中国隧道支护结构设计理论及方法发展与展望

 引 言
自 1888 年修建第一座隧道——狮球岭铁路隧道以来，我国隧道建设已有130余年的历史。进入21 世纪以来，我国铁路隧道、公路隧道及地铁隧道的规模和数量都得到了飞速发展，已成为名副其实的隧道大国。截至2022年底，我国交通隧道总里程约为55 892 km，建成铁路隧道约17 873座，总长约21 978 km[1（] 截至2023年底，建成铁路隧道约18 573座，总长约23 508 km[2），] 建成公路隧道约24 850座，总长约26 784.3 km[3]，建成地铁隧道约7 129.96 km[4]，如图1所示。
目前，我国隧道支护结构设计方法主要包括标准设计法、类比设计法及解析设计法。标准设计法是标准支护模式设计方法的简称，是根据隧道的埋深大小、围岩等级、运输方式、速度目标值、股道/车道数量、铁路轨道形式、防排水方式等内容，依照国家或行业有关部门发布的标准图、通用图开展工程图1 截至2022年底中国交通隧道里程统计[1, 3~6]设计的方法。类比设计法是类似条件设计方法的简称，也称为经验设计法或工程类比法，是通过对具有类似围岩条件、断面形式、使用功能的既有隧道工程案例的综合分析，开展新建隧道设计的方法。隧道支护结构解析设计法就是根据力学原理，建立起能模拟围岩与支护结构相互作用的力学模型，在给定边界和初值条件下，用数学解析的方法对隧道力学行为进行分析预测，以达到隧道支护结构设计的目的。其中，标准设计法及类比设计法的核心在于准确的评价围岩等级，解析设计法的核心在于准确计算隧道结构内力、评价隧道结构安全度。经过100 多年的探索，我国隧道支护结构设计水平有了大幅度提高，这一进步与隧道施工技术、支护型式、机械化水平、支护材料的发展密不可分。19世纪以来，我国隧道施工方法从人工分部法发展为大型机械化-智能化全断面法；隧道支护型式由整体式衬砌发展为复合式衬砌、装配式衬砌；隧道支护结构材料由砖石、普通混凝土、砂浆锚杆发展为高性能混凝土、预应力锚杆（索）等。围岩分级由单一指标的定性分级，发展为基于多指标、多数据的智能化分级；隧道支护结构内力计算方法由不考虑围岩抗力的“荷载-结构”法，发展到考虑围岩抗力的“荷载-结构”法及“地层-结构”法；隧道围岩压力由塌方荷载，发展到形变压力；隧道支护结构安全度检算由容许应力法及破损阶段法，发展到基于可靠度理论的概率极限状态法。隧道支护结构设计理论及方法总体上由依赖经验的标准设计和类比设计方法，逐渐向半定量和完全数值定量的解析设计方法转变，并向信息化、智能化方向发展。同时，设计理念从依靠衬砌承载的观点，改变为主要依靠围岩承载，充分利用围岩自承能力的设计理念深入人心[7~9]，并且形成了一系列具有中国特色的隧道支护结构设计方法，如隧道机械化大断面设计方法[10]、隧道主动支护结构体系设计方法[11]、隧道支护结构设计总安全系数法[12]及隧道围岩变形控制设计方法[13]等。但随着某高原铁路、重大水电项目等一大批重难点工程的修建，我国隧道支护结构设计还面临着巨大的技术挑战。
本文以我国隧道支护结构设计及施工技术的重大创新时间节点为标志，将我国隧道支护结构设计理论及方法的发展分为4 个阶段，即起步阶段（20世纪 70 年代以前）、探索阶段（20 世纪 70—80 年代）、发展阶段（20世纪90年代—21世纪10年代中期）、创新阶段（21世纪10年代中期至今），并展望了以主动支护为核心的隧道支护结构智能设计方法，对进一步提高中国隧道支护结构设计理论及方法的水平进行探索。
2 起步阶段（20世纪70年代以前）
2.1 起步阶段隧道工程建设概况
20 世纪 70 年代以前，我国建成京张、成昆、成渝、滇缅、叙昆等铁路工程，建成铁路隧道约 2 782座，总长约1 122.8 km[5]；建成川藏、青藏等公路工程，其中公路隧道总长不超过 10 km；建成首条地铁——北京地铁一期工程苹果园到北京站，线路长23.6 km[14]。代表性隧道工程如图2所示。
20世纪70年代以前[15]，我国交通隧道工程主要以单线铁路隧道、低等级公路隧道、地铁隧道为主，跨度较小。山岭隧道施工方法主要为上导坑先拱后墙法、上下导坑先拱后墙法、蘑菇形开挖先拱后墙法等分部开挖法（图3（a））；地铁隧道施工方法主要为明挖法，施工过程中，多用木料作为临时支护（图3（b）），永久衬砌多采用整体式衬砌，少数采用喷锚支护。大部分隧道的开挖、运碴、支护都由人工完成(图 3（c）），少数隧道(如成昆铁路隧道)配备了小型机械设备。由于分部法对围岩扰动大，施工机械化程度低、施工进度慢，整体式衬砌不能及时支护围岩，导致隧道开挖后围岩暴露时间长、支护结构闭环时间长，隧道塌方事故时有发生，隧道结构所受围岩压力主要为松散荷载（或塌方荷载），因此，这一时期我国隧道支护结构设计所采用的荷载主要是松散荷载。
2.2 起步阶段隧道围岩分级

