中英鉆爆法鐵路隧道設(shè)計(jì)方法比較研究

趙東平，喻 渝

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2012年底，中國在建鐵路隧道3 800座，總長7 300 km。規(guī)劃隧道5 100座，總長10 800 km。運(yùn)營隧道10 100座，總長7 600 km。上述數(shù)據(jù)表明，中國已經(jīng)成為世界隧道第一大國，在隧道設(shè)計(jì)領(lǐng)域積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，但在設(shè)計(jì)方法上主要采用的還是破損階段法，極限狀態(tài)法的適用范圍限制在很小的范圍。近年來雖有學(xué)者和設(shè)計(jì)人員對可靠度理論在隧道中的應(yīng)用進(jìn)行了一些研究［1-12］，但限于巖土結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，可靠度理論在隧道設(shè)計(jì)中一直未能推廣應(yīng)用。理論研究的滯后和與國際上設(shè)計(jì)理念的差異是當(dāng)前面臨的主要問題。近年來，隨著我國海外工程項(xiàng)目的增多，中國隧道設(shè)計(jì)方法在國外推進(jìn)遇到較多問題，為此有必要對中國與國外隧道設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對比研究，此前有學(xué)者已經(jīng)對中國與日本及德國等國家隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的差異進(jìn)行了對比研究［13-14］，但中國與英國在隧道設(shè)計(jì)方法上的差異研究成果則鮮有報(bào)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(dǎo)向作用的英國隧道設(shè)計(jì)方法為研究對象，研究中國與英國在隧道設(shè)計(jì)方法上的區(qū)別，中英兩國隧道設(shè)計(jì)方法對比研究可反映中國與歐洲同行在設(shè)計(jì)理念與方法上的區(qū)別，研究成果將對中國隧道設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)和促進(jìn)中國隧道行業(yè)適應(yīng)國際市場起到積極推動作用。

1 英國圍巖分類方法

Q系統(tǒng)圍巖分類法［15］在目前歐洲隧道設(shè)計(jì)中占有重要地位，該方法于1974年由挪威學(xué)者巴頓、利恩等人提出，它主要考慮了巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD、節(jié)理組數(shù)Jn，節(jié)理粗糙度系數(shù)Jr，節(jié)理蝕變系數(shù)Ja，裂隙水影響系數(shù)Jw，以及地應(yīng)力影響系數(shù)SFR等6項(xiàng)指標(biāo)。其計(jì)算公式為［13］

其中巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD根據(jù)鉆孔巖芯長度統(tǒng)計(jì)得出，其余5項(xiàng)指標(biāo)都可由現(xiàn)場工程地質(zhì)勘探估值得出。在Q系統(tǒng)分類中，巖體質(zhì)量指標(biāo)Q值的范圍為0.001～1 000，據(jù)此可將圍巖按強(qiáng)弱分為9個級別。英國巖石隧道的初期支護(hù)及二次襯砌的設(shè)計(jì)均基于此圍巖分類方法。

2 英國隧道設(shè)計(jì)方法

2.1 初期支護(hù)設(shè)計(jì)方法

英國隧道初期支護(hù)采用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)，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(tǒng)的有關(guān)表格得出所需開挖支護(hù)比數(shù)，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告獲得圍巖的Q值，則根據(jù)巴頓Q圖［15］(圖1)即可查得初期支護(hù)噴層厚度及錨桿長度，然后采用有限元程序進(jìn)行檢算，如果穩(wěn)定性滿足要求，再估算開挖進(jìn)尺長度和自穩(wěn)時間，其設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖1 英國巖石隧道臨時支護(hù)經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)

具體設(shè)計(jì)步驟為:(1)計(jì)算跨度與開挖支護(hù)比的比數(shù)(Span/ESR);(2)在Span/ESR軸上劃條水平線;(3)從水平線與曲線的交點(diǎn)向下劃垂直線，分出幾個支護(hù)類型;(4)從水平軸上讀出 Q拱頂值;(5)對圍巖臨時支護(hù)調(diào)整圍巖Q值，即Q現(xiàn)場=1/5×Q拱頂;(6)計(jì)算錨桿長度:L=2+0.15×跨度/ESR;(7)計(jì)算圍巖壓力;(8)驗(yàn)算錨桿抗拉和拔出強(qiáng)度。

