作者：李东明 字数：3012
摘 要：通过某隧道的现场试验研究和数值分析，提出大断面公路隧道的过程设计方法，并建立应用模型。过程设计方法以荷载--结构法为基础，并以极限拉应变值来确定围岩松动区范围。与传统的公路隧道设计规范、普氏理论等方法相比，设计荷载中重点考虑施工过程的影响，从而在保证隧道安全性的同时优化偏于保守的支护参数。通过双侧壁导坑开挖方法和单侧壁导坑开挖方法这两个应用实例表明：过程设计方法比状态设计方法更为可靠和实用，更符合大断面隧道的实际情况。研究结果将有助于为大断面公路隧道寻求更为有效、合理的设计方法，提高大断面隧道的设计水平。
关键词：公路工程；大断面公路隧道；过程设计方法；隧道荷载
1 引言
隧道围岩松动荷载的主要计算方法包括：基于围岩分级系统的经验方法，如 Barton 公式；基于室内、现场试验（监测）的经验方法，如泰沙基公式、普式压力拱；基于围岩与支护系统相互作用的理论解析方法，如收敛-约束法；基于数值模拟的计算方法。中国公路隧道设计主要采用公路隧道设计规范（沿用铁路隧道设计规范），由大量实际工程总结出来的塌方公式作为松动荷载。该设计理
论的适用范围主要为 3 车道以下的小跨度隧道，对于 4 车道以上的大断面公路隧道并不完全适用。例如，公路隧道设计规范中只给出了大断面隧道松动荷载的建议公式，对于具体设计则缺乏依据。本文统计了几条早期单洞 4 车道公路隧道较差围岩条件下的初衬和二衬厚度。早期大断面公路隧道主要采用公路隧道设计规范进行设计，衬砌厚度较大，随着设计经验的积累，支护参数逐渐优化，例如洞口浅埋段二衬厚度由 80 cm 逐步渐变为 65 cm，显然人们意识到最初的大断面隧道设计方案是不够合理的。
2 基本施工方法
从目前的施工技术水平来看，适合于大断面隧道的开挖方法主要有：
（1）上半断面台阶法（短台阶法、上半断面临时封闭台阶法）
（2）中隔壁法（CD法、CRD法）
（3）双侧导坑开挖法（双侧导坑超前开挖法、眼镜法）等三类六种基本施工方法。①上半断面台阶法可采用可靠性强的超前支护以确保掌子面稳定。虽然超前支护作为支护构件的效果不十分清楚，但从改善开挖前地层的角度来看，可在一定程度上控制拱顶范围的松弛。如果在超前支护、辅助工法的效果不明显或不经济时可改为CD法施工。同时因其开挖空间大，适合大型机械快速施工。施工条件有利于作业，可以说该方法在超前支护、辅助工法的配合下，能适应各类围岩条件下的施工并能形成有效的支护体系，适应性强。②中隔壁法因纵向分割断面，能确保掌子面的稳定性，其开挖断面较大，若支护及时，可防止隧道周边的松弛范围的扩大。在CD法和CRD法的施工过程中，拆除中壁作业复杂，施工条件相对较差，不宜采用大型机械快速施工。这种方法属于大断面分割施工，在大型电站和城市地下工程中应用广泛，在埋深小的情况下，能控制地表沉降，施工安全，在地质不良地段也可以使用。③双侧壁导坑法又称眼镜工法，该方法因分割断面细，能确保掌子面的稳定和有效控制隧道周边的松弛范围。超前的导坑能探明前方的地质情况，遇到不良地质时可在开挖前采取预防措施，但当地质变好时改变工法困难。另外因开挖断面小，大型机械适用受限，施工条件差。该方法多用于城市地下工程，对地表沉降要求严格的工程以及不良地质地段。施工中与上半断面台阶法、中壁法互换困难，隧道全长均采用同一方法，开挖效率低。
3 过程设计方法