20世纪70年代以前，我国隧道围岩分级主要采用基于单一指标的围岩分级方法。其中，50年代以前，我国隧道围岩分级基本上是采用以岩石极限抗压强度及岩石天然重度为基础的、适用于土石方工程的土石分类方法。

自1955年起，我国开始引入普氏分级[16]，即用单一岩性指标坚固性系数f值将隧道围岩分为10类。这种分类方法单一、简明，给隧道设计、施工带来一定方便，在隧道工程中得到广泛应用，但工程师们通过工程实践逐渐发现单纯依靠 f值不能充分反映围岩的基本特性和稳定状态。

2.3 起步阶段隧道支护结构内力计算
20世纪50年代以前，我国隧道支护结构内力计算处于刚性结构阶段，采用不考虑地层弹性抗力的“荷载-结构”计算模式，基于压力线理论将隧道结构简化为三铰拱或无铰拱，计算结果偏于保守，导致设计的衬砌截面偏厚。竖向、水平向围岩压力分别采用Terzaghi公式及朗金公式[17（] 式（1）和式（2）），适用于深、浅埋隧道，因此无深、浅埋隧道之分，如图4所示。竖向围岩压力：σV = γbtanϕ0 ⋅ λ ( ) 1 - e-λtanϕ0 ⋅ hb （1）
水平向围岩压力：
e = ( ) σv +12 γht tan2( ) 45° - φ02 （2）

式中：ht为隧道净高；h为隧道埋深；φ0为围岩似摩擦岩侧压力系数；γ为围岩重度。20世纪50—60年代，我国隧道支护结构内力计算进入弹性结构阶段，采用考虑地层弹性抗力的“荷图4 Terzaghi围岩压力示意[18]

载-结构”计算模式，其中曲墙式衬砌多采用假定抗力图形法，即假定衬砌结构周边抗力分布的范围及抗力区各点抗力变化的图形（图 5）；直墙式衬砌多采用弹性地基梁法，即将衬砌结构看成置于弹性地基上的曲梁或直梁（图6）。
图5 假定抗力图形法示意[18]

图6 弹性地基梁法示意[18]

这一时期，围岩压力主要采用普氏的塌落拱理论（式（3）），以2倍压力拱高度作为隧道深、浅埋分界，如图7所示。

图7 普氏理论围岩压力示意[16, 18]

