陳建勛，羅彥斌，萬 利，劉同展

1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064

2. 山東省交通規(guī)劃設(shè)計院，山東 濟南 250031

0 引言

21世紀(jì)是地下空間資源開發(fā)和利用的世紀(jì)，隧道作為地下空間利用的基本形式，在鐵路、公路、城市地鐵等交通路網(wǎng)中發(fā)揮著重要的作用。近年來中國倡導(dǎo)經(jīng)濟建設(shè)可持續(xù)發(fā)展，隧道及地下工程因具有節(jié)約能源和保護環(huán)境的優(yōu)勢，成為交通建設(shè)領(lǐng)域的先鋒。截至2017年底，中國公路隧道總里程達(dá)到15 285.1 km，是2002年的24倍，以平均每年960 km左右的速度增長。目前，中國已是世界上隧道工程建設(shè)規(guī)模最大、數(shù)量最多、修建速度最快的國家。

隨著人們生活節(jié)奏的加快和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，安全、舒適、快速、方便、經(jīng)濟的公路運輸方式已經(jīng)成為現(xiàn)代化交通的重要標(biāo)志。由于交通量的迅猛增長，原有道路所承載的實際交通量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過建設(shè)初期的設(shè)計通行能力，由此帶來的交通阻塞、交通事故等問題，使現(xiàn)有的道路已經(jīng)不堪重負(fù)，因此通過對原有道路進(jìn)行改擴建來提高服務(wù)水平和通行能力，滿足交通量迅猛增長的需求已成為必然。另外，車輛荷載和環(huán)境因素的持續(xù)作用導(dǎo)致高速公路使用性能逐漸降低，從而增加車輛的運輸成本投入，造成交通事故逐年增多，道路損毀嚴(yán)重，運輸效率降低等問題，通過對公路進(jìn)行改擴建可以顯著提高其使用性能，降低維護和運營費用。因此，從實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略出發(fā)，經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)和城市周邊地區(qū)已建的單洞兩車道公路隧道已經(jīng)不能滿足目前交通運輸和人們出行的需求，考慮到路線走廊帶是不可再生資源，因而在高速公路新建和改擴建項目中，雙洞六車道、八車道公路隧道工程日益增多。21世紀(jì)初期，在廣州、深圳等一些發(fā)達(dá)城市陸續(xù)修建了單洞四車道超大跨度公路隧道，例如2005年修建的龍頭山隧道、2006年修建的深圳南坪雅寶隧道、2009年修建的廈門大帽山隧道，以及2015年修建的福州金雞山隧道等，見圖1（a）～（d ）。近年來，國內(nèi)涌現(xiàn)出一大批單洞四車道超大跨度公路隧道，例如2017年通車的濟南繞城高速連接線老虎山隧道和小嶺隧道，以及在建的山東濱萊高速公路淄博西至萊蕪段改擴建工程樵嶺前隧道和佛羊嶺隧道等，見圖1（e）～（h ）。

圖1 超大跨度公路隧道

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)外修建的超大跨度隧道有40座，其建設(shè)情況見表1。

超大跨度公路隧道結(jié)構(gòu)具有扁平、大跨、薄拱等特點，其圍巖荷載分布和支護力學(xué)特性復(fù)雜，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，尤其在施工期間受諸多工序的影響，圍巖多次擾動，支護結(jié)構(gòu)受力多變，極易發(fā)生圍巖失穩(wěn)和隧道襯砌結(jié)構(gòu)開裂破壞等問題。在工程實踐中，超大跨度公路隧道的支護形式五花八門，如初期支護加2層二次襯砌、2層初期支護加高強二次襯砌、高強初期支護加二次襯砌等，而且設(shè)計支護參數(shù)和施工方法各不相同。同時，由于可借鑒的工程經(jīng)驗有限，現(xiàn)行的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)均無相關(guān)規(guī)定，給超大跨度公路隧道的設(shè)計和施工帶來諸多困擾。目前，單洞四車道的公路隧道尚沒有形成系統(tǒng)、適用的設(shè)計理論方法及相應(yīng)的配套技術(shù)。因此，亟需圍繞超大跨度公路隧道圍巖變形規(guī)律與支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)和相應(yīng)的施工方法等方面開展研究，以期提出一套系統(tǒng)完整的超大跨度公路隧道修建技術(shù)。

