计还没有形成 共识。公路隧道的耐久性设计已经开始得到了逐步的 重视，正在修编的公路隧道设计规范将会明确设 计使用年限和相应的耐久性设计规定。 但以复合式 衬砌为主流的隧道衬砌结构 到 底 如 何 考 虑 其 耐 久 性，是值得探讨的问题。复合式衬砌设计理念是以初期支护和围岩共同 作用，并作为主要承载结构承担大部分围岩荷载的， 适用于双 车 道 隧 道 的 公 路 隧 道 设 计 规 范 （ ）第 条 规 定 级 围 岩 中 的 二 次衬砌为安全储备，并按构造要求设计。 可见，按照 传统复合式衬砌设计方法，首先应确保初期支护的 耐久性，以满足隧道长期运营中的结构安全。 具体 地说，应保证喷混凝土、系统锚杆、钢架在设计使用 年限内的耐久性，即采用抗渗性能好的耐腐蚀喷射 混凝土，采用耐腐蚀锚杆，全长黏结型系统锚杆的锚 年 第 期李伟平：公路隧道设计与施工的现状及问题探讨固剂采用耐腐蚀砂浆或树脂等，增加钢架的喷混凝土保护层厚度等等。 从目前的现状来看，按传统复 合式衬砌设计理念考虑初期支护的耐久性，就意味 着初期支护应采用耐腐蚀新型材料、更严格的施工 工艺和施工机械配套，由此将带来建设成本的大幅 增加，施工质量控制难度很大。因此，有必要寻求基于复合式隧道衬砌结构耐 久性设计的合理思路，可以考虑如下 种。 按现行复合式衬砌理念不变，考虑初期支护和二次衬砌结构的耐久性。即初期支护的各组成部分 和二次衬砌混凝土均按设计使用年限考虑耐久性。 初期支护按现设计承载比例不变，增大二次 衬砌在复合式衬砌结构中的承载比例，以考虑二次 衬砌的耐 久 性 设 计 为 重 点。 以 一 般 两 车 道 隧 道 为 例， 级围岩二次衬砌可考虑承担 的荷 载， 级围岩二次衬砌可考虑承担 的荷 载， 级围岩二衬设计可考虑由仅作安全储备提升 到承担 的 荷 载， 、 级围岩仍作为安 全储备，但应按耐久性混凝土结构设计。 该思路中 二衬承载比例的增加值，即为初期支护耐久性损失 的承载能力。 强化初期支护中的钢架设计，二次衬砌承载 比例按常规考虑并按耐久性混凝土结构设计。 对初 期支护增设、加密钢架间距或采用耐腐蚀性钢架，并 采用与喷混凝土结合较好的格栅钢架，以弥补系统 锚杆腐蚀引起的承载能力的减弱。 强化钢架设计主 要是因为钢架的施工质量相对于系统锚杆而言容易 控制，且实践证明更有利于施工的安全。 二次衬砌承担全部荷载，只考虑二次衬砌的 耐久性，初期支护仅作为施工临时措施并作为安全 储备。 这种方法一般应对水下隧道或高水压隧道适 用，用于一般山岭隧道就显得很不经济。上述 种耐久性设计思路究竟采用哪一种，还 需工程界各方的共同参与，在实践中不断总结完善。 笔者个人倾向于采用第二种，即强二衬的思路。（）隧道衬砌结构病害后的安全性和加固前后 的使用寿命难以定量化评估。公路隧道建成运营 年后，往往会出现不同 程度的裂缝和渗漏水病害现象。 对隧道结构发生病 害后的安全性，目前主要是根据公路隧道养护技术 规范（ ）对隧道衬砌结构病害进行 定性分级（共 、 级），主要包括按外荷载 作用、材料劣化和渗漏水 种情况。 同济大学罗鑫、夏才初等根据国内外隧道病害分级进行了分级方法的综述，包括衬砌裂缝的分级、渗漏水的分级、衬砌 剥落的分级、衬砌材质劣化的分级、衬砌变形、移动、 下沉的分级以及冻害、鼓出等的分级。