我国隧道设计理念与欧洲经典新奥法理念的冲突与融合

高翊宸*，郑君长，顾博渊，白浪峰



我国隧道设计理念与欧洲经典新奥法理念的冲突与融合

高翊宸1*，郑君长2，顾博渊1，白浪峰1

（1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安，710068）（2.中国路桥工程有限责任公司，北京，100011）

新奥法自1963年问世以来，在世界各地的隧道工程中得到了广泛的实践。然而，在软岩与土质围岩中，若墨守成规地采用经典新奥法理念进行隧道设计施工，可能会由于变形无法收敛而导致工期不可控。因此，我国习惯于在新奥法理念的基础上，对软岩与土质围岩采用“强支护，短锚杆”的应对措施，在保证施工安全的同时兼顾工期。这样的调整与巴尔干地区乃至欧洲惯用的经典新奥法理念不可避免地产生了一些冲突，本文重点介绍在黑山南北高速公路项目中，我国隧道设计理念的应用以及与欧洲经典新奥法理念的融合。

一带一路；黑山南北高速公路；新奥法；复理岩；塑性区

引言

近年来，随着“一带一路”倡议的推行，国内基础设施建设行业大规模地走出国门，在世界各地承建海外工程，国内工程设计人员不可避免地需要大量接触不同国家与地区的各种规范体系。对于路线、路基路面与桥梁等专业，绝大多数国家与地区所采用的规范都对设计有着很明确及详细的要求，理论与实践的结合已十分成熟，然而，对于隧道专业，无论是对理论还是工程实践，世界各国工程界都依然存在着许多争议。

基本上，隧道设计与施工理念的核心在于围岩，针对不同的围岩，隧道的支护与结构设计是完全不同的。由于现代土力学是二十世纪初才由奥地利工程师太沙基创建的新兴学科，天然的土体或岩体也无法靠科学模型完美地模拟分析，因此，许多国家还没有发展出完善的隧道工程规范体系，大都选择或多或少地依托于德国、奥地利等有较多隧道建设经验的国家，巴尔干地区亦是如此。

1 初步设计与欧洲经典新奥法理念

经典的新奥法理念，是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时地进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的监控量测来指导隧道施工、实现动态设计的方法和原则。

黑山南北高速公路项目的初步设计由当地公司完成，隧道设计完全遵循传统新奥法的理念，无论在任何等级的围岩中，都高度依赖锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，意图最大限度地发挥围岩的自承能力，二衬在初期支护变形收敛后方可开始施工，因此在设计计算中，假设二衬不承担围岩荷载。

2 我国隧道设计施工对新奥法理念的实践与理解

所谓因地制宜、因材施教，对于具备自承载能力的硬质围岩，传统新奥法发挥围岩的自承能力，适应性好，既经济又合理，是没有争议的。然而，对于几乎不具备自承载能力的软弱围岩甚至土质围岩，墨守成规地试图最大限度发挥其自承载能力，是否还是经济、高效甚至安全的选择，值得商榷。

我国在过去的三十多年中经历了飞速的发展，基础设施建设在全国大面积展开，在大量的高速公路建设中，我国在多种多样的地质条件下积累了大量的隧道设计与施工经验。从经验中，我们发现，随着围岩等级变弱，塑性区逐渐增大，为了穿透塑性区以保证锚固的效果，锚杆必须随之加长，这就导致了使用锚杆的效率逐渐降低。隧道工程界对此有一个非常恰当的比喻，即豆腐上插筷子。与此同时，由于围岩较差，锚杆的工作效率降低，初期支护的变形量也增大，若长时间无法收敛，将对工期造成巨大的影响。

因此，我国隧道工程界总结经验，在传统新奥法的基础上进行了变通，即当围岩较差，与其墨守成规地发挥其自承载能力导致锚杆的工作效率与经济性大幅度下降，不如适当淡化其自承载能力，采用短锚杆、强支护的刚性支撑，不仅可以保证施工安全，且极大降低了初支变形不收敛的工期风险。

此外，另一个重要原因就是使用长锚杆需要大型的机械设备，其设备投入较人工实施锚杆必然要增加设备费用，而国内的人工成本与国外，尤其是欧洲、北美洲等发达国家相比要低得多，经济上也更具有竞争力，因此，国内隧道工程界几乎全部采用短锚杆设计施工。