表1 國內(nèi)外超大跨度公路隧道工程建設(shè)情況統(tǒng)計

1 超大跨度公路隧道圍巖變形規(guī)律與支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究

20世紀(jì)60年代，自從新奧法（New Austrian Tunneling Method，簡寫NATM）出現(xiàn)在隧道工程中以后，在國外施工中得到了廣泛的應(yīng)用和長足的發(fā)展。在20世紀(jì)80年代修建大瑤山鐵路隧道時，王夢恕院士引進(jìn)新奧法原理，并成功運用于該隧道的建設(shè)，自此新奧法在中國隧道建設(shè)中開始迅速推廣，并迅猛發(fā)展。

續(xù)表1

1.1 隧道圍巖變形研究

隧道開挖后的變形包括掌子面前方的先行位移，掌子面位移和掌子面后方的位移，這3種位移是同時產(chǎn)生的，而且是“動態(tài)”的。以往所說的量測位移只是掌子面后方位移的一部分，指的是從量測開始到結(jié)束時產(chǎn)生的位移。影響圍巖變形發(fā)展的因素，一是由于開挖面的不斷向前延伸，在圍巖中形成新的空間，初始地應(yīng)力重新分配，致使在某一監(jiān)測斷面上所量測到的圍巖變形值不斷增大，稱之為“空間效應(yīng)”；二是由于圍巖的流變特性致使圍巖變形隨時間的推移而增長，稱之為“時間效應(yīng)”。國內(nèi)外學(xué)者專家針對上述3種位移、2種效應(yīng)，對隧道開挖后的變形規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，獲得了眾多結(jié)論與成果，并積累了很多寶貴的經(jīng)驗。

在時空效應(yīng)的理論解析研究方面，常采用黏彈塑性有限單元法。孫鈞院士在《地下結(jié)構(gòu)有限元解析》一書中，詳細(xì)論述了隧道工程中各種有限元模型、有限元解析理論以及數(shù)值解法[1]，對具有流變效應(yīng)的隧道開挖問題起到了很好的理論指導(dǎo)作用。而后孫鈞等[2]還進(jìn)一步深入研究了時空效應(yīng)理論，提出了廣義虛擬支撐力法，通過在隧道洞周施加徑向的“虛擬支撐力”，將隧道施工過程的復(fù)雜三維問題等效為二維平面應(yīng)變問題，簡化了分析過程。于學(xué)馥等[3]建議在平面應(yīng)變法中采用釋放系數(shù)模擬隧道施工過程，而后朱維申等[4]利用洞壁徑向位移釋放系數(shù)反映開挖面徑向“虛擬支撐力”的釋放。之后，三維黏彈塑性有限元分析和數(shù)值模擬進(jìn)入快速發(fā)展期，金豐年等[5-6]應(yīng)用非線性黏彈性模型，對隧道的全斷面開挖過程進(jìn)行了三維有限元計算，得到開挖面的影響范圍約為洞室直徑2倍的結(jié)論；張玉軍等[7]運用三維黏彈塑性有限元理論分析了錨固正交各項異性層狀巖體，對圍巖的流變動態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)研究；劉建華等[8]對小浪底工程地下廠房工程進(jìn)行了三維黏彈性數(shù)值模擬，分析了開挖位移和圍巖穩(wěn)定性；趙旭峰等[9]對深部軟巖隧道工程中施工力學(xué)性態(tài)和變形時空效應(yīng)進(jìn)行三維非線性黏彈性數(shù)值模擬，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較驗證。隨后，隧道開挖過程中圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用的三維模擬計算及施工特性研究也逐步展開，并取得了一系列的成果。

在開挖面空間效應(yīng)方面，也取得了十分有意義的成果。研究成果認(rèn)為隧道圍巖在橫、縱斷面上的支護作用稱為“空間效應(yīng)”，將空間約束作用視為對洞周的“虛擬支撐力”作用，并用“位移釋放系數(shù)”來探討開挖面的空間效應(yīng)，得出位移釋放規(guī)律。開挖面的空間約束作用可以使圍巖在無支護的情況下自穩(wěn)一段時間，位移釋放系數(shù)越小，開挖面空間效應(yīng)越大。朱維申等利用洞壁徑向位移釋放系數(shù)反映開挖面徑向“虛擬支撐力”的釋放。趙明階等[10]將圍巖變形全過程的位移時間關(guān)系曲線分為4個階段——負(fù)空間效應(yīng)段、正空間效應(yīng)段、阻尼段和流變段，并認(rèn)為空間效應(yīng)段變形主要是由于巖體開挖后，周邊巖體失去原有的位移約束，打破原有的平衡，使圍巖土體產(chǎn)生向凈空面移動的趨勢，并發(fā)生一定的位移，牽動更深巖體的位移，如此延續(xù)下去，直到一定深度，對淺埋隧道可達(dá)地表，同時變形速率也隨著開挖面與測點距離的變化而變化，這很好地描述了圍巖變形的全過程。宋戰(zhàn)平等[11]的研究認(rèn)為隧道觀測斷面隨掌子面推進(jìn)而產(chǎn)生的位移可分為幾個部分，即先期位移、瞬時位移和后期位移，并研究了溶洞對隧道先期位移以及瞬時開挖位移的影響。

