隧道支护结构设计总安全系数法与工程应用

中铁第四勘察设计院集团有限公司

矿山法是世界上山岭隧道最常用的建造方法，目前包括我国在内的世界各国均是在工程实践基础上总结经验，以工程类比法为主开展支护结构设计。以安全系数分析为核心的支护结构量化分析和设计方法及施工技术是隧道科学设计、安全建造的迫切需求和亟待突破的瓶颈难题，更是我国隧道技术高质量发展的突破方向。为此，项目组历经15年攻关，系统提升了隧道围岩自稳性、围岩压力特性、不同支护方式联合承载机理、变形与承载协同机制等多方面的科学认知，创建了总安全系数法及其设计和施工技术，成功应用于多项重大工程。

一、主要科技创新

（1）创立了隧道支护结构设计总安全系数法。创建了隧道临界稳定断面分析法和分区支护判别法，提出了隧道围岩压力设计值思想及其计算方法、喷锚支护和复合式衬砌的多层结构计算模型与总安全系数计算方法、与安全系数相对应的支护结构变形分析方法与监测标准；构建了围岩与多层支护允许变形匹配的支护结构“强度/变形/时机”一体化分析方法；研发了支护结构承载力模型试验新方法。由此，系统建立了以围岩自稳性与围岩压力认知为基础、支护体系构筑全过程安全系数分析为核心、支护变形分析与现场调整为支撑、围岩变形与多层结构协同承载控制为目标的隧道支护结构设计总安全系数法，为支护结构设计由工程类比向量化分析转变奠定了理论基础。

（2）创建了基于总安全系数法的隧道支护体系精细化设计技术。以总安全系数法为基础，建立了包含世界各种设计理念内涵的统一表达式，厘清了初支/二衬承载主体的认知，实现了各种支护体系设计理念内涵的融合；提出了融合围岩特征、地应力与地下水的隧道标准支护分级方法和基于效能判识的支护体系（支护类型、主/被动体系、支护材料等）优化设计方法，实现了地质环境、工程特征、经济效益三者协同的精细化设计。由此，实现了隧道支护体系的多要素协同优化和科学设计。

（3）创新了基于总安全系数法的隧道安全快速施工关键技术。基于总安全系数法，揭示了锚岩承载拱功能保障的关键要素，研发了具有排气稳压功能的锚杆孔注浆止浆塞，有效提升了注浆饱满度，解决了锚杆支护功能保障的施工难题；揭示了初期支护安全状态演化规律，提出了支护分序施工方法，实现了单工序向多工序并行作业的转变，突破了隧道施工效率提升的技术瓶颈。由此，解决了隧道安全快速施工的关键技术难题。

二、项目评价

该项目成果突破了隧道支护结构长期依赖工程类比法的设计瓶颈，取得了隧道设计理论的重大突破，总安全系数法技术体系和精细化设计方法达到了国际领先水平。

三、效益及成果

授权发明29件、软著3项、工法2项，出版专著1部，发表论文45篇，设计方法纳入高校教材。成果成功应用于张吉怀铁路、宜兴高铁、甬舟铁路、胶州湾第二海底隧道等工程，推广应用于长赣高铁、机荷高速荷坳隧道等项目设计以及复杂艰险山区铁路等项目咨询。应用工程隧道总长度782km，节约工程投资16.67亿元，减少碳排放131.08万t，取得了显著的社会、经济和环境效益。