公路隧道全工序机械化设计施工
０ 引言
近年来，随着我国交通事业的蓬勃发展，公路隧道的建设数量与规模持续增长。双车道和三车道公路隧道作为常见类型，在缓解交通拥堵、优化路网结构等方面发挥着关键作用。然而，传统公路隧道施工方法在效率、质量和安全等方面难以满足当下大规模、高标准、高质量建设需求。李钊等研究凿岩台车、多功能拱架安装车等７种配套设备在隧道施工中的应用，施工过程中能降低劳动强度，降低施工风险，加快进度，但对全工序机械化施工带来的设计阶段调整未做研究；朱曦提出高速公路机械化配套施工设计四大原则，为隧道机械化施工标准化提供理论依据，但主要研究内容局限于机械选型方向，对施工方法和设计内容也未做介绍；邢小宇等根据依托项目对全电脑三臂凿岩台车，智能拱锚一体化台车设备选型进行优化，仅针对隧道开挖和初支支护阶段；黄柯铭阐述三臂凿岩台车在公路隧道施工中的应用，根据施工情况总结机械化施工中存在的问题，并强调隧道机械化施工是施工企业必须进行的革命，同样缺少对设计和施工全工序的研究；张朝阳围绕高速公路隧道机械化配套施工技术，分析施工中的具体应用效果和优化策略，施工阶段研究内容较为全面，但设计阶段未作阐述。
现有研究普遍存在对设计阶段全工序机械化带来的调整研究不充分，机械化选型配套研究不够全面等问题，在具体实施过程中多面临技术标准不统一、设备选型不合理、设计施工参数调整不及时，导致传统设计施工方法仍占据主流，公路隧道推行全工序机械化施工迫在眉睫。
铁路隧道建设长期以来在全工序机械化施工领域积累丰富经验，通过标准化设计、专业化设备配置、精细化施工管理，实现高效、安全、优质的隧道建造。本文借鉴铁路隧道全工序机械化施工的成功经验，从断面形式、施工方法、支护体系等角度对比分析，结合公路隧道自身特点探索公路隧道全工序机械化路径，在机械配置、施工方法调整、支护参数调整等方面给出建议，对提升公路隧道建设水平、推动交通基础设施建设高质量发展具有现实意义。
１ 铁路隧道机械化设计施工
１．１ 国外现状
以挪威、瑞典为代表的北欧国家，因地层以火成岩为主，施工中采用锚喷支护结构，大量应用钢纤维喷混凝土。同时重视锚杆作用，其以锚杆作为隧道的主要支护手段，用喷混凝土或钢纤维喷混凝土对系统锚杆补强。工序简便，方便大型机械施工。施工上推行全工序机械化的全断面法，掌子面仅需３～５人，效率很高。
意大利采用岩土变形控制设计方法，着重把控掌子面核心土超前变形以取代传统分部开挖法为大型机械创造施工空间。施工中大量结合掌子面纤维锚杆、管棚、超前注浆等技术，同样采用全工序机械化的全断面施工方式，机械效率高，掌子面人数仅约３人。
日本采用复合式衬砌，注重施工过程控制与工法效应，针对硬质岩和软质岩进行区分设计。施工运用全工序机械化的全断面或短台阶快速封闭工法，作业人员少，且施工质量水平很高。
以上现状表明分部开挖法不是隧道施工的唯一选项，在采取适当的围���预加固等措施前提下，隧道可实现全断面或台阶法开挖，为大型机械施工创造良好条件，隧道采用全工序机械化施工是可行的。
１．２ 国内现状
在国内，铁路隧道施工技术发展进程中，尽管《铁路隧道机械化全断面设计施工指南》（ＱＣＲ９５７５-２０２１）已于２０２１年发布，但传统设计施工方法仍占据主导地位。在Ⅳ～Ⅴ级围岩施工时，多台阶分部开挖方法依旧普遍，围岩状况越差，分部数量越多，致使施工功效极为缓慢。全工序机械化施工仅在部分项目开展试点，尚未实现全面推广。