1.2 隧道支護力學(xué)研究

國外關(guān)于支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性研究也越來越多。在二次襯砌的作用效果方面，米勒[12]認(rèn)為“二次襯砌是在初期支護基本穩(wěn)定的情況下施做的，以進(jìn)一步提高穩(wěn)定度”。日本巖石力學(xué)專家認(rèn)為，二次襯砌只能起到加強安全度的作用，一般由于圍巖具有自承能力及初期支護能作永久支護，所以二次襯砌是用來提高安全度的[13]。在二次襯砌力學(xué)計算模型方面，1985年半谷通過對復(fù)合式襯砌中二次襯砌的研究，提出了一種用彈簧來模擬襯砌之間相互作用的力學(xué)模型，該模型能很好地模擬出襯砌之間的壓縮和剪切作用。1989年崛地紀(jì)行等通過隧道二次襯砌圓筒的軸向剛度研究，提出了一種以彈簧來代替隧道襯砌之間圓環(huán)接頭的數(shù)值計算模型，該模型全面考慮了襯砌之間的環(huán)向壓縮剛度和剪切剛度的作用。從1978年以來，日本一直在對具有二次襯砌的隧道圓管的縱向接頭和環(huán)形接頭的剛度進(jìn)行研究，重點主要集中在管片縱向接頭、環(huán)向接頭、雙層襯砌層間接縫等的接頭性能模擬，但使用彈簧來模擬各種接頭效應(yīng)的基本格局無多大變化，可以看作是梁和彈簧模型的一種深化。

國內(nèi)學(xué)者也做了不少關(guān)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特征的研究。趙子龍等[14-15]對南嶺隧道進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，研究了復(fù)合式襯砌圍巖壓力的大小及分布規(guī)律，通過統(tǒng)計分析得出二次襯砌是受力的，其大小可按襯砌的剛度進(jìn)行壓力分配，二次襯砌是主要承載結(jié)構(gòu)。程樺等[16]用運用數(shù)值模擬軟件對復(fù)合式隧道襯砌進(jìn)行計算，把初期支護與二次襯砌都看作是實體單元進(jìn)行建模，通過計算分析了噴層、錨桿和二次襯砌所受的內(nèi)力。杜守繼等[17]對軟巖隧道圍巖收斂曲線和襯砌受力變形曲線進(jìn)行了研究，并分別對一次襯砌和二次襯砌的作用效果進(jìn)行了評價。王兵[18]通過數(shù)值模擬方法對某雙車道公路隧道襯砌設(shè)計方案進(jìn)行了比較，選取了最優(yōu)的施工方案，并驗證了新奧法施工的合理性和可行性。晏啟祥等[19]以軟巖小凈距隧道為研究對象，重點分析了不同開挖方式下錨桿、噴射混凝土層和二次襯砌的受力特點，以及洞周圍巖特征點變形和應(yīng)力隨施工的變化過程。劉志春等[20]通過對烏鞘嶺隧道斷層帶進(jìn)行監(jiān)控量測，分析了圍巖壓力與位移的關(guān)系、實測數(shù)據(jù)與施工工序的關(guān)系、多量測項目發(fā)展趨勢相互關(guān)系規(guī)律、位移的縱向分布規(guī)律、量測項目穩(wěn)定值的預(yù)測、荷載側(cè)壓力系數(shù)、二次襯砌分擔(dān)圍巖壓力比例、二次襯砌施作時機等進(jìn)。莫勛濤等[21]結(jié)合中國鐵路隧道中圍巖壓力與站立時間的概率分布相互獨立的特點，提出了一種計算初期支護和二次襯砌各自承擔(dān)壓力大小的公式。李術(shù)才等[22]采用損傷力學(xué)原理得到加錨節(jié)理裂隙巖體的本構(gòu)關(guān)系及其損傷演化方程，以此來評價此類巖體的穩(wěn)定性和變形行為。來弘鵬等[23]以青土峴隧道為依托進(jìn)行了現(xiàn)場測試，對圍巖壓力、格柵鋼架鋼筋軸力、初期支護和二次襯砌接觸壓力等變化規(guī)律及分布特性進(jìn)行了研究。陳建勛等[24]基于劉家坪2#隧道對黃土隧道洞口段支護的受力狀況進(jìn)行施工監(jiān)測，并采用有限元法進(jìn)行了分析?！豆匪淼涝O(shè)計規(guī)范》中認(rèn)為：Ⅰ～Ⅲ級圍巖，初期支護作為永久支護可使圍巖更加穩(wěn)定，二次襯砌只需按照構(gòu)造要求選定厚度，作為安全儲備；Ⅳ、Ⅴ級圍巖二次襯砌分擔(dān)圍巖壓力比例分別為20%～40%、60%～80%，但選用這些參數(shù)設(shè)計二次襯砌是否合理尚需驗證。

