我國隧道設計理念與歐洲經典新奧法理念的沖突與融合

高翊宸*，鄭君長，顧博淵，白浪峰

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我國隧道設計理念與歐洲經典新奧法理念的沖突與融合

高翊宸1*，鄭君長2，顧博淵1，白浪峰1

（1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安，710068）（2.中國路橋工程有限責任公司，北京，100011）

新奧法自1963年問世以來，在世界各地的隧道工程中得到了廣泛的實踐。然而，在軟巖與土質圍巖中，若墨守成規地采用經典新奧法理念進行隧道設計施工，可能會由于變形無法收斂而導致工期不可控。因此，我國習慣于在新奧法理念的基礎上，對軟巖與土質圍巖采用“強支護，短錨桿”的應對措施，在保證施工安全的同時兼顧工期。這樣的調整與巴爾干地區乃至歐洲慣用的經典新奧法理念不可避免地產生了一些沖突，本文重點介紹在黑山南北高速公路項目中，我國隧道設計理念的應用以及與歐洲經典新奧法理念的融合。

一帶一路；黑山南北高速公路；新奧法；復理巖；塑性區

引言

近年來，隨著“一帶一路”倡議的推行，國內基礎設施建設行業大規模地走出國門，在世界各地承建海外工程，國內工程設計人員不可避免地需要大量接觸不同國家與地區的各種規范體系。對于路線、路基路面與橋梁等專業，絕大多數國家與地區所采用的規范都對設計有著很明確及詳細的要求，理論與實踐的結合已十分成熟，然而，對于隧道專業，無論是對理論還是工程實踐，世界各國工程界都依然存在著許多爭議。

基本上，隧道設計與施工理念的核心在于圍巖，針對不同的圍巖，隧道的支護與結構設計是完全不同的。由于現代土力學是二十世紀初才由奧地利工程師太沙基創建的新興學科，天然的土體或巖體也無法靠科學模型完美地模擬分析，因此，許多國家還沒有發展出完善的隧道工程規范體系，大都選擇或多或少地依托于德國、奧地利等有較多隧道建設經驗的國家，巴爾干地區亦是如此。

1 初步設計與歐洲經典新奧法理念

經典的新奧法理念，是應用巖體力學理論，以維護和利用圍巖的自承能力為基點，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護手段，及時地進行支護，控制圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護體系的組成部分，并通過對圍巖和支護的監控量測來指導隧道施工、實現動態設計的方法和原則。

黑山南北高速公路項目的初步設計由當地公司完成，隧道設計完全遵循傳統新奧法的理念，無論在任何等級的圍巖中，都高度依賴錨桿和噴射混凝土為主要支護手段，意圖最大限度地發揮圍巖的自承能力，二襯在初期支護變形收斂后方可開始施工，因此在設計計算中，假設二襯不承擔圍巖荷載。

2 我國隧道設計施工對新奧法理念的實踐與理解

所謂因地制宜、因材施教，對于具備自承載能力的硬質圍巖，傳統新奧法發揮圍巖的自承能力，適應性好，既經濟又合理，是沒有爭議的。然而，對于幾乎不具備自承載能力的軟弱圍巖甚至土質圍巖，墨守成規地試圖最大限度發揮其自承載能力，是否還是經濟、高效甚至安全的選擇，值得商榷。

我國在過去的三十多年中經歷了飛速的發展，基礎設施建設在全國大面積展開，在大量的高速公路建設中，我國在多種多樣的地質條件下積累了大量的隧道設計與施工經驗。從經驗中，我們發現，隨著圍巖等級變弱，塑性區逐漸增大，為了穿透塑性區以保證錨固的效果，錨桿必須隨之加長，這就導致了使用錨桿的效率逐漸降低。隧道工程界對此有一個非常恰當的比喻，即豆腐上插筷子。與此同時，由于圍巖較差，錨桿的工作效率降低，初期支護的變形量也增大，若長時間無法收斂，將對工期造成巨大的影響。