圖2 英國巖石隧道初期支護(hù)經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)基本流程

不同Q值對應(yīng)的支護(hù)類別見表1。

對于初期支護(hù)中的鋼拱架，采用有限元程序單獨(dú)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 不同Q值對應(yīng)的支護(hù)類別(圖2所示為例)

2.2 二次襯砌設(shè)計(jì)方法

自1974年以后，英國隧道二次襯砌即已經(jīng)采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，其基本設(shè)計(jì)思路是首先根據(jù)既有的斷面輪廓，擬定結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)，如混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度、襯砌厚度等參數(shù)，然后根據(jù)Q值換算出圍巖彈性模量，再根據(jù)襯砌承受荷載情況，確定荷載組合值及組合值系數(shù)，其設(shè)計(jì)基本流程見圖3。

圖3 英國隧道二次襯砌設(shè)計(jì)流程

在確定圍巖壓力時首先要確定荷載組合、分項(xiàng)系數(shù)及對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，在歐洲規(guī)范BS81110中對不同荷載組合情況下恒載與活載的組合值系數(shù)進(jìn)行了如下規(guī)定，見表2。

表2 按英國規(guī)范考慮的荷載分項(xiàng)系數(shù)

表2中組合A至D為英國規(guī)范中規(guī)定的基本組合，E與F為按規(guī)范精神結(jié)合實(shí)際工程與隧道用途應(yīng)考慮的荷載組合。

在確定了荷載組合及分項(xiàng)系數(shù)后，還需要確定襯砌荷載。英國隧道二次襯砌設(shè)計(jì)時不考慮初期支護(hù)對圍巖壓力的分擔(dān)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(biāo)準(zhǔn)值由式(2)～式(5)計(jì)算得出，其中式(2)中兩式計(jì)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(jié)構(gòu)模型計(jì)算，圍巖的抗力用彈簧系數(shù)反映，根據(jù)巴頓公式由設(shè)計(jì)Q值計(jì)算得出 RMR［14］，即

再將圍巖彈性模量轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)分析中所需要的彈簧系數(shù)，即

式中 K——圍巖彈性系數(shù);

E圍巖——圍巖彈性模量;

v——圍巖泊松比;

a——隧道當(dāng)量半徑。

3 中英圍巖分類方法對比

中國鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中首先對巖石堅(jiān)硬程度和完整程度進(jìn)行了劃分，然后根據(jù)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(yīng)力、隧道埋深等因素，對圍巖基本分級進(jìn)行修正。

英國隧道圍巖采用Q系統(tǒng)分類方法，該方法采用6個定量指標(biāo)來描述圍巖的完整程度，并由這6個指標(biāo)換算出圍巖Q值，隧道初期支護(hù)及二次襯砌的設(shè)計(jì)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(biāo)相結(jié)合的方式首先確定基本圍巖分級，然后再根據(jù)相關(guān)因素對基本分級進(jìn)行修正，而英國隧道圍巖分級是將影響圍巖完整性、穩(wěn)定性的多個因素直接考慮進(jìn)去，并用公式的形式表達(dá)為Q值，較為直觀。

4 中英隧道設(shè)計(jì)方法對比

4.1 初期支護(hù)設(shè)計(jì)對比

中國隧道初期支護(hù)根據(jù)圍巖級別不同，普遍采用工程類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，必要時采用數(shù)值方法進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算時多采用地層-結(jié)構(gòu)模型，并考慮圍巖釋放率等因素。與英國相比，區(qū)別較為明顯的是初期支護(hù)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場圍巖的完整性等因素的聯(lián)系不直觀或不緊密。

英國隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)基于巴頓的Q圖，根據(jù)隧道開挖跨度與開挖支護(hù)比值，在Q圖上可確定縱坐標(biāo)，再根據(jù)圍巖Q值可確定Q圖上的橫坐標(biāo)，之后在Q圖上即可確定隧道初期支護(hù)混凝土厚度(混凝土強(qiáng)度等級一般選用C40)及錨桿長度等支護(hù)參數(shù)。然后根據(jù)這些預(yù)設(shè)計(jì)參數(shù)采用數(shù)值方法進(jìn)行檢算分析。

對比分析可見，我國隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)雖然也與圍巖級別相關(guān)，但是不夠緊密，兩者都采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，但英國隧道設(shè)計(jì)對地質(zhì)參數(shù)的依賴性更強(qiáng)，即圍巖Q值是其設(shè)計(jì)的基本前提。