目前，對于隧道變形與支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的研究大多集中于兩車道等小跨度隧道，且研究方法多以數(shù)值模擬計算為主，研究成果不盡一致，而對于單洞四車道的超大跨度隧道的變形規(guī)律與支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的研究很少。因此，有必要對單洞四車道超大跨度公路隧道的變形規(guī)律與支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行廣泛且深入的研究。

2 超大跨度公路隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)研究

2.1 隧道支護結(jié)構(gòu)的發(fā)展

根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)條件、施工條件和使用要求，公路隧道襯砌類型可分為噴錨襯砌、整體式襯砌和復(fù)合式襯砌。高速公路、一級公路和二級公路的隧道應(yīng)采用復(fù)合式襯砌，由初期支護和二次襯砌及中間防水層組合而成。

近些年來，上述初期支護已經(jīng)由過去單一的支護形式發(fā)展形成了多種支護形式，如錨噴、錨網(wǎng)噴、錨噴網(wǎng)架、鋼架網(wǎng)噴鎖腳錨桿等。一般情況下，這些支護形式可以確保隧道的初期穩(wěn)定性，但是對于跨度更大的三車道、四車道公路隧道，以及圍巖具有蠕變特性的隧道，僅靠初期支護往往難以確保隧道圍巖的穩(wěn)定性。在確保隧道初期穩(wěn)定性方面，意大利Pietro Lunardi[25]提出了巖土控制變形分析法，該方法強調(diào)掌子面和前方圍巖的加固和支護，重視超前支護的作用，以控制隧道開挖后的早期變形。若將該方法應(yīng)用到單洞四車道公路隧道中，其超前支護的效果以及控制早期變形的適用性尚有待進(jìn)一步研究。何滿潮等[26]提出了軟巖巷道圍巖關(guān)鍵部位耦合支護理論和錨網(wǎng)-錨索耦合支護技術(shù)，該理論和方法對深部軟巖的巷道比較適用，但對于跨度更大的三車道、四車道公路隧道仍存在一定的局限性。陳建勛等[27-30]提出了鋼架網(wǎng)噴鎖腳錨桿（管）的軟弱地層隧道初期支護組合結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新了隧道初期支護型式，有效控制了軟弱地層隧道的拱部沉降。該結(jié)構(gòu)型式已被廣泛應(yīng)用于兩車道和三車道公路隧道工程中，但在單洞四車道公路隧道中的適用性還有待進(jìn)一步研究。

二次襯砌一般采用模筑混凝土，在初期支護變形穩(wěn)定后施作，初期支護承受全部圍巖荷載，二次襯砌作為安全儲備。但在軟弱圍巖中，僅靠初期支護承載往往難以確保隧道圍巖穩(wěn)定，此時需考慮二次襯砌的承載作用，并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算及強度校核。對此，《公路隧道設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70—2010）給出了不同圍巖級別、單洞雙車道和三車道隧道初期支護和二次襯砌的支護承載比例，但單洞四車道隧道二次襯砌承載比例并未涉及。因此，有必要對單洞四車道公路隧道二次襯砌的支護時機、承載比例進(jìn)行研究。

另外，關(guān)于單洞四車道隧道的襯砌支護方案，《公路隧道設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70—2010）提出應(yīng)采用復(fù)合式襯砌方案，襯砌分兩次或三次施作，其中Ⅱ級與Ⅲ級圍巖宜采用二次支護方案，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖可采用三次支護方案，并初步給出了初期支護（包括鋼架、噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)）、二次襯砌和三次襯砌的設(shè)計參數(shù)。但是，這些參數(shù)的適用性和合理性有待進(jìn)一步研究。

