隧道优化设计探讨
一、关于冻胀力（这里只讨论防水板以外的冻胀并假设防水板紧邻的外侧是有水的）
土中的水可区分为结合水和自由水两大类，结合水根据其所受分子引力的大小分为强结合水和弱结合水；自由水则可分为重力水和毛细水。重力水在0℃时冻结，毛细水因受表面张力的作用其冰点稍低于0℃；结合水的冰点则随着其受到的引力的增加而降低，弱结合水的外层-0.5℃时冻结，越靠近土粒表面其冰点越低，弱结合水要在-20 ~ -30℃时才全部冻结，而强结合水在-78℃仍不冻结。
当大气温度降至负温时，隧道衬砌温度随之降低，零度温度线逐渐向围岩方向推移，越过防水板后，喷射混凝土开始冻结，其孔隙中的自由水先冻结成冰晶体，随着温度的继续下降，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大。这样使冰晶体周围的混凝土颗粒（或部分围岩的颗粒）的结合水膜减薄，混凝土及围岩颗粒就产生了剩余的分子引力。另外，由于结合水膜的减薄，使得水膜中的离子浓度增加（因为结合水中的水分子结成冰晶体，使离子浓度相应增加），这样，就产生了渗附压力（即两种水溶液的浓度不同时，会在它们之间产生一种压力差，使浓度较小溶液中的水向浓度较大的溶液渗流）。在这两种引力作用下，附近未冻结区水膜较厚处的结合水，被吸引到冻结区的水膜较薄处。一旦水分被吸引到冻结区后，因为负温作用，水即冻结，使冰晶体增大，而不平衡引力继续存在。若未冻结区存在着水源，及适当的水源补给通道（即毛细通道），就能够源源不断地补充被吸收的结合水，则未冻结的水分就会不断地向冻结区迁移积聚，使冰晶体扩大，在喷射混凝土及围岩中的某个部位中形成冰夹层，使使其体积发生隆胀，即冻胀现象。这种冰晶体的不断增大，一直要到水源的补给断绝后或温度升高后才停止，因此，其冻胀力或许会很大。
二、 关于保温层
保温层的保温原理是形成一系列不连通或连通性不好的气泡，气泡中空气的相互对流很小，所以热量的交换也就很小，以此来达到保温的目的。因此，要保证保温层的良好效果就必须保证其内气泡的数量与质量（大小和形状），例如，保温层被水浸泡或受压变薄等都会严重影响保温效果。
对于环向排水管处的局部保温层，其宽度一般在1m左右，在其外包裹上一层防水板基本上可解决其浸水的问题，但是由于初期支护属柔性支护，其强度较低，再加上厚度较小，
因此，在围岩荷载长期压力下，初期支护会慢慢地变形压迫防水板，因此防水板或许会因厚度的减小而使其保温性能降低。另外，如果围岩中水较多，压力较大且初支防水性不是很好，在长期情况下，如环向排水管堵塞，则条状保温层将承受较大的水压，其厚度会减小，如果其外的防水板密封效果不是很好，则可能受压破损，随后若压力减小可能会被水浸入，则进一步影响保温层的保温性能。此问题的解决方法应从五个方面入手，一是采用强度比较高的保温层材料，如此它受压后的厚度损失会减小，保温性能的折减也将减小；二是将长期情况下保温层厚度的损失考虑进去，在设计时适当增加保温层厚度；三是依靠其他强度比较高的材料来抵抗来自初支的压力，比如在保温层靠近围岩侧设置一些沿隧道轴向的钢构件；四是要严格控制保温层外防水板的焊接质量，使其密封结实，且使里面的空气量适中，不能太少造成干瘪，也不能太多造成鼓胀；五是要确保排水系统的畅通。
对于在初期支护与二衬间全面设置保温层（或者因为二衬损坏严重而在其表面铺设保温层后重新浇筑二衬），本人觉得很不妥，一方面保温层在长期情况下会被水浸透而严重影响保温效果，另一方面保温层会被来自围岩的压力压薄而使其保温效果大打折扣。
三、 关于隧道衬砌所受的水压的确定
如果水源水位较高且水量充足，有人说水压会很大，有人说不大，有人说这个与水的流速有关，但我不这样认为，或许他们都说的没错，但是可能把表面现象当成了本质现象了，对于隧道衬砌所承受的水压的大小，本人认为可根据下面的叙述来确定，示意图如图1~图3。
