山里打一条隧道：洞口为什么最险、洞壁为什么只有几十厘米、石头每差一级头顶压着的碎石就厚一倍

发布于 2027-02-20｜相关行业：公路桥隧

一条山岭隧道的图纸上有什么：从洞口到洞身

搜「隧道衬砌断面图」的人，手里多半是一套公路隧道的施工图，翻来翻去对不上号。一条山岭隧道的土建图纸大致是三样：洞口平面与立面图——洞门长什么样、洞口两侧和上方的山坡削成什么坡、坡顶的截水沟走哪条线；纵断面图——一条地面线翻山越岭，一条隧道线从山这头穿到那头，线下面按里程分段标着每段是几级围岩、用哪一种衬砌断面、哪一段是明洞、哪一段是暗洞；衬砌断面图——一个马蹄形的圈，圈外是围岩、圈上是几层支护、圈底是仰拱和路面，这是全套图里被翻得最多的一张。

这一期就沿着一条两车道山岭隧道走一遍：先在洞口停下来看洞门和山坡，再讲为什么洞口是最危险的一段；进洞以后讲新奥法——现在山岭隧道几乎全用的那套思路——它的三件事，以及它和老矿山法到底差在哪；然后讲围岩分级怎么决定支护厚度，一层一层剖开衬砌断面，最后讲超前支护和衬砌裂缝。四个算出来的数贯穿全篇：普氏平衡拱、规范荷载高度、洞口浅埋段长度、二衬开浇的位移速率。

洞门三种：端墙式、翼墙式、削竹式

洞门是隧道露在外面的那张脸，但它首先是一个挡土结构：挡住洞口上方的仰坡，不让落石和坍土掉到路面上，同时把洞口的水引走。公路隧道最常见三种：

端墙式：洞口正面立一堵竖直的混凝土墙，墙顶齐着山坡，隧道从墙上开的拱形口子里穿出来。墙背挡着仰坡的土，所以要按挡土墙设计。适合山坡陡、岩层较好、洞口正对山体的地方。翼墙式：端墙两侧再各加一道斜着张开的翼墙，像一对手臂把洞口两边的路堑边坡也抱住。翼墙既顶住端墙防止它前倾，又挡住两侧的土，用在地质较差、两侧边坡也需要支挡的洞口。削竹式：不砌墙，而是把洞口段的衬砌直接伸出山坡，端面斜着切掉一截，远看像一根斜削过的竹子插进山里，切面顺着山坡的坡度，洞顶回填土后植草，和山坡连成一片。刷坡最少、最不显眼，现在高速公路上看到的洞口大多是它。

选型的逻辑和路基那期的挡土墙一样：先看山坡站不站得住、要挡多少土，再看好不好看。规范（JTG 3370.1—2018 第 7.3.4 条）对削竹式的要求是切面的仰斜坡率陡于或等于原山坡或回填坡面，洞口段衬砌伸出坡面不小于 500 mm，并且用钢筋混凝土。

洞口边坡与仰坡：早进洞、晚出洞，少刷一刀坡

洞口一带的山坡有两个名字：仰坡是洞门正上方、迎着洞口的那面坡，边坡是洞口两侧顺着路线方向的路堑坡。路基那一期讲过，一个坡能不能站住看坡比、看水、看防护；隧道洞口的特殊在于：刷坡越多，要防护的高边坡越高，隧道本身反而越短。

所以规范把「早进洞、晚出洞」写成了洞口设计的第一条原则，并明确「不得大挖大刷」：宁可让隧道早一点钻进山里、多做几十米隧道，也不要在洞口切出一面几十米高的仰坡。实在切了，就用放坡、喷锚、支挡或者接长明洞来处理——明洞是在洞口外用明挖法修的一段隧道衬砌，修好后在顶上回填土，等于人为把山坡「补」出来，隧道从明洞里进山。仰坡顶外面照例要有一道截水沟，把山上的水截住，不让它顺着仰坡冲下来。