伴随郑万高铁、西昆高铁等项目在全工序机械化设计施工方面积累丰富经验，《铁路隧道全工序机械化设计施工技术规程》（Ｑ-ＣＲ９２６５-２０２５）于２０２５年第２季度正式发布，意味着铁路隧道全工序机械化设计施工迎来全面推行阶段。铁路隧道建设将大力推进机械化作业，从开挖、支护到衬砌等各环节，均会借助先进机械设备，提高施工效率与质量，减少人力依赖，推动铁路隧道建设迈向新高度，提升我国铁路建设的整体现代化水平。
２ 公路与铁路隧道差异分析
２．１ 断面形式与尺寸差异
公路隧道常规断面主要以双车道和三车道为主，其中双车道断面开挖跨度约１２.５～１４.５ｍ，断面高度约８～９ｍ；三车道断面开挖跨度约１６.５～１７.５ｍ，断面高度约８～９ｍ。铁路隧道双线断面开挖跨度约１１.５～１４.８ｍ，断面高度约８～９ｍ，在轮廓形状方面，公路隧道双车道断面与铁路隧道断面相似，多为三心圆断面，公路隧道三车道断面多采用４心圆，断面较为扁平，扁平断面意味着拱部结构需要更高的支护强度（如增加锚杆长度、加密钢拱架间距），以抵抗更大的竖向围岩压力。综上，公路隧道双车道断面与铁路隧道双线断面类似，三车道断面相差较大，主要体现在断面宽度上。
２．２ 施工工法差异
表１和表２分别为公路隧道和铁路隧道双线断面采用传统工艺时的主要施工工法。采用传统工艺时铁路隧道Ⅱ级围岩主要采用全断面法，循环进尺约５～８ｍ，Ⅲ～Ⅳ级围岩主要采用上下台阶法，循环进尺约３～５ｍ，Ⅴ级围岩主要以３台阶法为主，循环进尺约１～２品钢架间距。公路隧道双车道断面Ⅱ～Ⅲ级围岩主要采用全断面法，Ⅳ级围岩主要采用台阶法，Ⅴ级围岩以台阶法、预留核心土法，分部开挖法为主；三车道公路隧道（开挖面积１６０ｍ²左右）比铁路双线隧道（１００ｍ²左右）断面大得多，大断面让公路隧道面临围岩自稳定难、工序复杂、支护强度高的问题，这是两者施工的核心差异，三车道断面Ⅱ～Ⅲ级围岩主要采用全断面法，Ⅳ级围岩主要采用台阶法，预留核心土法，Ⅴ级围岩只能以分部开挖法施工。两表对比可看出双车道公路隧道与铁路双线隧道施工方法类似，三车道公路隧道断面跨度大，Ⅱ～Ⅳ级围岩以台阶法为主，Ⅴ级围岩均采用分部开挖法施工，因此三车道隧道采用全工序机械化施工时需要注意适当缩短施工进尺，确保大断面施工时洞身稳定。
２．３ 支护参数
公路隧道与铁路隧道由于断面尺寸、荷载计算方式等因素影响，支护参数也存在区别，表３和表４分别为公路隧道双车道断面和铁路隧道双线断面采用传统工艺时的主要支护参数，两表对比可看出公路隧道支护参数在喷射混凝土厚度、锚杆长度、钢架间距、二衬厚度方面取值比铁路隧道低，这与公路隧道和铁路隧道荷载差异、支护结构验算安全系数取值等因素有关，铁路隧道结构验算安全系数取值比公路隧道高，因此铁路隧道采用全工序机械化施工时采用的支护参数加强措施借鉴到公路隧道中是可行的。
３ 公路隧道全工序机械化设计施工建议
３．１ 设备选型
对于双车道断面可借鉴铁路双线隧道经验，超前地质预报可根据探测需求选用凿岩台车、多功能钻机。超前管棚、小导管、纤维锚杆等钻孔作业选用凿岩台车或多功能钻机。开挖钻孔作业可采用凿岩台车，配置智能化凿岩台车，实现自动布孔、钻孔、轮廓扫描、动态调控等功能。锚杆钻孔作业时，可采用凿岩台车、钻锚注一体机等。钢架安装作业应采用钢架安装台车或多功能台架。喷射混凝土作业应使用混凝土湿喷台车。隧道初期支护基面处理及防水板铺设作业采用具有防水板铺设、衬砌钢筋安装功能的综合作业台车。仰拱及填充施工使用自行式仰拱栈桥，栈桥跨度不宜小于２４ｍ。衬砌混凝土浇筑采用带有分仓入模、分层浇筑及振捣功能的衬砌台车，具备混凝土灌注压力监测、拱顶饱满度测量、入模温度记录等信息化功能。