3 中、欧隧道设计理念的争议与主要参数对比

根据合同与当地法律，黑山南北高速公路项目的设计审批方为国家审查委员会（State Review Panel，以下简称SRP）。该组织主要由黑山本国以及巴尔干其他前南斯拉夫国家的大学教授或资深工程师组成，且其中大部分专家参与了本项目初步设计的编制工作。

由于我方有意对原初步设计的隧道支护参数进行优化，在业主与SRP的要求下，我方提交了一份《主设计支护参数优化报告》，报告阐明我方设计的主旨为硬质岩区采用符合欧洲习惯的“短锚杆+柔性支护+二衬不受力”模式，但对软质岩区稍作调整，采用“短锚杆+刚性支护+二衬受力”的模式。SRP隧道专家非常反对我们的这一理念，认为我们的设计理念与新奥法相悖，专家认为锚杆在支护体系中的作用是非常大的，与围岩的软硬没有关系，甚至提出锚杆可以承担80%的围岩荷载（这一结论有待进一步考证）。

我方认为，我们在主设计阶段提出的设计优化理念与SRP专家推崇的初步设计理念，并不存在对与错之分，也并不矛盾，只是我方在不同的围岩环境条件下采用了不同的设计支护参数，与新奥法是完全兼容的。以下（表1）为原初步设计与主设计优化设计参数的对比：

从上表可以看出，初步设计理念属于经典的新奥法理念，也是整个欧洲隧道界普遍遵循的设计理念——“长锚杆+柔性支护+二衬不受力”模式。该理念在硬质岩区是一套适应性好、安全经济的成熟工艺，但在软岩地区采用“长锚杆和柔性支护”在国际上一直以来都存在很多争议，有专家学者认为软岩区必须采用刚度较大的初期支护体系，锚杆在其中可以弱化其作用功能；而主设计理念则是融合了国内三十多年隧道施工实践经验总结的“新奥法”理念：软岩区采用“短锚杆+刚性支护+二衬受力”模式，硬岩区采用“短锚杆+柔性支护+二衬不受力”模式，主设计理念其本质主要是基于在软岩和硬岩不同围岩环境下采取有针对性的设计模式，国际上对新奥法在软岩和硬岩环境下的区别设计也已经得到了一致的认可。

下图1和图2分别为软岩区（Vb）和硬岩区（IIIc）的数值计算模型，视围岩情况采用不同的支护体系，软岩区不考虑锚杆的承载作用，硬岩区则建立真实的锚杆模型。从图3、4可以清晰的看出，软岩区隧道开挖后塑性区发展很大，采用长锚杆方案效果有限、工程造价偏高；硬岩区的锚杆则发挥了应有的作用，锚杆完全穿过了塑性区，保证了初支结构的安全。

图1 软岩区数值模型

图2 硬岩区数值模型

图3 软岩区塑性区

图4 硬岩区塑性区

4 争议解决方案——中欧理念的融合

从设计开展之初SRP完全拒绝我们的设计理念，到逐步接受初喷厚度、二衬受力理念、锚杆长度等问题共历时8个多月，提交了7稿文件，详细计算证明了在各种最不利工况下采用最不利的土力学参数计算，我方隧道支护体系的安全性均满足规范要求。

审查期间，业主与SRP邀请的两位权威的奥地利隧道专家以及监理邀请的一位知名的意大利隧道专家，均对我方的主设计优化方案进行了严格的审查，并提交了近百页的审查报告，我方的计算证明文件也多达1500页以上，其核心思想就是设计理念存在差异，欧洲专家主要还是认为锚杆太短。通过我们与各方专家几十次的正式与非正式会议沟通，并提供大量的计算报告及图纸文件，最终与SRP在理念上取得了以下共识：