这里只讲洞口和隧道的关系；边坡稳定怎么算、护坡有哪几种，和路基边坡是同一套账。

洞口为什么最险：缓坡进洞，前面几十米都盖不住

隧道挖开以后，拱顶上方有一块岩土会松下来，再往上的岩土能自己拱起来站住。按规范的算法（下面几节细讲），一条 100 km/h 两车道隧道在 Ⅴ 级围岩里，拱顶上要托住的松散岩土高度 hq 约 13.1 m；拱顶以上的覆盖要有 2.5 倍 hq、也就是 32.8 m，岩土才拱得起来，这个深度叫深浅埋分界 Hp。覆盖浅于 Hp 就是浅埋，荷载要按上面那块土柱算；浅于 hq，拱顶上的土就整块压下来。

洞口恰好是覆盖从零开始长的地方。隧道正交山坡进洞，覆盖厚度 = 水平距离 × 坡角的正切：30° 的山坡，从洞口往里 57 m 内都是浅埋，其中头 23 m 是整块土柱压着；山坡缓到 20°，浅埋段拉长到 90 m；45° 的陡坡只有 33 m。

这就是洞口为什么是全隧最危险的一段，也解释了几件图纸上常见的事：洞口段衬砌一律用钢筋混凝土、支护参数比同级围岩的洞身更强；洞口一进去常常先打一圈管棚；缓坡进洞宁可接长明洞；洞口段还要加测地表沉降。山坡越缓，这些措施就要铺得越长。

新奥法是什么：让山自己扛

新奥法（新奥地利隧道施工法，NATM）是 20 世纪 60 年代奥地利工程师总结提出的。它的核心只有一句话：围岩自己就是承载结构的一部分。洞挖开之后，不是赶紧砌一圈厚墙把山顶住，而是马上喷一层薄而有韧性的混凝土、打一圈锚杆，让洞壁附近那一圈岩石不松散、不掉块，允许它有控制地变形一点，于是这一圈岩石和支护一起形成一道承载环，把大部分山压「拱」到两侧去。支护要扛的只是松下来的那一小块。

要做到这一点，有三件事缺一不可，国内教材和工地上叫新奥法三要素：光面爆破——爆破时尽量不把洞壁外的岩石震松，保住那圈要承载的岩石；锚喷支护——开挖后几小时内喷混凝土、打锚杆，趁岩石还没松开就把它「缝」住；监控量测——天天量洞壁往里挪了多少，用数据判断支护够不够、什么时候可以做二次衬砌。三者分别管「少破坏」「快加固」「看着办」。

三要素之一 · 光面爆破：洞壁上要看得见半个炮眼

普通爆破只管把石头炸碎，光面爆破要的是沿设计轮廓切出一个光滑的面。做法是把最外一圈周边眼打得比里面密（间距一般四五十到六七十厘米，软岩取小值），每孔少装药、装得匀，并且在里面的炮眼炸完之后同时起爆。几个炮眼之间的岩石沿着孔的连线裂开，一刀切下来。

验收看的是洞壁上的半孔——一个炮眼被从中间劈开，留在岩面上的那半个圆槽。半孔又多又直，说明轮廓外的岩石基本没被震裂。它的意义不只是好看：超挖少了，要回填的喷混凝土少了；更重要的是，新奥法要靠来承载的就是洞壁外那一圈岩石，爆破时把它震碎了，后面喷多厚都是在补救。

三要素之二 · 锚喷支护：几小时内把岩石缝住

开挖一个循环、出完渣，第一件事是初喷一层几厘米的混凝土把新鲜岩面封住，然后按梅花形打系统锚杆——垂直洞壁、呈放射状伸进岩体两三米，再挂钢筋网、复喷到设计厚度；围岩差的段落还要每隔半米到一米立一榀钢架（型钢拱架或格栅拱架），喷混凝土把钢架也包进去。这一整套叫初期支护，规范要求它按永久结构设计，不是临时撑一下。

这里要和前两期分清：路基那一期路堑边坡上的「喷锚防护」，是封住坡面不让岩石风化剥落，坡体稳定靠的是坡比本身；深基坑那一期的土钉墙，是在土里斜打土钉、靠摩阻力把一块土缝成复合体去挡土。隧道里的锚杆是径向打进一整圈岩石里的，它把开挖后松动的那一圈岩石压紧、串起来，让它成为一道厚厚的「岩石拱」——支护结构其实是这道拱，喷层和锚杆只是它的「钉子」和「皮」。