这些病害的分级基本都是定性的分级方法，没 有给出隧道病害分级与隧道 结 构 性 能 的 定 量 关 系（只有日本铁路隧道给出了一些病害下的损伤值）。 同时由于隧道病害的复杂性，隧道结构的加固设计 也只能是以工程类比或经验设计为主。 对隧道结构 加固后的安全性和使用寿命评判，也只能从所采用 加固材料的耐久性上予以体现，必要时还结合长期 观察或监测跟踪其加固效果。建议进一步研究隧道病害分级与隧道结构性能 的定量关系，以及隧道不同加固措施对结构安全性 能影响的定量分析方法。（）软 弱 围 岩 拱 部 是否设置 系统锚杆认识不 统一。对软弱围岩段的隧道，各设计单位均对拱墙部 位设置了系统锚杆，这是符合新奥法理论的。 王梦 恕院士结合国内施工技术现状，多年来一直呼吁取 消软弱围岩段隧道的拱部系统锚杆，仅在边墙设置。 可能认为软弱围岩隧道一般 初 期 支 护 中 设 置 了 钢 架，并采用小 断 面 开 挖 施 工，由 于 隧 道 拱 部 空 间 狭 窄，人工打设锚杆难以保证设计所要求的角度（实际 施工更像是超前锚杆），且由于围岩结构松散，普通 的系统锚杆能提供的锚固力很小，故往往实际起到 的作用也有限。 故认为拱部系统锚杆没有起到应有 的作用，且大部分软弱围岩隧道段的施工也能保证 安全，还不如取消拱部系统锚杆。现行隧道规范和新奥法理论强调系统锚杆的作 用，故设计对软弱围岩段隧道拱部设置系统锚杆，而 实际由于主要采用人工打设系统锚杆，因此存在人 为地减少锚杆的情况，使得拱部系统锚杆的作用大 打折扣。 对拱部取消系统锚杆如不进行系统研究， 并形成理论支撑和成套技术，恐怕这一分歧会长期 存在下去。（）工字钢架使用普遍，较少使用格栅钢架。目前公路隧道初期支护中大量使用工字钢架等 型钢钢架，而较少使用格栅钢架。 主要原因在于型 钢钢架加工方便，将节省施工单位大量的人工作业， 即使设计了格栅钢架，施工现场要求变更的意愿也 很强烈。 应该说型钢钢架和格栅钢架各有优缺点， 但从衬砌结构长期安全性的角度，宜优先采用与喷公路 年 第 期混凝土结合好、耐久性好的格栅钢架。台车不能全面推广的情况下，开发适用于隧道简易台车上，可任意角度钻孔的小型钻孔机，用于爆破开 挖的周边孔钻孔和拱部系统锚杆的钻孔。 可弥补人 工的缺陷，大幅提高施工质量。（）光面爆破开挖效果不理想。设计均要求采用光面爆破，以提供平整圆顺的 开挖轮廓，并尽可能使围岩的完整性受爆破振动影 响小，利于初期支护与围岩的共同承载，同时也能节 约混凝土回填工程量。 但比较普遍的情况是，光爆 效果很不理想，超欠挖相当严重。公路隧道施工技术细则（） 中提出了开挖断面形状、轮廓尺寸及爆破效果检测 的标准，建议施工企业能加强爆破人员培训，提高隧 道光面爆破水平，建设单位、监理单位能建立并强化 对施工企业光爆效果的考核管理。（）二次衬砌施工质量需改善。二次衬砌施工均采用模板台车，泵送混 凝 土 浇 筑。模板台车过长、拆模过早、衬砌厚度不足、缺乏二 衬混凝土养护是隧道二次衬砌施工比较突出的问题。