2 隧道支護的優(yōu)化

隨著優(yōu)化理論在隧道及地下工程中的廣泛應(yīng)用，隧道支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法大量涌現(xiàn)。H Lulttger等[31]研究了用應(yīng)變控制法優(yōu)化隧道支護設(shè)計。日本山地宏志等[32]根據(jù)隧道開挖過程中的量測結(jié)果，求出對應(yīng)于發(fā)生應(yīng)變的支護工程的感度系數(shù)，由此確定最佳支護工程量，并提出相應(yīng)的計算方法，同時給出模擬計算的結(jié)果，實現(xiàn)了對支護工程的定量評價，其實質(zhì)也是用應(yīng)變控制法優(yōu)化隧道支護設(shè)計。印度T.Amirsoleymani根據(jù)巖體的線彈性假定，討論水工隧洞的橢圓形斷面優(yōu)選法，認(rèn)為選擇隧洞斷面幾何形狀時不僅要考慮節(jié)理和不連續(xù)面的方位，而且要考慮巖體內(nèi)總主應(yīng)力的方向與大小，提出了一種使隧洞周邊拉應(yīng)力消除而壓應(yīng)力最小的隧洞最優(yōu)幾何形狀的確定方法。挪威于1984年在奧斯陸舉行的有關(guān)降低公路隧道造價的國際學(xué)術(shù)討論會上提出了一些優(yōu)化原則，這些原則包括：隧道應(yīng)設(shè)在最好的地層中；應(yīng)選用圓形斷面或近似圓形的斷面；巖石支護應(yīng)能發(fā)揮巖體固有的自穩(wěn)能力；采用造價最低的巖石支護等。G.Barla等[33]在研究洞室的開挖和支護等方面，使用不同程度的巖石加固，以3個地段組成1個“監(jiān)測區(qū)段”，把監(jiān)測到的開挖特性與模型分析推測到的開挖特性進(jìn)行對比，經(jīng)過對巖體參數(shù)的反分析得到最優(yōu)支護設(shè)計。同濟大學(xué)馮紫良[34]采用修正的內(nèi)點罰函數(shù)法，結(jié)合有限元分析程序，編制了優(yōu)化計算程序，對地下框架式結(jié)構(gòu)進(jìn)了優(yōu)化研究。劉小兵[35-36]采用復(fù)合形法對地下洞室的斷面形式以及復(fù)合式襯砌的軸線進(jìn)行了優(yōu)化研究。吳金木[37]對公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計進(jìn)行了探討。呂愛鐘[38]采用復(fù)合形法，假定圍巖為彈性的情況，以孔邊最大的切向應(yīng)力（以壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)）最小為最優(yōu)準(zhǔn)則，從理論上來尋找最優(yōu)的洞室開挖形狀。黃小華等[39]把優(yōu)化設(shè)計歸結(jié)為非線形規(guī)劃問題，采用罰函數(shù)法，對公路隧道整體式襯砌進(jìn)行了優(yōu)化研究。彭立敏等[40]應(yīng)用拉格朗日乘子法中不等式約束優(yōu)化問題的基本理論，建立了隧道鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算模型的目標(biāo)函數(shù)，對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并對工程實例進(jìn)行了分析比較。劉義虎[41]引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論中的簡易復(fù)合形優(yōu)化方法，探討了滿足建筑限界、通風(fēng)條件、受力狀態(tài)約束等條件下公路隧道襯砌斷面優(yōu)化設(shè)計模型，提出了3種襯砌斷面形狀（單心圓、坦三心圓和尖三心圓）的優(yōu)化選型方法。河海大學(xué)楊海霞[42]采用了任意離散度實數(shù)編碼遺傳算法對地下洞室群布置、開挖順序及支護進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計研究，創(chuàng)建了考慮開挖過程和地應(yīng)力方向的地下洞室群布局優(yōu)化設(shè)計模型和地下洞室群開挖順序動態(tài)規(guī)劃模型，提出了布錨巖體均化力學(xué)參數(shù)的支護優(yōu)化設(shè)計模型。安紅剛[43]在系統(tǒng)科學(xué)思想的指導(dǎo)下，以有限元為基礎(chǔ)，綜合GA（遺傳算法），ANN（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），AI（人工智能）提出了綜合集成的優(yōu)化方法。河海大學(xué)徐瑞祥[44]建立了以洞周幾何控制點的坐標(biāo)或洞形特征尺寸的設(shè)計變量，以洞周特征點偏差位移值和圍巖塑性區(qū)域面積的目標(biāo)函數(shù)，且滿足一定設(shè)計約束條件的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計模型。此外，周玉宏、楊小禮、劉貴應(yīng)、高一峰等[45～48]基于數(shù)值方法對隧道斷面形式、支護結(jié)構(gòu)參數(shù)、施工方法進(jìn)行了優(yōu)化分析。

