中英鉆爆法鐵路隧道設計方法比較研究

趙東平，喻 渝

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

據不完全統計，截止到2012年底，中國在建鐵路隧道3 800座，總長7 300 km。規劃隧道5 100座，總長10 800 km。運營隧道10 100座，總長7 600 km。上述數據表明，中國已經成為世界隧道第一大國，在隧道設計領域積累了豐富的工程經驗，但在設計方法上主要采用的還是破損階段法，極限狀態法的適用范圍限制在很小的范圍。近年來雖有學者和設計人員對可靠度理論在隧道中的應用進行了一些研究［1-12］，但限于巖土結構復雜性，可靠度理論在隧道設計中一直未能推廣應用。理論研究的滯后和與國際上設計理念的差異是當前面臨的主要問題。近年來，隨著我國海外工程項目的增多，中國隧道設計方法在國外推進遇到較多問題，為此有必要對中國與國外隧道設計方法進行對比研究，此前有學者已經對中國與日本及德國等國家隧道設計標準的差異進行了對比研究［13-14］，但中國與英國在隧道設計方法上的差異研究成果則鮮有報道。本次依托原鐵道部重大科研課題，選取在歐洲工程界具有導向作用的英國隧道設計方法為研究對象，研究中國與英國在隧道設計方法上的區別，中英兩國隧道設計方法對比研究可反映中國與歐洲同行在設計理念與方法上的區別，研究成果將對中國隧道設計方法的改進和促進中國隧道行業適應國際市場起到積極推動作用。

1 英國圍巖分類方法

Q系統圍巖分類法［15］在目前歐洲隧道設計中占有重要地位，該方法于1974年由挪威學者巴頓、利恩等人提出，它主要考慮了巖體質量指標RQD、節理組數Jn，節理粗糙度系數Jr，節理蝕變系數Ja，裂隙水影響系數Jw，以及地應力影響系數SFR等6項指標。其計算公式為［13］

其中巖體質量指標RQD根據鉆孔巖芯長度統計得出，其余5項指標都可由現場工程地質勘探估值得出。在Q系統分類中，巖體質量指標Q值的范圍為0.001～1 000，據此可將圍巖按強弱分為9個級別。英國巖石隧道的初期支護及二次襯砌的設計均基于此圍巖分類方法。

2 英國隧道設計方法

2.1 初期支護設計方法

英國隧道初期支護采用經驗法設計，其基本思路為:首先確定隧道開挖跨度或墻身高度，然后按巴頓Q系統的有關表格得出所需開挖支護比數，根據地質勘察報告獲得圍巖的Q值，則根據巴頓Q圖［15］(圖1)即可查得初期支護噴層厚度及錨桿長度，然后采用有限元程序進行檢算，如果穩定性滿足要求，再估算開挖進尺長度和自穩時間，其設計流程如圖2所示。

圖1 英國巖石隧道臨時支護經驗法設計

具體設計步驟為:(1)計算跨度與開挖支護比的比數(Span/ESR);(2)在Span/ESR軸上劃條水平線;(3)從水平線與曲線的交點向下劃垂直線，分出幾個支護類型;(4)從水平軸上讀出 Q拱頂值;(5)對圍巖臨時支護調整圍巖Q值，即Q現場=1/5×Q拱頂;(6)計算錨桿長度:L=2+0.15×跨度/ESR;(7)計算圍巖壓力;(8)驗算錨桿抗拉和拔出強度。

圖2 英國巖石隧道初期支護經驗法設計基本流程

不同Q值對應的支護類別見表1。

對于初期支護中的鋼拱架，采用有限元程序單獨計算，根據計算結果進行設計。

表1 不同Q值對應的支護類別(圖2所示為例)

2.2 二次襯砌設計方法

自1974年以后，英國隧道二次襯砌即已經采用概率極限狀態設計方法，其基本設計思路是首先根據既有的斷面輪廓，擬定結構與材料參數，如混凝土強度、鋼筋強度、襯砌厚度等參數，然后根據Q值換算出圍巖彈性模量，再根據襯砌承受荷載情況，確定荷載組合值及組合值系數，其設計基本流程見圖3。

圖3 英國隧道二次襯砌設計流程

在確定圍巖壓力時首先要確定荷載組合、分項系數及對應的標準值，在歐洲規范BS81110中對不同荷載組合情況下恒載與活載的組合值系數進行了如下規定，見表2。

表2 按英國規范考慮的荷載分項系數

表2中組合A至D為英國規范中規定的基本組合，E與F為按規范精神結合實際工程與隧道用途應考慮的荷載組合。

在確定了荷載組合及分項系數后，還需要確定襯砌荷載。英國隧道二次襯砌設計時不考慮初期支護對圍巖壓力的分擔作用，即二次襯砌承受全部圍巖荷載，分淺埋和深埋隧道，圍巖荷載標準值由式(2)～式(5)計算得出，其中式(2)中兩式計算出的圍巖壓力取小值。圍巖荷載分布形式見圖4。

圖4 英國隧道二次襯砌荷載分布模式

淺埋隧道拱部

或

淺埋隧道邊墻

深埋隧道拱部

深埋隧道邊墻

英國隧道二次襯砌仍采用荷載-結構模型計算，圍巖的抗力用彈簧系數反映，根據巴頓公式由設計Q值計算得出 RMR［14］，即

再將圍巖彈性模量轉換成結構分析中所需要的彈簧系數，即

式中 K——圍巖彈性系數;