时机是关键：岩石暴露得越久越松，松了再加固就晚了。所以越差的围岩，每一循环挖得越短、喷得越早，Ⅴ 级围岩常常挖一榀钢架的距离就要立架喷护。

三要素之三 · 监控量测：量的是山还在不在挤

初支做完，洞壁上每隔一段就埋一组测点：拱顶下沉（拱顶测点往下掉了多少）、周边收敛（两侧边墙测点之间的距离缩了多少），洞口浅埋段再加地表沉降；这几项是必测，另外还有围岩内部位移、锚杆轴力、钢架应力等选测项目。每天或隔天测一次，画成时间曲线。

和深基坑那一期的监测不是一回事。基坑监测盯的是周边的房子和管线，所以有预警值、报警值，超了就停挖；隧道量测首先是设计的一部分——规范要求隧道「动态设计、信息化施工」：曲线收敛得快，说明支护够了甚至偏强，可以减弱；迟迟不收敛，说明要加长锚杆、加密钢架、提前封闭仰拱；曲线平了，就是浇二次衬砌的信号。

什么时候能浇二衬：位移速率降到 0.2 mm/d 以下

公路隧道施工技术规范对二次衬砌开浇的条件写得很具体：各项位移速率明显收敛，已经产生的位移达到预计总位移的 80%–90%，周边收敛速率小于 0.1–0.2 mm/d（或拱顶下沉速率小于 0.07–0.15 mm/d）。三条都满足，说明围岩和初支基本稳了，这时再浇的二衬主要当安全储备，不会一浇上就被山挤裂。

用一条最常用的指数收敛曲线算一下（U 是最终收敛量、τ 是时间常数，都是示意量级）：较好围岩最终收敛 20 mm、τ = 7 天，速率降到 0.2 mm/d 是第 18.6 天，此时完成了 93%；软弱围岩最终收敛 80 mm（两车道 Ⅴ 级预留变形量的下限）、τ = 15 天，要等到第 49.3 天，完成 96%——而它完成八成只用了 24.1 天。收敛量越大，速率这一条卡得越严，比「完成八成」晚了一倍。

软弱围岩的尴尬也在这里：等它慢慢收敛，初支可能先撑不住。所以 Ⅴ 级、浅埋、大变形段常常不等完全稳定就提前浇二衬，这时二衬就不能只当储备，必须按承载结构设计。两件事要分开看：支护参数表里 Ⅴ 级二衬本来就写着「钢筋混凝土」，因为软弱围岩后期荷载本就大；提前浇只是让它承担得更早、更多。

新奥法和矿山法的区别：一个是思路，一个是做法

这是最容易吵起来的一个问题，先把名字理清。国内说「矿山法」有两种用法：广义的矿山法就是钻爆法，泛指用钻眼爆破在岩石里开挖的一切暗挖隧道，新奥法也算在里面（铁路和地铁图纸上常写「矿山法（新奥法）」）；狭义的、和新奥法对着说的，是传统矿山法——从采矿巷道沿用下来的老做法：挖开一段，用密密的木头或钢构件架子把洞顶住，等整个断面挖完，再砌一圈很厚的石头或混凝土衬砌，把架子拆掉或者埋在里面。

两者真正的区别不在炸药和钻机——工具几乎一样——而在把山当成什么。传统矿山法把山当成荷载：认为洞顶那块岩石迟早要塌下来压在衬砌上，所以衬砌做得又厚又硬，支撑只是临时的；新奥法把山当成结构：趁它还没松，赶快用锚杆和喷层把它加固成承载环，初支是永久的，后面的二衬薄一些也够。前者「顶住」，后者「帮它自己站住」。

所以说新奥法是一套理念，而不是一种固定的开挖方法：全断面法、台阶法、中隔壁法都可以按新奥法的思路做。城市里浅埋暗挖修地铁用的「浅埋暗挖法」，本质上也是新奥法思路在软土里的变体，只是更强调管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测。