隧道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性給其支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化帶來了一定的困難，也使得支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果更需要實踐的檢驗。就隧道支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化而言，可以優(yōu)化的因素非常之多，例如圍巖參數(shù)、支護結(jié)構(gòu)的參數(shù)、施工中的決策選擇等。但是，要同時將這么多因素全部進(jìn)行優(yōu)化幾乎是不可能的。在現(xiàn)有計算手段和優(yōu)化方法的限制下，只能在確定要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)的情況下，確定幾個合適的設(shè)計變量，通過對這些變量的搜索，來達(dá)到優(yōu)化的目的；或者分階段進(jìn)行優(yōu)化，即將優(yōu)化分成幾個階段，每個階段有各自的目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計變量，每個階段確定幾個設(shè)計變量，實踐證明，這樣進(jìn)行優(yōu)化能大幅提高搜索的效率，如果階段目標(biāo)函數(shù)選取得合理，能取得非常好的優(yōu)化效果。因此，有必要采用上述先進(jìn)的優(yōu)化理論對單洞四車道公路隧道不同施工階段的合理支護型式、支護設(shè)計參數(shù)以及二次襯砌支護時機與承載比例等進(jìn)行研究，最終提出適用于單洞四車道公路隧道的支護設(shè)計方案。

3 超大跨度公路隧道施工方法研究

3.1 超大跨度隧道在國外的發(fā)展

在超大跨度隧道修建技術(shù)方面，日本、韓國等國家曾一度處于領(lǐng)先地位，并在超大跨度公路隧道中積累了一些寶貴經(jīng)驗。如日本早期修建的第二東名公路三車道隧道，開挖斷面面積達(dá)115 m2。這些隧道多采用修筑超前導(dǎo)坑法修筑。另外，舞子隧道是神戶至鳴門的一座公路隧道，緊急停車帶開挖斷面面積為186.51 m2，采用TBM超前導(dǎo)坑法、CD法修筑。20世紀(jì)80年代后期，韓國以首爾為中心，將四車道高速公路大規(guī)模地改擴建為八車道高速公路，出現(xiàn)了四車道超大跨隧道，其中最早完工的是1992年開始建設(shè)的清溪隧道，左右線平均長度為500 m，開挖斷面面積達(dá)到186.42 m2，按隧道內(nèi)襯砌輪廓線計算，最大開挖跨度為19.68 m，高度為10.43 m，采用三心圓扁平拱式斷面。韓國京徽道賜牌山四車道隧道長度為3 993 m，最大開挖寬度和高度分別是19.69 m和10.2 m，是世界上最長的超大跨隧道，如圖2所示。截至目前，韓國在建和己建成的四車道大跨度公路隧道己經(jīng)有11座，均采用新奧法進(jìn)行設(shè)計與施工。

3.2 超大跨度隧道在國內(nèi)的發(fā)展

國內(nèi)也陸續(xù)修建了一些超大跨度隧道，如貴州凱里市大閣山隧道于2000年4月開工建設(shè)，2001年8月貫通，為國內(nèi)首座單洞雙向四車道公路隧道，全長496 m，最大開挖寬度為22 m，開挖高度為18 m，凈寬為18 m，采用側(cè)壁導(dǎo)坑先墻后拱法施工。遼寧沈大高速公路韓家?guī)X隧道（后改名金州隧道）于2002年8月開工建設(shè)，2003年4月上斷面貫通，2003年9月主體工程結(jié)束，設(shè)計時速為120 km，全長521 m，最大開挖寬度為22.48 m，最大開挖高度為15.52 m，凈寬為19.24 m，凈高為10.39 m，采用臺階法施工。深圳南坪快速路雅寶隧道于2006年2月貫通，設(shè)計時速為80 km，左線長262.5 m，右線長225.5 m，最大開挖寬度為21.1 m，最大開挖高度為13.7 m，凈寬為18.0 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與微臺階法施工。廣東京珠國道主干線廣州東環(huán)高速公路龍頭山隧道于2007年6月貫通，設(shè)計時速為100 km，全長為1 010 m，最大開挖寬度為21.6 m，最大開挖高度為13.6 m，隧道凈寬為17.5 m，凈高為8.95m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與臺階法施工。