对于三车道断面基本可沿用双车道断面机械，但部分机械规格和参数需要进行适应性调整，建议如下：三车道断面宽度更大，凿岩台车操作宽度范围应适当加大，建议操作范围为１８ｍ×１１ｍ，同理钻锚注一体机建议操作范围为１８ｍ×１１ｍ，设备选型建议见表５。
３．２ 施工工法
铁路隧道采用全工序机械化施工后对施工方法进行了调整以适应机械化施工要求，Ⅱ～Ⅳ级围岩可采用全断面施工方法，Ⅴ级围岩在采取有效措施经论证后也可采用全断面法施工。掌子面可设置为一定坡率的斜面。循环进尺Ⅱ、Ⅲ级不大于４.５ｍ，Ⅳ、Ⅴ级不大于三榀钢架，如图２～３所示。
Ⅳ～Ⅴ级围岩可采用微台阶施工方法。掌子面设置为台阶状，台阶长度３～５ｍ，上台阶高度为设计断面高度的１／２～２／３。循环进尺不得超过３榀钢架间距。如图４～５所示。
考虑到公路双车道断面与铁路双线隧道断面相似，且采用传统工艺时施工方法基本一致，建议双车道公路隧道可基本延用铁路隧道全工序机械化施工时的工法。而对于３车道由于断面较宽，建议施工方法调整如下：Ⅱ、Ⅲ可采用全断面施工方法，建议减小循环进尺，循环进尺不大于３ｍ。Ⅳ、Ⅴ采用微台阶施工方法，建议减小循环进尺，循环进尺不得超过１～２榀钢架间距。
３．３ 支护参数
铁路隧道采用全工序机械化施工后对支护参数进行了调整，确保采用全断面和微台阶施工时围岩稳定性。铁路双线隧道初支调整内容主要有：喷射混凝土由Ｃ２５混凝土调整为Ｃ３０早高强混凝土，注重早期强度；系统锚杆调整由原来Φ２５普通中空锚杆调整为Φ２５预应力锚杆；Ｖ级围岩超前支护由超前小导管调整为Φ７６中管棚。Ｖ级围岩风化严重地段及断层破碎地段，为确保掌子面稳定，掌子面增加１０ｍ长玻纤锚杆支护措施，见图６。
根据前文采用传统工艺时公路隧道与铁路隧道的支护参数对比，双车道公路隧道采用全工序机械化设计施工时采用铁路双线隧道调整办法是合适的。３车道公路隧道建议适当加强，早高强混凝土等级可提高为Ｃ３５及以上，Ｖ级围岩超前支护由超前小导管调整为Φ８９中管棚，Ｖ级围岩风化严重地段及断层破碎地段，掌子面可采用２０ｍ长玻纤锚杆支护措施，确保大断面隧道全工序施工时洞身稳定。
３．４ 进度指标
公路隧道设计相关规范中没有掘进指标的规定，隧道施工工期只能根据设计师经验来确定。对于双车道和３车道断面隧道采用全工序设计施工时建议参考铁路双线隧道指标，详见表６，对于浅埋隧道、地质复杂隧道、高原地区、隧道反坡施工的进度指标可进行适当降低。
４ 结论与建议
本文借鉴铁路隧道全工序机械化施工的成功做法，结合公路隧道自身特点从技术标准、设备配置、施工方法、支护体系等角度，探索适用于公路隧道的全工序机械化设计施工的路径，对于提升公路隧道建设水平、推动交通基础设施建设高质量发展具有重要现实意义。取得了以下几点结论。
１）公路隧道双车道断面形状和尺寸与铁路隧道双线断面类似，机械设备选用可借鉴铁路隧道双线断面，三车道断面较扁平，且跨度较大，部分机械如凿岩台车的操作范围应相应加大。
２）公路隧道双车道施工方法可借鉴铁路隧道双线断面，Ⅱ～Ⅳ级围岩可采用全断面施工方法，Ⅳ～Ⅴ级围岩可采用微台阶施工方法。三车道由于断面较宽，建议施工方法调整如下：Ⅱ、Ⅲ可采用全断面施工方法，建议减小循环进尺，循环进尺不大于３ｍ。Ⅳ、Ⅴ采用微台阶施工方法，建议减小循环进尺，循环进尺不得超过２榀钢架间距，进度指标可参考铁路双线隧道指标。
３）双车道公路隧道建议借鉴铁路双线隧道调整办法，喷射混凝土由Ｃ２５混凝土调整为Ｃ３０早高强混凝土以上级别，注重早期强度；系统锚杆调整由原来Φ２５普通中空锚杆调整为Φ２５预应力锚杆；Ｖ级围岩超前支护由超前小导管调整为Φ７６中管棚，三车道公路隧道建议适当加强，早高强混凝土等级可提高为Ｃ３５，Ｖ级围岩超前支护由超前小导管调整为Φ８９中管棚。