普氏平衡拱：石头越硬，拱顶上要扛的越薄

松下来的那一块到底有多高？最直观的一种算法是普罗托季亚科诺夫（普氏）的平衡拱理论：洞挖开后，拱顶上方的岩土会塌落成一个抛物线形的拱，拱以上的岩土自己站住，支护只要托住拱内这一块。拱高 h = b / f，b 是拱的半跨（这里取两车道 Ⅴ 级开挖宽度的一半，6.6 m），f 是岩石的坚固系数，粗略等于岩石单轴抗压强度（MPa）除以 10。

算出来：f = 1 的软岩，平衡拱高 6.6 m；f = 2 是 3.3 m；f = 4 是 1.7 m；f = 6 的坚硬岩只有 1.1 m，差 6 倍。这就是为什么同一条隧道，好岩段的衬砌可以比坏岩段薄得多。

它的前提是岩土能拱得起来：拱顶上面得有足够厚的覆盖，岩体也不能碎到流动。洞口浅埋段拱不起来，普氏理论就不适用了——这正是上面那张洞口图说的事。普氏理论是一个很粗的模型，今天的设计按规范的围岩分级来算，但「石头越好，要托住的那块越小」这个直觉是一样的。

围岩分级：六级怎么分，掌子面长什么样

公路隧道把围岩分成 Ⅰ 到 Ⅵ 六级，Ⅰ 级最好、Ⅵ 级最差。分级看两件事：岩石本身硬不硬（坚硬岩、较坚硬岩、较软岩、软岩、极软岩）和岩体完不完整（完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎），两者合成一个岩体基本质量指标 BQ，再按地下水、软弱结构面、地应力修正。站在掌子面前，Ⅰ、Ⅱ 级是一整块几乎没有裂隙的硬岩；Ⅲ 级能看到几组节理，但岩块大、咬合好；Ⅳ 级裂隙纵横、岩块小，掉块常见；Ⅴ 级是碎石土、强风化岩或断层破碎带，挖开就往下淌；Ⅵ 级是软塑的黏土、饱和的砂土这类，靠常规支护已经站不住。

纵断面图上那一排按里程分段的罗马数字就是它。围岩级别一变，下面的开挖方法、支护参数、衬砌断面编号全都跟着换——看图先看这一排。

围岩每差一级，头顶压下来的就厚一倍

规范计算深埋隧道松散荷载的公式是 q = γh，h = 0.45 × 2^(S−1) × ω：S 是围岩级别，ω = 1 + i(B−5) 是宽度影响系数，B 是开挖宽度，i 按宽度取 0.1 或 0.12。关键是那个 2 的 (S−1) 次方——围岩每差一级，荷载计算高度就翻一倍。

拿一条 100 km/h 的高速公路隧道算：两车道内轮廓宽 11.40 m，加上二衬、喷层和预留变形，开挖宽约 12.4–13.2 m；三车道内轮廓 15.38 m，开挖宽约 16.8–17.5 m。两车道 Ⅲ 级荷载高度 3.1 m、Ⅳ 级 6.4 m、Ⅴ 级 13.1 m，差两级高度差 4.2 倍；乘上各级围岩的重度，竖向压力分别是 78、147、262 kPa。同样是 Ⅴ 级，三车道 18.0 m，比两车道高出 37%——洞挖得越宽，要托住的松散岩土越多。

这一张图解释了下一张表：支护参数为什么是一级一级往上跳的，三车道为什么同级比两车道厚一档。

支护参数怎么跟着围岩级别走：一张表

规范附录给了两车道隧道复合式衬砌的参考参数，设计图上的衬砌类型（常写成 S3、S4a、S5b 这类编号）基本就是在这张表的区间里取值。按级别往下看：Ⅰ、Ⅱ 级只喷 5–8 cm、局部打锚杆；Ⅲ 级喷 8–12 cm，拱墙系统锚杆 2–3 m；Ⅳ 级喷 12–20 cm，锚杆加长到 2.5–3 m，开始可以上钢架，仰拱也可以设了；Ⅴ 级喷 18–28 cm，锚杆 3–3.5 m，钢架连仰拱一起闭合，二衬改用钢筋混凝土。

两个要点。一是初支涨得比二衬快：从 Ⅲ 级到 Ⅴ 级，喷层上限从 12 cm 涨到 28 cm、翻了一倍多，二衬只从 35 cm 涨到 50 cm——新奥法的主力在初支和围岩。二是表里写的是两车道；三车道同级喷层、锚杆、二衬都要厚一档（Ⅴ 级喷 20–30 cm、锚杆 3.5–4.0 m、二衬 50–60 cm）。