因此，我國隧道工程界總結經驗，在傳統新奧法的基礎上進行了變通，即當圍巖較差，與其墨守成規地發揮其自承載能力導致錨桿的工作效率與經濟性大幅度下降，不如適當淡化其自承載能力，采用短錨桿、強支護的剛性支撐，不僅可以保證施工安全，且極大降低了初支變形不收斂的工期風險。

此外，另一個重要原因就是使用長錨桿需要大型的機械設備，其設備投入較人工實施錨桿必然要增加設備費用，而國內的人工成本與國外，尤其是歐洲、北美洲等發達國家相比要低得多，經濟上也更具有競爭力，因此，國內隧道工程界幾乎全部采用短錨桿設計施工。

3 中、歐隧道設計理念的爭議與主要參數對比

根據合同與當地法律，黑山南北高速公路項目的設計審批方為國家審查委員會（State Review Panel，以下簡稱SRP）。該組織主要由黑山本國以及巴爾干其他前南斯拉夫國家的大學教授或資深工程師組成，且其中大部分專家參與了本項目初步設計的編制工作。

由于我方有意對原初步設計的隧道支護參數進行優化，在業主與SRP的要求下，我方提交了一份《主設計支護參數優化報告》，報告闡明我方設計的主旨為硬質巖區采用符合歐洲習慣的“短錨桿+柔性支護+二襯不受力”模式，但對軟質巖區稍作調整，采用“短錨桿+剛性支護+二襯受力”的模式。SRP隧道專家非常反對我們的這一理念，認為我們的設計理念與新奧法相悖，專家認為錨桿在支護體系中的作用是非常大的，與圍巖的軟硬沒有關系，甚至提出錨桿可以承擔80%的圍巖荷載（這一結論有待進一步考證）。

我方認為，我們在主設計階段提出的設計優化理念與SRP專家推崇的初步設計理念，并不存在對與錯之分，也并不矛盾，只是我方在不同的圍巖環境條件下采用了不同的設計支護參數，與新奧法是完全兼容的。以下（表1）為原初步設計與主設計優化設計參數的對比：

從上表可以看出，初步設計理念屬于經典的新奧法理念，也是整個歐洲隧道界普遍遵循的設計理念——“長錨桿+柔性支護+二襯不受力”模式。該理念在硬質巖區是一套適應性好、安全經濟的成熟工藝，但在軟巖地區采用“長錨桿和柔性支護”在國際上一直以來都存在很多爭議，有專家學者認為軟巖區必須采用剛度較大的初期支護體系，錨桿在其中可以弱化其作用功能；而主設計理念則是融合了國內三十多年隧道施工實踐經驗總結的“新奧法”理念：軟巖區采用“短錨桿+剛性支護+二襯受力”模式，硬巖區采用“短錨桿+柔性支護+二襯不受力”模式，主設計理念其本質主要是基于在軟巖和硬巖不同圍巖環境下采取有針對性的設計模式，國際上對新奧法在軟巖和硬巖環境下的區別設計也已經得到了一致的認可。

下圖1和圖2分別為軟巖區（Vb）和硬巖區（IIIc）的數值計算模型，視圍巖情況采用不同的支護體系，軟巖區不考慮錨桿的承載作用，硬巖區則建立真實的錨桿模型。從圖3、4可以清晰的看出，軟巖區隧道開挖后塑性區發展很大，采用長錨桿方案效果有限、工程造價偏高；硬巖區的錨桿則發揮了應有的作用，錨桿完全穿過了塑性區，保證了初支結構的安全。

圖1 軟巖區數值模型

圖2 硬巖區數值模型

圖3 軟巖區塑性區

圖4 硬巖區塑性區

4 爭議解決方案——中歐理念的融合

從設計開展之初SRP完全拒絕我們的設計理念，到逐步接受初噴厚度、二襯受力理念、錨桿長度等問題共歷時8個多月，提交了7稿文件，詳細計算證明了在各種最不利工況下采用最不利的土力學參數計算，我方隧道支護體系的安全性均滿足規范要求。