过程设计方法的基本思想为：根据施工开挖步骤，将隧道断面分成几个单独的小洞室；基于一定规则简化各个小跨度洞室，得到各自的几何参数，并分别求得各小洞室的松动压力；最后在各小洞室的基础上，通过规律组合得到总设计荷载并进行隧道设计。过程设计方法体现了系统科学内容，即将隧道作为一个整体，其开挖步骤视为整体中的要素；在按照基本假设和抽象的基础上，对各个要素进行分析和研究，并最终实现对隧道整体的研究，从而得到隧道整体的力学特征和荷载模式。它体现了系统科学中的由总到分，再由分到总的设计原则。过程设计方法重点考虑了隧道施工过程的影响，更加符合实际情况。
4 现场监控试验
过程设计方法的核心问题是要寻找随开挖过程的松动区范围发展规律。本文通过某隧道现场试验来分析施工过程中动态松动区范围的发展规律。该隧道在 K5+870 断面埋入3套地表预埋式多点位移计，其中第 2、3 套数据有效。该断面围岩主要为全～强风化花岗岩，是 V 级围岩向 IV 级围岩的过渡段。隧道开挖工序依次为：（1） 左导洞上台阶开挖，（2） 右导洞上台阶开挖，（3） 右导洞下台阶开挖，（4） 左导洞下台阶开挖，（5） 核心土上台阶开挖，（6） 核心土下台阶开挖。
5 过程设计方法的应用建议
过程设计方法是针对大断面隧道提出的，在应用过程设计方法计算松动荷载时，要注意以下几个方面的问题：
（1）过程设计方法适用于求解围岩条件较差，能够产生松动压力或松动荷载的情况。
（2） 采用过程设计方法计算时，应注意对开挖方法进行合理的简化和抽象。
（3） 过程设计方法的应用中引入了影响系数η ，它是一个经验值，由专家或经验丰富的设计人员确定，与围岩条件、开挖洞室的几何尺寸等因素有一定的关系。
（4） 采用过程设计方法时，可以从新的角度对一些问题进行讨论和解答。例如，以松动荷载为目标函数，认为荷载最小即为最优，则能够获得相同条件下最优的开挖方法和开挖顺序，能够得到相同条件的某一开挖方法下的最优开挖几何尺寸。
6 过程设计方法与状态设计方法的联系与区别
状态设计方法与过程设计方法两者之间具有一定的联系。
（1） 状态设计方法的荷载计算公式是过程设计方法的基础和前提。普氏理论、公路隧道设计规范等方法为一次开挖计算公式，属于状态设计方法范畴。过程设计方法在计算小洞室的松动荷载时，需要采用普氏理论、公路隧道设计规范等方法进行计算。
（2） 过程设计方法在一定程度上包含了状态设计方法。过程设计方法注重每一步开挖过程的分析和计算；而每一步骤的计算归根结底就是一个状态设计过程。例如，当隧道的开挖方法简化为一次开挖时，过程设计方法即简化为状态设计方法。
7 结论
（1） 隧道设计荷载与施工工序有关。在一定程度上，每个工序的开挖受到相邻工序的影响，但其影响程度不大；每个工序可以认为是一个独立的小洞室隧道，并可由规范或普氏理论等求得。
（2） 建立了过程设计方法的计算公式。给出了三导洞开挖方式下，基于普氏和泰沙基公式的总垂直均布荷载公式。并在同济曙光有限元软件平台下开发了过程设计方法模块。
（3）通过将过程设计荷载计算值与实测荷载对比表明：实测的松动压力整体上小于过程荷载计算值，过程荷载计算方法具有一定可靠性和实用价值，可作为过程设计方法的基本依据。
（4） 过程设计方法与状态设计方法既有区别又有联系。过程设计方法在计算小洞室的松动荷载时，需要依赖普氏理论等传统的状态设计方法。两者的本质区别在于：状态设计方法为静态设计，过程设计方法则体现了动态设计的概念。当隧道的开挖方法简化为一次开挖时，过程设计方法即简化为状态设计方法。
参考文献
[1]蒋树屏，黄伦海，胡学兵.超大断面公路隧道的设计与研究[J].地下空间与工程学报，2005.1
[2]刘尧军，高桂凤，冯卫星.大跨公路隧道断面优化设计研究[J].辽宁交通科技，2004.2
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