E圍巖——圍巖彈性模量;

v——圍巖泊松比;

a——隧道當量半徑。

3 中英圍巖分類方法對比

中國鐵路隧道設計規范中首先對巖石堅硬程度和完整程度進行了劃分，然后根據巖體特征、土體特征和圍巖彈性縱波速度，將圍巖分成6個基本等級。分別考慮地下水、初始地應力、隧道埋深等因素，對圍巖基本分級進行修正。

英國隧道圍巖采用Q系統分類方法，該方法采用6個定量指標來描述圍巖的完整程度，并由這6個指標換算出圍巖Q值，隧道初期支護及二次襯砌的設計均基于此Q值分類。

對比可見，兩國隧道圍巖分級考慮的因素基本相同，但是仍存在明顯差異。中國采用定性描述與定量指標相結合的方式首先確定基本圍巖分級，然后再根據相關因素對基本分級進行修正，而英國隧道圍巖分級是將影響圍巖完整性、穩定性的多個因素直接考慮進去，并用公式的形式表達為Q值，較為直觀。

4 中英隧道設計方法對比

4.1 初期支護設計對比

中國隧道初期支護根據圍巖級別不同，普遍采用工程類比法進行設計，必要時采用數值方法進行驗算，計算時多采用地層-結構模型，并考慮圍巖釋放率等因素。與英國相比，區別較為明顯的是初期支護設計與現場圍巖的完整性等因素的聯系不直觀或不緊密。

英國隧道初期支護設計基于巴頓的Q圖，根據隧道開挖跨度與開挖支護比值，在Q圖上可確定縱坐標，再根據圍巖Q值可確定Q圖上的橫坐標，之后在Q圖上即可確定隧道初期支護混凝土厚度(混凝土強度等級一般選用C40)及錨桿長度等支護參數。然后根據這些預設計參數采用數值方法進行檢算分析。

對比分析可見，我國隧道初期支護設計雖然也與圍巖級別相關，但是不夠緊密，兩者都采用經驗設計方法，但英國隧道設計對地質參數的依賴性更強，即圍巖Q值是其設計的基本前提。

4.2 二次襯砌設計對比

中國現行隧道設計規范中基于對1 046個隧道塌方數據的統計，采用回歸分析法得出了與圍巖級別相關的塌方計算高度。當隧道埋深大于此數值的2.5倍時，定義為深埋隧道;當隧道埋深在1.0倍至2.5倍計算高度之間時，定義為淺埋隧道;當隧道的埋深小于1.0倍計算高度時，定義為超淺埋隧道。對于3種埋深的隧道分別給出其對應的圍巖荷載計算公式，例如深埋隧道圍巖荷載計算采用式(9)～式(11)進行計算［17］

式中 q——深埋隧道圍巖壓力計算值;

h——深埋隧道塌方荷載計算高度;

S——隧道圍巖級別;

ω——隧道開挖寬度影響系數;

B——隧道開挖寬度;

i——為隧道開挖寬度隨圍巖級別的變化率，當B＜5 m時，取 i=0.2;當 B＞5 m 時，取 i=0.1。

中國隧道二次襯砌計算普遍采用荷載-結構模型，其圍巖彈性抗力由規范中根據圍巖級別不同給出了范圍值。與英國做法相比，從表面上僅看到與圍巖級別和跨度聯系，從公式中看不出與圍巖固有參數的直觀聯系。英國隧道二次襯砌計算也采用荷載-結構法，區別是其荷載由圍巖固有參數計算得出，同時彈性抗力不僅與Q值相關，還與泊松比、隧道開挖跨度相關。

中國現行規范推薦了2種方法，分別是極限狀態法和破損階段法，采用極限狀態法時，荷載的標準值即由公式(9)計算得出，規范中針對深埋、偏壓及明洞混凝土襯砌給出作用和分項系數，但是極限狀態法僅適用于一般單線鐵路隧道。鑒于應用范圍的限制，中國隧道現在普遍采用破損階段法進行設計，即按襯砌混凝土抗壓和抗裂2種情況分別進行計算，采用安全系數進行控制。現行規范中分別對混凝土和砌體結構和鋼筋混凝土結構的強度安全系數進行了規定，具體如表3所示。

表3 鋼筋混凝土結構強度安全系數

在按公式(9)的荷載進行設計時仍然要考慮初期支護對圍巖壓力分擔比例，具體數值一般根據工程經驗確定。

英國隧道設計理念與中國不同，英國隧道同行認為初期支護僅僅是一種臨時性結構，不能永久承擔圍巖壓力，因此在設計二次襯砌時，不考慮初期支護對圍巖的支護作用，其對于淺埋及深埋隧道圍壓的標準值由公式(1)～(5)計算得出，根據不同的荷載組合，由標準值與分項系數相乘得出荷載設計值。這也正是現在國際上通行的極限狀態法設計理念。

5 結語

從上述對比分析可看出，中國與英國在隧道設計的總體流程上具有相似性，但在具有操作時存在明顯的差異化特征。首先，在隧道設計的基礎——圍巖分級標準上兩者存在差異，英國標準用反映圍巖完整性及可能影響完整性的6個基本參數定義Q值，并據此進行圍巖分級，這與中國現行規范中的隧道圍巖分級方法存在明顯區別。其次，在設計隧道初期支護時，英國采用經驗法并輔助相關的CAE軟件進行驗算，其經驗設計方法仍然是基于圍巖分級的Q系統，并采用巴頓Q圖來進行預設計。而中國多采用工程類比法進行設計，必要時采用CAE軟件進行校核。最后，在進行二次襯砌設計時，英國已經廣泛應用極限狀態法，工程應用經驗豐富。目前中國2種方法并存，但主要還是采用破損階段法和容許應力法，可見中國與英國在二次襯砌的設計方法上也存在較為明顯的區別。

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