審查期間，業主與SRP邀請的兩位權威的奧地利隧道專家以及監理邀請的一位知名的意大利隧道專家，均對我方的主設計優化方案進行了嚴格的審查，并提交了近百頁的審查報告，我方的計算證明文件也多達1500頁以上，其核心思想就是設計理念存在差異，歐洲專家主要還是認為錨桿太短。通過我們與各方專家幾十次的正式與非正式會議溝通，并提供大量的計算報告及圖紙文件，最終與SRP在理念上取得了以下共識：

（1）V級圍巖錨桿長度接受主設計優化，采用3.5米錨桿；

（2）IV級圍巖錨桿較主設計優化需適當加長，采用4-6米錨桿；

（3）Ⅱ、Ⅲ級圍巖錨桿長度與原初步設計一致，采用3米錨桿；

（4）噴層厚度采用主設計優化；

（5）拱架采用三肢箍格柵拱架；

（6）二襯根據軟巖和硬巖的不同圍巖環境考慮承擔部分荷載。

最終通過SRP審批的主設計與原初步設計相比，有以下幾點優勢：

（1）安全性

從施工順序出發，錨桿施工是在噴層和拱架之后才進行的，因此，隧道在未作二襯之前，主要由初噴和拱架承擔圍巖荷載，由于初步設計拱架全部采用TH21（U型鋼），該拱架具有“剛度低、變形適應性好”的特點，但對于IV、V級圍巖不利于控制變形，一旦進入塑性變形區，支護體系將會部分或全部失效，產生塌方風險，因此，初步設計的柔性支護體系存在較大的安全隱患。主設計考慮IV、V級圍巖屬于軟巖地區，初期變形大，后期存在持續變形的可能，因此采用“短錨桿+剛性支護+二襯受力”模式，盡可能將變形控制在彈性區域。結論，主設計最大程度的修正了初步設計的安全隱患，“短錨桿+剛性支護+二襯受力”的剛性支護體系提供了更加安全的技術解決方案。表2為原初步設計與主設計拱架的剛度對比。

表2 拱架剛度對比表

（2）工期

由于初步設計采用剛度較低的拱架支護，同時配以長錨桿，完全是柔性支護的理念，對于淺埋、軟巖區需要預留較大的變形量，同時也意味著需要較長的變形時間，對于工期影響會很大，具體表現為：

1）淺埋、軟巖區初期荷載大，如果不及時控制變形，施工風險將會增加；

2）變形時長控制了施工工期，工期風險大；

3）長時間的變形不穩定帶來很多不確定因素，一旦雨季來臨或突降暴雨等突發情況，造成荷載在短時間內增加較大，原有支護體系將受到威脅。

因此，主設計采用剛度較大的拱架支護，有效縮短了變形周期，同時讓二襯承擔部分荷載，對于節約工期和控制風險都是非常有利的。

（3）經濟性

綜合隧道支護參數以及錨桿臺車兩方面的優化調整，考慮人工施工與機械施工相結合后進行成本分析，本項目隧道工程的造價較原初步設計有少量的節省。相比之下，軟巖區隧道成本的節省量比硬巖區要大。

5 結束語

關于隧道設計理念，歐洲隧道設計理念（經典新奧法）與中國隧道設計理念（改良新奧法）之間，各有優缺點，各有適應性。經過大量的計算證明并結合以往的工程實踐經驗，我們認為，“長錨桿+柔性支護”的歐洲隧道設計理念對于硬質巖地區有很好的適應性；對于軟質巖地區，“短錨桿+剛性支護”的中國隧道設計理念是一種更好的解決方法。