开挖方法：全断面、台阶、中隔壁、双侧壁导坑

围岩越差，一次挖开的面积越小。全断面法：整个断面一次打眼一次爆破，速度最快，用在 Ⅰ–Ⅲ 级的好岩里。台阶法：把断面分成上下两层（或上中下三层），上台阶先挖先支护，下台阶跟在后面几米到十几米，是 Ⅲ–Ⅳ 级最常用的办法，也常用在 Ⅴ 级。中隔壁法（CD 法）/ 交叉中隔壁法（CRD 法）：用一道竖直的临时钢架加喷混凝土把断面分成左右两半，一侧先挖先支护、另一侧跟进，CRD 再加横向临时仰拱把每一半又分成上下两格，用在 Ⅴ 级浅埋、大跨的段落。双侧壁导坑法：先在两侧各挖一个小导洞并支护好，再挖中间，像先立两根柱子再架梁，是三车道、四车道大断面浅埋段最稳也最慢的办法。

看开挖方法图，最要紧的是分块的编号顺序和临时支护什么时候拆：临时中隔壁、临时仰拱都要等二衬前才拆，拆早了就是把刚分好的格子又打通了。

隧道衬砌断面图：从外到里六层

「隧道衬砌是什么意思」——衬砌就是贴着洞壁做的那一圈永久结构，把岩壁「衬」起来、「砌」成一个稳定的管子。公路山岭隧道现在几乎全用复合式衬砌，衬砌断面图从外到里是这几层：

① 围岩与系统锚杆：最外面是岩体，一圈放射状的锚杆伸进去。② 初期支护：钢筋网、钢架和喷射混凝土，紧贴岩面，厚度 5–28 cm 随围岩级别变。③ 防水层：一层无纺土工布（缓冲、导水）加一层塑料防水板，挂在初支表面，把山里的水挡在二衬外面；防水板背后环向和纵向铺着排水盲管，把水引到边墙脚的排水沟。④ 二次衬砌：用模板台车现浇的混凝土，拱部和边墙连成一体，30–50 cm 厚，洞里看到的光滑拱面就是它。⑤ 仰拱：断面底部那道向下弯的弧，把两侧边墙脚连起来，让衬砌闭合成一个环。⑥ 仰拱填充与路面：仰拱上面用混凝土填平，再铺路面，中心或两侧埋排水沟。

初支和二衬之间隔着防水层，所以叫「复合」：外层初支和围岩一起承受开挖后的主要荷载，内层二衬作为安全储备并承担后期荷载、水压和耐久性要求；两层之间不粘连，各自受力。

仰拱：为什么隧道的「底」也要做成拱

衬砌如果只有拱和墙，两侧墙脚就是两只踩在岩土上的「脚」。好岩里没问题，差的岩土里，四周的压力会把两只脚往里挤、把洞底往上顶——隧道底鼓、边墙内移、路面开裂，都是这个毛病。仰拱把两只脚连起来，衬砌变成一个闭合的环，受力就从「两根柱子」变成「一根管子」。

所以规范的做法是：Ⅳ 级以下软弱围岩一般要设仰拱，Ⅴ 级初支阶段钢架就要连着仰拱一起闭合；设了仰拱的段落，仰拱先于边墙和拱圈施作，而且要紧跟掌子面——施工安全规范对仰拱离掌子面的最大距离有硬规定：Ⅲ 级不超过 90 m、Ⅳ 级不超过 50 m、Ⅴ 级及以上不超过 40 m。环闭合得越早，变形越小。

一条隧道洞里的施工顺序：掌子面、仰拱、二衬各在哪

从洞口往里看一条正在施工的隧道，是一条拉开的流水线：最前面是掌子面，台阶法的上台阶、下台阶一前一后；后面几十米是已经喷好的初支段，灰色、粗糙，墙上挂着收敛测点；再往后是仰拱作业区，一座架在仰拱基坑上的栈桥让车辆从上面通过，下面在浇仰拱；再往后是铺防水板的台架；最后面是一台几十吨重的二衬台车，一段一段往前浇光滑的二衬。