通過以上超大跨度隧道的修建情況可以看出，目前國內(nèi)外在超大跨度隧道修建技術(shù)方面雖然已取得較大成就，但總體來講，四車道超大跨度公路隧道數(shù)量還不是很多，設(shè)計和施工經(jīng)驗還不夠成熟。國內(nèi)外采用過的施工方法有中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、TBM導(dǎo)坑法等工法，方法千差萬別，導(dǎo)致工程材料、工期、人力物力財力投入等差異明顯，設(shè)計和施工遠(yuǎn)沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化。

圖2 韓國賜牌山隧道（超大跨度雙向八車道公路隧道）

3.3 大跨度隧道施工方法的研究

在大跨度隧道施工方法的研究方面，國內(nèi)外專家、學(xué)者開展了大量的工作，取得了許多有價值的研究成果，并總結(jié)了很多寶貴的經(jīng)驗。

2001年，張崇棟[49]成功處理了京珠高速靠椅山三車道公路隧道大型塌方，總結(jié)得出了大跨度隧道大型塌方的處理方案：首先對陷穴進(jìn)行處理，利用注漿掛網(wǎng)噴混凝土對陷穴邊坡進(jìn)行穩(wěn)定處理；然后利用多次深孔注漿對塌方漏斗松散體進(jìn)行加固穩(wěn)定；最后用雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖輔以超前小導(dǎo)管進(jìn)行洞內(nèi)施工，開挖后立即進(jìn)行初期支護，并且二次襯砌緊跟。

2001年，李文江[50]研究了扁平率對大跨度隧道穩(wěn)定性的影響以及隧道支護結(jié)構(gòu)的彎曲分析，得出：應(yīng)力重分布隨著扁平率的減小而向著不利于洞室穩(wěn)定的方向發(fā)展，隨著拱頂受拉區(qū)的擴大，洞室兩側(cè)應(yīng)力集中也隨之增大；當(dāng)扁平率為0.6時，洞室周邊最大等效應(yīng)力集中系數(shù)是相同跨度圓形洞室的1.5倍。同時，襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力隨著扁平率的減小，其分布規(guī)律也向著不利于拱頂和跨中截面的方向發(fā)展。隧道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性主要受圍巖特性、材料性質(zhì)和拱部矢跨比因素的影響。結(jié)構(gòu)的極限承載能力隨矢跨比的降低急劇下降。

2002年，朱亮來[51]以杭州繞城高速公路黃鶴山隧道為依托，針對淺埋進(jìn)出口段落分別采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及微臺階法進(jìn)行研究，對比分析2種方法的優(yōu)缺點，得到采用微臺階法施工可以有效控制超挖，并減少對圍巖的破壞和影響，施工中及時施作初期支護，圍巖變形得到了有效的控制，為二次襯砌的施作打下了良好的基礎(chǔ)。

2003年，姚明會[52]結(jié)合廣州地鐵二號線公紀(jì)區(qū)間三線大跨度隧道（開挖跨度21.6 m）施工，闡述了城市地鐵大跨度隧道施工方法及施工要點，分析了雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工技術(shù)，提出施工中應(yīng)做到“短進(jìn)尺、早支護、勤量測、速反饋”，確保了結(jié)構(gòu)安全，成功解決了工藝復(fù)雜、相互干擾大、工期緊張、微震爆破、地表沉降控制等難題。

2005年，郝哲等[53]以金州公路隧道為依托，對大跨度隧道施工中的開挖變形、穩(wěn)定監(jiān)測和主動控制等若干問題進(jìn)行了探討，分析了最合理的圍巖應(yīng)力和變形特征，以及一次支護的受力特征及最合適的二次襯砌支護時機。黃生文等[54]運用有限元的基本原理，對處于設(shè)計階段的廣東牛湖山三車道公路隧道的圍巖應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過與一般隧道計算結(jié)果比較分析，給出了大跨度隧道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，為類似大跨度隧道的設(shè)計和施工提供了參考依據(jù)。肖林萍等[55]以京珠高速公路旦架哨單拱大跨度隧道工程為依托，通過現(xiàn)場監(jiān)控量測，結(jié)合地表地質(zhì)調(diào)查和隧道洞內(nèi)地質(zhì)觀察等，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和反饋，建立了隧道信息化施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報流程與模型，對重大地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了成功的預(yù)報，使隧道工程的設(shè)計和施工運作納入科學(xué)的動態(tài)管理中，保證了隧道施工的安全。王應(yīng)富等[56]利用有限元方法對四車道公路隧道的完整開挖過程進(jìn)行了動態(tài)模擬研究，對初期支護的剪力、圍巖的位移、彎矩動態(tài)變化以及錨桿軸力進(jìn)行了監(jiān)控，提出了大跨度隧道施工中容易出現(xiàn)的問題，并針對此問題提出了相應(yīng)的解決措施。