至于歐洲推崇的采用錨桿機、拱架臺車等為基礎的機械化隧道施工方法，可以有效提高施工進度、保證施工安全，降低職業健康風險，規模化生產后可以大幅節約成本，節省勞動力。機械化隧道施工方法是一種安全、高效、經濟、環保的先進施工工藝，值得我們學習和推廣，也必將成為隧道施工技術未來的發展趨勢。

從安全、工期、成本三方面分析黑山南北高速公路項目隧道優化的結果，此次主設計優化基本符合我方的預期。同時也糾正了初步設計中的理念缺陷，避免了工程潛在的風險，為工程正式實施創造了良好的條件。

關于隧道設計理念的爭議與解決過程，從淺層說，是一種技術上的交流與爭論；從深層說，是東西方文化與習慣的碰撞與融合。而最終的解決方案，可以認為，是兩種文化的互相理解與認同，互相借鑒了對方的優點，彌補了自身的不足。而這種碰撞與融合、交流與理解必將貫穿項目實施的全過程，也是中國企業走向歐洲無法回避的課題。

[1] Bar-Boljare Highway, section Smokovac-Matesevo, Preliminary Design, Faculty of Civil Engineering, University of Montenegro, Podgorica and Road Center of Vojvodina, Novi Sad, 2008.

[2] 王成. 隧道工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2009.8.

[3] Victor Romero. NATM IN SOFT-GROUND: A CONTRADICTION OF TERMS [N]. Jacobs & Associates Newsletter, Spring 2002.

[4] Guidelines for road design, construction, maintenance and supervision, Volume I: Design, Part 4: Tunnels, Road Directorate of Federation of Bosnia and Herzegovina, Sarajevo and Public Company “Republika Srpska Roads”, Banja Luka, 2005.

[5] V. Marinos. TUNNEL BEHAVIOUR AND SUPPORT ASSOCIATED WITH THE WEAK ROCK MASSES OF FLYSCH[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, Volume 6, Issue 3, June 2014.

The Conflict and Integration between Domestic Tunnel Design Principle and the Classic NATM

GAO Yichen1*, ZHENG Junchang2, GU Boyuan1, BAI Langfeng1

（1.CCCC First Highway Consultants Co. LTD, Shanxi Xian, 710068, China; 2. China Road and Bridge Corporation, Beijing, 100011, China）

Since its inception in 1963, the New Austrian Tunneling Method (NATM) has been widely practiced in tunnel engineering around the world. However, when design and construct tunnels in soft surrounding rock or soil, if stiffly sticking to the concept of the classic NATM, there is a risk in which the deformation of the surrounding rock cannot converge so that the construction duration becomes uncontrollable. Therefore, when dealing with soft surrounding rock or soil, based on the concept of NATM, China is accustomed to adopt the “strong support, short anchor” method, where construction safety and duration could both be ensured. Such developed NATM will inevitably causing some conflicts against the classic NATM that has been widely used in the Balkans and the Europe. This article focuses on the application of the developed NATM and the integration with the classic NATM during the design of Bar-Boljare Highway Project in Montenegro.

The Belt and Road; Bar-Boljare Highway; New Austrian Tunneling Method (NATM); flysch; plastic zone

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.054

TP32

A

1672-9129(2018)01-0133-03

高翊宸, 鄭君長, 顧博淵, 等. 我國隧道設計理念與歐洲經典新奧法理念的沖突與融合[J]. 數碼設計, 2018, 7(1): 133-135.

GAO Yichen, ZHENG Junchang, GU Boyuan, et al. The Conflict and Integration between Domestic Tunnel Design Principle and the Classic NATM[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 133-135.

2017-11-15；

2017-12-23。

高翊宸，男（1987-），工程師，籍貫山東，土木工程碩士學位，現就職于中交第一公路勘察設計研究院有限公司，研究方向為公路橋梁、隧道；海外工程；設計管理；菲迪克（FIDIC）合同條款。E-mail:zgbjyy1234@126.com