这几道工序之间的距离叫安全步距：仰拱离掌子面不能太远（上一节的 40/50/90 m），二衬离掌子面也有上限。距离拉得太长，意味着有一大段洞只有初支、环没闭合，一旦围岩变形加速就会出事。看施工组织图，这几段的相对位置和距离是审图的重点。

辅助工法：超前小导管与管棚——先打伞，再进洞

碰上洞口浅埋、断层破碎带、土质围岩，挖开的那一刻顶上就可能掉，等不到喷混凝土。办法是在开挖之前，先沿着拱部轮廓往前方斜着打一圈管子，像一把伞撑在要挖的那段上方，这类措施叫超前支护。

超前小导管：直径四十毫米上下的钢管，长三到五米，沿拱部轮廓以一个小外插角往前上方打进去，管壁上有孔，打完往里压注水泥浆，把前方松散的岩土固结成一圈硬壳，每挖几个循环再打一轮，前后要有搭接。管棚：直径一百毫米上下的钢管，长十几到几十米，一次打穿整个危险段，管内注浆或插钢筋笼，管尾搭在洞口的套拱（一段加厚的钢筋混凝土拱）上，像一排钢梁从洞口一直伸进山里。管棚刚度大、打一次管得长，是洞口进洞和穿越断层的标配；小导管轻便、循环打，是洞身软弱段的日常手段。

图纸上它们都是拱部外侧一圈斜向前方的细线，区别看长度和直径：几米长、一圈跟着开挖走的是小导管；十几米以上、从套拱里一次打出去的是管棚。

隧道衬砌裂缝原因：先看裂缝往哪个方向走

衬砌裂缝按走向分三种，走向本身就指着原因。环向裂缝：沿着隧道横断面一圈，像把管子横着切了一刀。最常见，多半是二衬降温收缩、混凝土干缩，或者围岩软硬交界处纵向不均匀沉降引起的，一般危害较小。纵向裂缝：顺着隧道方向走，多在拱顶或拱腰。这是最要警惕的一种，说明衬砌在横断面上受弯受压超过了能力——围岩压力大于设计、偏压、二衬厚度不足，或者拱顶背后有空洞（二衬混凝土没浇满，拱顶和防水板之间留了一个空腔，衬砌局部失去围岩支托）。斜向裂缝：和隧道轴线斜交，多出现在边墙，通常是偏压或不均匀沉降的信号。

施工上的原因往往叠在一起：拆模太早、养护不足、二衬浇筑太早（初支还在变形，见上文 0.2 mm/d 那一节）、仰拱没做或做薄了、排水不畅导致衬砌背后积水压力上升。规范把宽度大于 0.2 mm 的裂缝视为有害裂缝——超过这个宽度，水就会渗进来。检测时先分走向、再量宽度和长度、再敲击或雷达查背后空洞。

环向裂缝的一笔账：拽住的话，降 6.7 度就裂

最常见的环向裂缝可以算一下。二衬浇筑后水泥放热，几十厘米厚的混凝土内部会升温，然后慢慢降回洞里的气温，同时混凝土还在干缩；它想缩，但外面被初支、端头被前一段已经硬了的二衬拽着，缩不动就受拉。拉应力 σ = R·E·α·ΔT：C30 混凝土的弹性模量 E 取 3.0 万 MPa，线膨胀系数 α 取 1.0×10⁻⁵/℃（和桥梁那期合龙温差用的是同一个值），R 是约束程度。

完全拽住（R = 1）时，每降 1 ℃ 拉应力涨 0.30 MPa，C30 的抗拉强度标准值 2.01 MPa，降 6.7 ℃ 就到头了；约束减半要降 13.4 ℃；约束只剩三成要降 22.3 ℃。这笔账解释了两件图纸上的事：初支和二衬之间的防水板除了防水，还让二衬能在初支上滑动、大大减弱约束；二衬每浇一段（一个台车长度）就留一道环向施工缝，让它分段缩，裂缝就开在缝上而不是开在混凝土中间。

以上只看量级：早龄期混凝土强度偏低、徐变又会松弛一部分应力，真实开裂还和配合比、养护、入模温度有关。

常见问题

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