水压力的大小和供水能力与排水能力的比值及水的流速与流向有关，不妨假设
P?(1? 式中：P—衬砌所承受的水的压力；
QpQg)?h?P冲击
Qp、Qg—分别为相当于将流经隧道的水的通道从衬砌处分为彻底独立的两段后，在供水充足的情况下，这两段在在单位时间内的过水量，此值只是一个理论值 （相当于是两个管道的过水能力），在实际中几乎不能得到准确值，但可根据经验及 现场情况近似确定，当Qp大于Qg时，其比值取1，因为衬砌周围缝隙较多，存在负压的可能性不大； γ—为水的重度；
h—为衬砌处距水源的高程； P冲击—水流对衬砌的冲击力，P冲击?m(V2?V1)S，P冲击的值不好确定，但
因其量值较小，所以可以省去不计。
式中：m—单位时间从衬砌旁边流过的水的质量；
V1、V2—分别为经过衬砌旁边的水流向衬砌和远离衬砌时的速度，为
矢量；
S—与从衬砌旁边流过的水接触密切的衬砌的面积。
当Qp相对于Qg很小几乎为零时，此种情况如图1所示，此时衬砌所承受的水压力比较大，P??h。
图1 Qp很小相对于Qg很小几乎为零时的情况
当Qp比Qg小时，其情况如图2 所示。
图2 Qp比Qg小时的情况
当Qp比Qg大或者两者相差不大时，其情况如图3所示，此时衬砌所承受的压力很小，几乎为零。
图3当Qp比Qg大或者两者相差不大时的情况
四、 关于LV构件
毋庸置疑，LV构件在防水板的铺设方面效果显著，其不但能提高防水板铺设的整齐度，
而且比较牢固，但是，在它的使用中可能还存在一些问题。
比如其抗剪问题，在二衬浇筑时LV构件的近二衬端会被镶嵌在二衬里，被二衬卡死，在隧道运营过程中，在围岩压力作用下，初支会慢慢向二衬变形，此时，由于LV里的射钉，再加上初支是柔性支护，所以初支很容易将LV构件的近初支端卡住，随后，由于温度的周期性变化，二衬会发生相应的胀缩变形，而由于初支是连续地，其变形属于平面应变问题，几乎不随温度的变化发生纵向胀缩变形，所以初支和二衬之间会有一个位移差，而此时的LV构件却会阻止它们的相对位移，所以，在LV构件处会产生应力集中，尤其是在施工缝（一般和变形缝与沉降缝设置在一起）处应力集中最明显，所以，如果此时的LV构件的抗剪强度不够的话就有可能被剪坏，所以在LV构件的强度问题上必须进行试验模拟，以确保其长期的耐久性。
如果剪力确实可能会使LV构件损坏的话，可以在防水板铺设时在LV构件近二衬侧用胶水粘一个形状类似黑板刷的长方体塑料泡沫板（其与LV构件粘贴的那一侧应刻上圆形凹槽以便镶嵌LV，另外，此长方体的长边应与隧道轴线平行）。
另外，在二衬随温度的变化而胀缩时，防水板也会被迫产生一定的变形，但由于LV构件的强度远大于防水板的强度，所以其应变将会远小于防水板材料，再加上LV构件被初支与二衬卡住，于是在整个防水板发生变形时，LV构件周围的防水板会产生应力集中现象，所以，还需对这种情况下的防水板的性能进行试验测试。
由于实际施工中初期支护钢拱架靠近隧道侧的混凝土保护层厚度比较薄，所以在铺设LV构件前一定要大致估计距离使所铺设的那一段防水板上的LV构件和钢拱架错开。
当铺设防水板时如果不慎将LV构件损坏或者铺设完成后发现某个LV构件有漏水，这时则需要对其进行修补或更换，如果破损的LV构件在防水板边上，手可以伸进防水板与初支之间够着构件，那么应对其进行更换，如果够不着，则应在其上重新焊接一块防水板对其进行密封。
五、 关于背贴式洞顶人工假顶技术
因为喷射混凝土表面的平整度较差，为了使浇筑二衬时拱顶尽可能地密实，在采用假顶技术进行止水带的安装时需要注意假顶与拱顶的密封问题，如果喷射混凝土表面的平整度不是很差，可采用在假顶上粘贴两道海绵来密封的方法，如果喷射混凝土表面的平整度很差，可考虑在假顶靠近模板台车侧设置一组小端头模板，小端头模板靠近模板台车侧用防水板密封，并用小端头模板顶紧。