中英钻爆法铁路隧道设计方法比较研究

赵东平，喻 渝

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

据不完全统计，截止到2012年底，中国在建铁路隧道3 800座，总长7 300 km。规划隧道5 100座，总长10 800 km。运营隧道10 100座，总长7 600 km。上述数据表明，中国已经成为世界隧道第一大国，在隧道设计领域积累了丰富的工程经验，但在设计方法上主要采用的还是破损阶段法，极限状态法的适用范围限制在很小的范围。近年来虽有学者和设计人员对可靠度理论在隧道中的应用进行了一些研究［1-12］，但限于岩土结构复杂性，可靠度理论在隧道设计中一直未能推广应用。理论研究的滞后和与国际上设计理念的差异是当前面临的主要问题。近年来，随着我国海外工程项目的增多，中国隧道设计方法在国外推进遇到较多问题，为此有必要对中国与国外隧道设计方法进行对比研究，此前有学者已经对中国与日本及德国等国家隧道设计标准的差异进行了对比研究［13-14］，但中国与英国在隧道设计方法上的差异研究成果则鲜有报道。本次依托原铁道部重大科研课题，选取在欧洲工程界具有导向作用的英国隧道设计方法为研究对象，研究中国与英国在隧道设计方法上的区别，中英两国隧道设计方法对比研究可反映中国与欧洲同行在设计理念与方法上的区别，研究成果将对中国隧道设计方法的改进和促进中国隧道行业适应国际市场起到积极推动作用。

1 英国围岩分类方法

Q系统围岩分类法［15］在目前欧洲隧道设计中占有重要地位，该方法于1974年由挪威学者巴顿、利恩等人提出，它主要考虑了岩体质量指标RQD、节理组数Jn，节理粗糙度系数Jr，节理蚀变系数Ja，裂隙水影响系数Jw，以及地应力影响系数SFR等6项指标。其计算公式为［13］

其中岩体质量指标RQD根据钻孔岩芯长度统计得出，其余5项指标都可由现场工程地质勘探估值得出。在Q系统分类中，岩体质量指标Q值的范围为0.001～1 000，据此可将围岩按强弱分为9个级别。英国岩石隧道的初期支护及二次衬砌的设计均基于此围岩分类方法。

2 英国隧道设计方法

2.1 初期支护设计方法

英国隧道初期支护采用经验法设计，其基本思路为:首先确定隧道开挖跨度或墙身高度，然后按巴顿Q系统的有关表格得出所需开挖支护比数，根据地质勘察报告获得围岩的Q值，则根据巴顿Q图［15］(图1)即可查得初期支护喷层厚度及锚杆长度，然后采用有限元程序进行检算，如果稳定性满足要求，再估算开挖进尺长度和自稳时间，其设计流程如图2所示。

图1 英国岩石隧道临时支护经验法设计

具体设计步骤为:(1)计算跨度与开挖支护比的比数(Span/ESR);(2)在Span/ESR轴上划条水平线;(3)从水平线与曲线的交点向下划垂直线，分出几个支护类型;(4)从水平轴上读出 Q拱顶值;(5)对围岩临时支护调整围岩Q值，即Q现场=1/5×Q拱顶;(6)计算锚杆长度:L=2+0.15×跨度/ESR;(7)计算围岩压力;(8)验算锚杆抗拉和拔出强度。

图2 英国岩石隧道初期支护经验法设计基本流程

不同Q值对应的支护类别见表1。

对于初期支护中的钢拱架，采用有限元程序单独计算，根据计算结果进行设计。

表1 不同Q值对应的支护类别(图2所示为例)

2.2 二次衬砌设计方法

自1974年以后，英国隧道二次衬砌即已经采用概率极限状态设计方法，其基本设计思路是首先根据既有的断面轮廓，拟定结构与材料参数，如混凝土强度、钢筋强度、衬砌厚度等参数，然后根据Q值换算出围岩弹性模量，再根据衬砌承受荷载情况，确定荷载组合值及组合值系数，其设计基本流程见图3。

图3 英国隧道二次衬砌设计流程

在确定围岩压力时首先要确定荷载组合、分项系数及对应的标准值，在欧洲规范BS81110中对不同荷载组合情况下恒载与活载的组合值系数进行了如下规定，见表2。

表2 按英国规范考虑的荷载分项系数

表2中组合A至D为英国规范中规定的基本组合，E与F为按规范精神结合实际工程与隧道用途应考虑的荷载组合。

在确定了荷载组合及分项系数后，还需要确定衬砌荷载。英国隧道二次衬砌设计时不考虑初期支护对围岩压力的分担作用，即二次衬砌承受全部围岩荷载，分浅埋和深埋隧道，围岩荷载标准值由式(2)～式(5)计算得出，其中式(2)中两式计算出的围岩压力取小值。围岩荷载分布形式见图4。

图4 英国隧道二次衬砌荷载分布模式

浅埋隧道拱部

或

浅埋隧道边墙

深埋隧道拱部

深埋隧道边墙

英国隧道二次衬砌仍采用荷载-结构模型计算，围岩的抗力用弹簧系数反映，根据巴顿公式由设计Q值计算得出 RMR［14］，即

再将围岩弹性模量转换成结构分析中所需要的弹簧系数，即

式中 K——围岩弹性系数;