（1）V级围岩锚杆长度接受主设计优化，采用3.5米锚杆；

（2）IV级围岩锚杆较主设计优化需适当加长，采用4-6米锚杆；

（3）Ⅱ、Ⅲ级围岩锚杆长度与原初步设计一致，采用3米锚杆；

（4）喷层厚度采用主设计优化；

（5）拱架采用三肢箍格栅拱架；

（6）二衬根据软岩和硬岩的不同围岩环境考虑承担部分荷载。

最终通过SRP审批的主设计与原初步设计相比，有以下几点优势：

（1）安全性

从施工顺序出发，锚杆施工是在喷层和拱架之后才进行的，因此，隧道在未作二衬之前，主要由初喷和拱架承担围岩荷载，由于初步设计拱架全部采用TH21（U型钢），该拱架具有“刚度低、变形适应性好”的特点，但对于IV、V级围岩不利于控制变形，一旦进入塑性变形区，支护体系将会部分或全部失效，产生塌方风险，因此，初步设计的柔性支护体系存在较大的安全隐患。主设计考虑IV、V级围岩属于软岩地区，初期变形大，后期存在持续变形的可能，因此采用“短锚杆+刚性支护+二衬受力”模式，尽可能将变形控制在弹性区域。结论，主设计最大程度的修正了初步设计的安全隐患，“短锚杆+刚性支护+二衬受力”的刚性支护体系提供了更加安全的技术解决方案。表2为原初步设计与主设计拱架的刚度对比。

表2 拱架刚度对比表

（2）工期

由于初步设计采用刚度较低的拱架支护，同时配以长锚杆，完全是柔性支护的理念，对于浅埋、软岩区需要预留较大的变形量，同时也意味着需要较长的变形时间，对于工期影响会很大，具体表现为：

1）浅埋、软岩区初期荷载大，如果不及时控制变形，施工风险将会增加；

2）变形时长控制了施工工期，工期风险大；

3）长时间的变形不稳定带来很多不确定因素，一旦雨季来临或突降暴雨等突发情况，造成荷载在短时间内增加较大，原有支护体系将受到威胁。

因此，主设计采用刚度较大的拱架支护，有效缩短了变形周期，同时让二衬承担部分荷载，对于节约工期和控制风险都是非常有利的。

（3）经济性

综合隧道支护参数以及锚杆台车两方面的优化调整，考虑人工施工与机械施工相结合后进行成本分析，本项目隧道工程的造价较原初步设计有少量的节省。相比之下，软岩区隧道成本的节省量比硬岩区要大。

5 结束语

关于隧道设计理念，欧洲隧道设计理念（经典新奥法）与中国隧道设计理念（改良新奥法）之间，各有优缺点，各有适应性。经过大量的计算证明并结合以往的工程实践经验，我们认为，“长锚杆+柔性支护”的欧洲隧道设计理念对于硬质岩地区有很好的适应性；对于软质岩地区，“短锚杆+刚性支护”的中国隧道设计理念是一种更好的解决方法。

至于欧洲推崇的采用锚杆机、拱架台车等为基础的机械化隧道施工方法，可以有效提高施工进度、保证施工安全，降低职业健康风险，规模化生产后可以大幅节约成本，节省劳动力。机械化隧道施工方法是一种安全、高效、经济、环保的先进施工工艺，值得我们学习和推广，也必将成为隧道施工技术未来的发展趋势。

从安全、工期、成本三方面分析黑山南北高速公路项目隧道优化的结果，此次主设计优化基本符合我方的预期。同时也纠正了初步设计中的理念缺陷，避免了工程潜在的风险，为工程正式实施创造了良好的条件。

关于隧道设计理念的争议与解决过程，从浅层说，是一种技术上的交流与争论；从深层说，是东西方文化与习惯的碰撞与融合。而最终的解决方案，可以认为，是两种文化的互相理解与认同，互相借鉴了对方的优点，弥补了自身的不足。而这种碰撞与融合、交流与理解必将贯穿项目实施的全过程，也是中国企业走向欧洲无法回避的课题。

[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, 郑君长, 顾博渊, 等. 我国隧道设计理念与欧洲经典新奥法理念的冲突与融合[J]. 数码设计, 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-），工程师，籍贯山东，土木工程硕士学位，现就职于中交第一公路勘察设计研究院有限公司，研究方向为公路桥梁、隧道；海外工程；设计管理；菲迪克（FIDIC）合同条款。E-mail:zgbjyy1234@126.com