目前二衬施工往往滞后开挖掌子面过多，使得为 提高二次衬砌施工进度，部分施工企业制作成 长的模板台车，同时一天一模或两天三模是二衬混 凝土浇筑普遍的进度，且拆模后少有养护跟进。 这 种现状也是目前二次衬砌裂缝较多的重要原因。随着地质雷达越来越多地用于二衬厚度的无损 检测，二次衬砌厚度不足的问题开始逐渐暴露，并成 为目前一个比较突出的问题。 根据笔者的观察，造 成二次衬砌厚度不足的原因主要有三个：施工欠挖； 初期支护表面平整度差，拱顶、拱腰防水板处预留富 余量不足，“带紧拉直”，并留下空洞；泵送压力不足 或未排气使拱顶厚度不足。随着隧道结构耐久性的提出，建设各方对二衬 施工质量应该予以更多的关注。 建议从以下几方面 着手。模板台车长度不宜超过 ，否则采取台车 中部预留凹槽的方式。 二衬施工滞后掌子面应不超过 ，以避免 二衬控制工期，不得不过早拆模造成抢工期现象。 选择混凝土的合理配合比，并严格按规范对 二衬混凝土进行养护，以减少混凝土浇筑质量引起 的裂缝。 二衬施工前应采用断面仪进行初期支护内轮 廓测量，对欠挖部分应凿除。施工现状、问题及对策目前公路隧道主要采用钻爆法开挖施工，基本 为国内施工单位施工。 施工采用无轨装渣、无轨运 输方式（一般采用侧卸装载机、挖装机、回转式装渣 机装渣，大吨位自卸车运渣）；湿喷混凝土工艺、自制 简易台车手持风枪施钻后插入系统锚杆；自制简易 台车无钉铺设防水板；采用模板台车泵送混凝土施 工二次衬砌 （多 采 用 洞 外 集 中 拌 和、自 行 式 罐 车 运 输、混凝土泵压注、全断面钢模台车灌筑、手持式振 捣器捣固）。 随着我国公路建设的快速发展，特别是 在近 多年来的快速发展中，施工技术得到了快速 的发展。 主要表现如下。（）大量 复 杂 条 件 下 隧 道 的 修 建，使 得 软 弱 围 岩、岩溶、浅埋偏压、大断面、连拱、小净距等隧道的 开挖与支护技术已经成熟。（）施工通风技术的发展，使得独头掘进长度越 来越长。 如甘肃宝（鸡）天（水）高 速 公 路 的麦积山特长 隧 道， 的独头掘进长度创下 了亚洲公路隧道最大独头掘进纪录。（）深竖井施工技术确保了超长隧道的施工及 隧道的运营通风。（）隧道围岩变形自动检测预警技术、隧道施工 灾害处理技术、神经网络技术在隧道施工中的应用， 提高了隧道信息化施工水平，隧道的施工更安全。但公路隧道的施工也存在着一些比较常见的问 题，需要进一步改进完善，主要表现如下。（）部分关键工序施工机械化程度有待进一步 提高。相比传统矿山法施工而言，现代公路隧道采用 的机械化程度较高。 但在部分关键工序上仍然比较 原始，最突出的表现在爆破开挖钻孔和系统锚杆的 钻孔施工上，目前基本采用人工手持风枪施钻，取代 了钻孔台车。 其优点是操作灵活，投入并不比机械 台班贵，且避免了大量购置钻孔台车。 采用人工进 行超前支护钻孔可行，符合人体手持风枪的施力习 惯，但用于爆破开挖周边眼的钻孔则角度控制精度 低，是超欠挖严重的重要因素之一；用于拱部的径向 系统锚杆施工，则人工难以垂直开挖面向上施力钻 孔，大部分锚杆打设角度更像是“超前锚杆”，使得系 统锚杆作用效用难以发挥。建议在一次投入大、周转存放不便的大型钻孔 年 第 期李伟平：公路隧道设计与施工的现状及问题探讨 对超挖严重部位的应适当回填补平，满足规范要求的平顺度要求，并预留足够的防水板富余量。 