2006年，雷震宇等[57]以南京地鐵鼓—玄區(qū)間渡線段眼鏡法施工的隧道為例，利用增量法研究了大跨度隧道臨時支撐拆除過程中初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律，分析了不同斷面尺寸的大跨度隧道內(nèi)力變化受拆撐順序的影響，同時確定了合理的拆撐方案；通過三維拆撐計算，確定了縱向一次性拆撐長度。王海珍等[58]針對高跨比小、開挖跨度大、容易產(chǎn)生塌方和埋深淺特點的大跨度隧道，分析了不同級別圍巖開挖后隧道的穩(wěn)定特性，提出了不同級別圍巖地段隧道開挖的施工方法，并選擇了典型斷面對拱頂下沉進(jìn)行監(jiān)測，其結(jié)果指導(dǎo)了隧道施工，保證了隧道施工安全。

2007年，霍玉華等[59]通過對鄭西鐵路客運專線鳳凰嶺、高橋、潼洛川3座大跨度濕陷性黃土隧道的施工分析，總結(jié)出大跨度濕陷性黃土隧道Ⅴ級圍巖采用CRD法開挖的施工方法以及合理工序、步長、人員、機械設(shè)備配置；分析了水平收斂與開挖工序、黃土含水量、地表沉降、拱頂下沉、雨水的關(guān)系和變形規(guī)律。

2009年，周丁恒[60]以廣州龍頭山高速公路隧道為背景，介紹了四車道特大跨度隧道施工過程中支護體系應(yīng)力現(xiàn)場監(jiān)測的項目、方法及手段，對不同施工工序下隧道支護體系力學(xué)性態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與分析，結(jié)果表明：隧道主要監(jiān)測控制點為核心土上臺階、右導(dǎo)洞上臺階和左導(dǎo)洞下臺階；抑制隧道變形和改善結(jié)構(gòu)受力的有效途徑為封閉支護結(jié)構(gòu)以及對受拉錨桿的使用，即應(yīng)盡早施作仰拱和封閉成環(huán)。

2010年，楊錦峰[61]通過對平（涼）定（西）高速公路青嵐隧道現(xiàn)場圍巖情況的分析研究，制定了短臺階七步開挖法，并對其施工要點、施工工藝及施工優(yōu)點等進(jìn)行了總結(jié)，初步認(rèn)為該方法可以降低成本，縮短掘進(jìn)時間，提高工作效率。同時結(jié)合監(jiān)控量測結(jié)果的分析，給出了大跨度高濕度黃土隧道的受力和變形特點。

可見，以上有關(guān)大跨度隧道施工方法的研究成果多集中于三車道隧道，而對于四車道超大跨度隧道的施工技術(shù)研究還很少?，F(xiàn)有的適用于單洞三車道隧道的研究成果是否適應(yīng)于單洞四車道超大跨度隧道還不得而知。因此，有必要對單洞四車道超大跨度隧道施工工法進(jìn)行優(yōu)化研究，提出一套適用于單洞四車道超大跨度公路隧道的施工方法以及相應(yīng)的施工工藝與與質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

為了滿足交通運輸和人們出行的需求，新建和改擴建公路工程中出現(xiàn)了大量的雙向八車道超大跨度隧道。超大跨度公路隧道具有開挖斷面和跨度大、結(jié)構(gòu)扁平、拱薄等特點，給工程建設(shè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，往往成為工程建設(shè)中的咽喉工程。

隧道圍巖變形規(guī)律與支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)以及相應(yīng)的施工方法是隧道設(shè)計與施工綜合技術(shù)研究的主要方面。長期以來，國內(nèi)外隧道科技工作者針對這些方面開展了廣泛、深入的研究，取得了一系列研究成果，其中大部分已經(jīng)被列入相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)之中。同時也不難看出，這些成果大多適用于單洞雙車道和三車道的公路隧道，適用于單洞四車道超公路隧道的內(nèi)容很少。因此，迫切需要開展單洞四車道這類超大跨度公路隧道設(shè)計與施工的綜合技術(shù)研究，尤其需要對隧道圍巖變形規(guī)律與支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)和相應(yīng)的施工方法等方面進(jìn)行研究，為依托工程修正設(shè)計提供參考，為今后相似工程的設(shè)計提供借鑒，并為中國超大跨度公路隧道設(shè)計與施工規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。