E围岩——围岩弹性模量;

v——围岩泊松比;

a——隧道当量半径。

3 中英围岩分类方法对比

中国铁路隧道设计规范中首先对岩石坚硬程度和完整程度进行了划分，然后根据岩体特征、土体特征和围岩弹性纵波速度，将围岩分成6个基本等级。分别考虑地下水、初始地应力、隧道埋深等因素，对围岩基本分级进行修正。

英国隧道围岩采用Q系统分类方法，该方法采用6个定量指标来描述围岩的完整程度，并由这6个指标换算出围岩Q值，隧道初期支护及二次衬砌的设计均基于此Q值分类。

对比可见，两国隧道围岩分级考虑的因素基本相同，但是仍存在明显差异。中国采用定性描述与定量指标相结合的方式首先确定基本围岩分级，然后再根据相关因素对基本分级进行修正，而英国隧道围岩分级是将影响围岩完整性、稳定性的多个因素直接考虑进去，并用公式的形式表达为Q值，较为直观。

4 中英隧道设计方法对比

4.1 初期支护设计对比

中国隧道初期支护根据围岩级别不同，普遍采用工程类比法进行设计，必要时采用数值方法进行验算，计算时多采用地层-结构模型，并考虑围岩释放率等因素。与英国相比，区别较为明显的是初期支护设计与现场围岩的完整性等因素的联系不直观或不紧密。

英国隧道初期支护设计基于巴顿的Q图，根据隧道开挖跨度与开挖支护比值，在Q图上可确定纵坐标，再根据围岩Q值可确定Q图上的横坐标，之后在Q图上即可确定隧道初期支护混凝土厚度(混凝土强度等级一般选用C40)及锚杆长度等支护参数。然后根据这些预设计参数采用数值方法进行检算分析。

对比分析可见，我国隧道初期支护设计虽然也与围岩级别相关，但是不够紧密，两者都采用经验设计方法，但英国隧道设计对地质参数的依赖性更强，即围岩Q值是其设计的基本前提。

4.2 二次衬砌设计对比

中国现行隧道设计规范中基于对1 046个隧道塌方数据的统计，采用回归分析法得出了与围岩级别相关的塌方计算高度。当隧道埋深大于此数值的2.5倍时，定义为深埋隧道;当隧道埋深在1.0倍至2.5倍计算高度之间时，定义为浅埋隧道;当隧道的埋深小于1.0倍计算高度时，定义为超浅埋隧道。对于3种埋深的隧道分别给出其对应的围岩荷载计算公式，例如深埋隧道围岩荷载计算采用式(9)～式(11)进行计算［17］

式中 q——深埋隧道围岩压力计算值;

h——深埋隧道塌方荷载计算高度;

S——隧道围岩级别;

ω——隧道开挖宽度影响系数;

B——隧道开挖宽度;

i——为隧道开挖宽度随围岩级别的变化率，当B＜5 m时，取 i=0.2;当 B＞5 m 时，取 i=0.1。

中国隧道二次衬砌计算普遍采用荷载-结构模型，其围岩弹性抗力由规范中根据围岩级别不同给出了范围值。与英国做法相比，从表面上仅看到与围岩级别和跨度联系，从公式中看不出与围岩固有参数的直观联系。英国隧道二次衬砌计算也采用荷载-结构法，区别是其荷载由围岩固有参数计算得出，同时弹性抗力不仅与Q值相关，还与泊松比、隧道开挖跨度相关。

中国现行规范推荐了2种方法，分别是极限状态法和破损阶段法，采用极限状态法时，荷载的标准值即由公式(9)计算得出，规范中针对深埋、偏压及明洞混凝土衬砌给出作用和分项系数，但是极限状态法仅适用于一般单线铁路隧道。鉴于应用范围的限制，中国隧道现在普遍采用破损阶段法进行设计，即按衬砌混凝土抗压和抗裂2种情况分别进行计算，采用安全系数进行控制。现行规范中分别对混凝土和砌体结构和钢筋混凝土结构的强度安全系数进行了规定，具体如表3所示。

表3 钢筋混凝土结构强度安全系数

在按公式(9)的荷载进行设计时仍然要考虑初期支护对围岩压力分担比例，具体数值一般根据工程经验确定。

英国隧道设计理念与中国不同，英国隧道同行认为初期支护仅仅是一种临时性结构，不能永久承担围岩压力，因此在设计二次衬砌时，不考虑初期支护对围岩的支护作用，其对于浅埋及深埋隧道围压的标准值由公式(1)～(5)计算得出，根据不同的荷载组合，由标准值与分项系数相乘得出荷载设计值。这也正是现在国际上通行的极限状态法设计理念。

5 结语

从上述对比分析可看出，中国与英国在隧道设计的总体流程上具有相似性，但在具有操作时存在明显的差异化特征。首先，在隧道设计的基础——围岩分级标准上两者存在差异，英国标准用反映围岩完整性及可能影响完整性的6个基本参数定义Q值，并据此进行围岩分级，这与中国现行规范中的隧道围岩分级方法存在明显区别。其次，在设计隧道初期支护时，英国采用经验法并辅助相关的CAE软件进行验算，其经验设计方法仍然是基于围岩分级的Q系统，并采用巴顿Q图来进行预设计。而中国多采用工程类比法进行设计，必要时采用CAE软件进行校核。最后，在进行二次衬砌设计时，英国已经广泛应用极限状态法，工程应用经验丰富。目前中国2种方法并存，但主要还是采用破损阶段法和容许应力法，可见中国与英国在二次衬砌的设计方法上也存在较为明显的区别。

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