加强模板台车承载能力，选用压力足够的输 送泵。 对端头模板位于下坡侧的，应采取排气措施 确保上坡侧拱顶混凝土浇筑到设计厚度。（）开挖与支护工序衔接不够紧凑。隧道的支护强调及时性和尽早形成封闭环，对 软弱围岩还宜及时施作二次衬砌。 实际施工组织过 程中，常见的施工误区如下。 仰拱施作离掌子面距离过长。 级围岩段采 用拱部弧形开挖预留核心土是最常用的施工方法， 对遇水软化、承载能力低的全风化地层和土层围岩， 拱部初期支护完成后，若不及时将仰拱跟进形成封 闭环，就容易导致初期支护下沉变形过大甚至突沉 的施工事故。 对承载能力尚可的 、 级围岩，若不 及时封闭成环，也容易引起支护能力不足的大变形 甚至坍方事 故。 故 一 般 设 计 提 出 级 围 岩 上 台 阶 长度不宜大于 （ 为隧道开挖宽度）且仰 拱 距 掌 子面距离不宜大于 ， 级围岩上台阶长度不宜 大于。 二次衬砌滞后掌子面过长。 实际施 工 中，为 使二衬施工能连续进行或因模板台车周转使用，二 衬的施工常常严重滞后掌子面，一些特长隧道甚至 有大于 的长度未施工二衬，从而导致前文 所述的二衬质量问题。 因此建议设计文件中规定二衬到掌子面距离不超过 ，在 施 工 组 织 中 也 应 将二衬施工作为关键工序之一严格执行。（）防排水施工不规范。公路隧道运营 年后，一般开始有渗漏水现 象出现，除影响隧道表观形象和结构安全度降低外， 还会使隧道路面湿滑导致事故增加，因而防排水施 工质量的好坏直接关系到防排水的可靠性。 常见的 问题为：防水板破损、接缝质量不好；纵向横向盲沟 的连接不采用三通，且防水板不对纵向盲沟采用 形包裹；中心水沟爆破开挖后清渣不干净，回填碎石 含泥量大，易造成中心水沟堵塞或淤塞等。 建议施 工企业重视防排水施工，加强对防排水施工质量的 控制。（）设计方面对策措施。 编制公路隧道标准图或通用图，进行标准化 设计。 进一步研究围岩稳定性与各影响因素的定量 关系及各支护措施在围岩稳定性中的权重，更深入 体现信息化施工。 研究推广“新意法”工法，实现软弱围岩的快 速施工和机械化作业。 采用强二衬的思路进行隧道复合式衬砌结构 的耐久性设计。 研究隧道衬砌结构病害加固前后安全性的定 量化评估与分析方法。 对软弱围岩拱部不设系统锚杆的可能性进行 系统研究，以解决长期以来的分歧。 优先采用与喷混凝土结合好、耐久性好的格 栅钢架。（）施工方面对策措施。 开发适用于隧道简易台车上，非手持式小型 钻孔机，用于爆破开挖的周边孔钻孔和拱部系统锚 杆的钻孔。 强化光面爆破开挖培训和光爆效果的考核管 理，实现良好的光爆效果。 从初支平整度与内轮廓测量、模板台车长度、 拆模时间、防水板预留足够余量、对二衬混凝土养护 等多方面提高隧道二次衬砌施工质量。 隧道的支护应及时并尽早形成封闭环，二次 衬砌距掌子面距离不宜大于 。 加强对防排水施工质量的控制。参考文献：中华人民共和国行业标准 公路隧道设计规范北京：人民交通出版社，中华人民共和国行业标准 公路隧道 养护技术规范北京：人民交通出版社，中华人民共和国行业标准 公 路 隧 道 施工技术规范北京：人民交通出版社，中华人民