4.2 二次襯砌設(shè)計(jì)對比

中國現(xiàn)行隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中基于對1 046個隧道塌方數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，采用回歸分析法得出了與圍巖級別相關(guān)的塌方計(jì)算高度。當(dāng)隧道埋深大于此數(shù)值的2.5倍時，定義為深埋隧道;當(dāng)隧道埋深在1.0倍至2.5倍計(jì)算高度之間時，定義為淺埋隧道;當(dāng)隧道的埋深小于1.0倍計(jì)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(yīng)的圍巖荷載計(jì)算公式，例如深埋隧道圍巖荷載計(jì)算采用式(9)～式(11)進(jìn)行計(jì)算［17］

式中 q——深埋隧道圍巖壓力計(jì)算值;

h——深埋隧道塌方荷載計(jì)算高度;

S——隧道圍巖級別;

ω——隧道開挖寬度影響系數(shù);

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(dāng)B＜5 m時，取 i=0.2;當(dāng) B＞5 m 時，取 i=0.1。

中國隧道二次襯砌計(jì)算普遍采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，其圍巖彈性抗力由規(guī)范中根據(jù)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(lián)系，從公式中看不出與圍巖固有參數(shù)的直觀聯(lián)系。英國隧道二次襯砌計(jì)算也采用荷載-結(jié)構(gòu)法，區(qū)別是其荷載由圍巖固有參數(shù)計(jì)算得出，同時彈性抗力不僅與Q值相關(guān)，還與泊松比、隧道開挖跨度相關(guān)。

中國現(xiàn)行規(guī)范推薦了2種方法，分別是極限狀態(tài)法和破損階段法，采用極限狀態(tài)法時，荷載的標(biāo)準(zhǔn)值即由公式(9)計(jì)算得出，規(guī)范中針對深埋、偏壓及明洞混凝土襯砌給出作用和分項(xiàng)系數(shù)，但是極限狀態(tài)法僅適用于一般單線鐵路隧道。鑒于應(yīng)用范圍的限制，中國隧道現(xiàn)在普遍采用破損階段法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即按襯砌混凝土抗壓和抗裂2種情況分別進(jìn)行計(jì)算，采用安全系數(shù)進(jìn)行控制。現(xiàn)行規(guī)范中分別對混凝土和砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，具體如表3所示。

表3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)

在按公式(9)的荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)時仍然要考慮初期支護(hù)對圍巖壓力分擔(dān)比例，具體數(shù)值一般根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定。

英國隧道設(shè)計(jì)理念與中國不同，英國隧道同行認(rèn)為初期支護(hù)僅僅是一種臨時性結(jié)構(gòu)，不能永久承擔(dān)圍巖壓力，因此在設(shè)計(jì)二次襯砌時，不考慮初期支護(hù)對圍巖的支護(hù)作用，其對于淺埋及深埋隧道圍壓的標(biāo)準(zhǔn)值由公式(1)～(5)計(jì)算得出，根據(jù)不同的荷載組合，由標(biāo)準(zhǔn)值與分項(xiàng)系數(shù)相乘得出荷載設(shè)計(jì)值。這也正是現(xiàn)在國際上通行的極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)理念。

5 結(jié)語

從上述對比分析可看出，中國與英國在隧道設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)——圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)上兩者存在差異，英國標(biāo)準(zhǔn)用反映圍巖完整性及可能影響完整性的6個基本參數(shù)定義Q值，并據(jù)此進(jìn)行圍巖分級，這與中國現(xiàn)行規(guī)范中的隧道圍巖分級方法存在明顯區(qū)別。其次，在設(shè)計(jì)隧道初期支護(hù)時，英國采用經(jīng)驗(yàn)法并輔助相關(guān)的CAE軟件進(jìn)行驗(yàn)算，其經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法仍然是基于圍巖分級的Q系統(tǒng)，并采用巴頓Q圖來進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)。而中國多采用工程類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，必要時采用CAE軟件進(jìn)行校核。最后，在進(jìn)行二次襯砌設(shè)計(jì)時，英國已經(jīng)廣泛應(yīng)用極限狀態(tài)法，工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)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(yīng)力法，可見中國與英國在二次襯砌的設(shè)計(jì)方法上也存在較為明顯的區(qū)別。

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