竖向围岩压力：q = γhk （3）
式中：hk=bt/f为自然拱高度；f为围岩坚固性系数，f=tanφ0；bt为自然拱的半跨度，坚硬岩体中 bt=B，破碎
岩体中 bt=B+httan(45°+φ0/2)；B 为隧道净跨；水平向围岩压力采用朗金公式（式（2））。
20世纪60年代，我国隧道工程师根据隧道工程实践，总结了浅埋隧道的破坏模式（图8），提出了浅埋隧道围岩压力计算公式[19（] 式（4）~式（8）），并随后在此基础上提出了浅埋偏压隧道围岩压力计算公式。

图8 浅埋隧道围岩压力示意[19]

浅埋隧道竖向围岩压力：q=γh(1-λhtanθB ) （4）λ = tanβ - tanφctanβ [1 + tanβ (tanφc - tanθ) + tanφc tanθ ] （5）tan β = tan φc + (tan2φc + 1)tanφctanφc - tanθ （6）式中：θ为顶板土柱两侧摩擦角；φ0为围岩的计算摩擦角；β为产生最大推力时的破裂角。
浅埋隧道顶部和底部水平向围岩压力分别为：
e1=γhλ （7）
e2= γHλ （8）
式中：H为隧道底部至地表距离；h为隧道顶部至地表距离。
2.4 起步阶段隧道支护结构安全度检算
20世纪50年代以前，我国隧道衬砌安全度检算采用容许应力法，即结构的尺寸必须保证在最不利荷载组合下，结构的控制内力不超过材料的允许应力。20世纪50年代之后，我国隧道衬砌安全度检算开始采用破损阶段法，即结构的尺寸必须保证在最不利荷载组合下，结构的控制内力不超过材料的极限承载力，当偏心距e0>0.225h时为大偏心结构，e0<0.225h时为小偏心结构，其中h为截面厚度。
3 探索阶段（20世纪70—80年代）
3.1 探索阶段隧道工程建设概况
20世纪70—80年代，我国建成湘渝、湘黔、大秦（一期）、衡广复线等铁路工程，建成铁路隧道约2 279座，总长约1 236.8 km[5]；建成沪嘉高速公路、独库公路等公路工程，其中公路隧道不足100 km[20]；建成天津地铁一号线新华路—海光寺段、北京地铁二期工程复兴门—建国门环线段、天津地铁一号线铁路西站—新华路段，总长约27.1 km；建成第一座水下隧道——打浦路公路隧道，长 2.76 km[14]，其中的代表性隧道工程如图9所示。在此阶段，我国隧道长度首次突破10 km，最长隧道为1988年通车的衡广复线大瑶山铁路隧道，长度为14.295 km。

20世纪70—80年代，我国交通隧道工程主要以单线铁路隧道、双线铁路隧道、低等级公路隧道、地铁隧道为主，跨度逐渐增大。随着新奥法的推广及应用，我国山岭隧道施工方法仍以分部法为主，部分隧道采用了台阶法，进行了大断面法、全断面法的探索，地铁隧道施工方法主要为明挖法及浅埋暗挖法[21]。支护型式由整体式衬砌向复合式衬砌过渡，

图9 20世纪70—80年代中国代表性隧道工程也有部分隧道采用喷锚结构作为永久衬砌。

在此阶段，我国隧道施工机械化水平进一步提高，由小型机械施工步入到半机械化施工，并进行了大型机械化施工探索，如衡广复线大瑶山双线隧道[22]、大秦铁路隧道工程[23]。随着机械化程度的提高及喷锚支护的应用，隧道围岩暴露时间及支护结构封闭时间缩短，围岩变形得到有效控制，因此复合式衬砌及锚喷支护所受围岩压力为形变压力，整体式衬砌所受围岩压力为松散荷载。但由于对形变压力认识不足等原因，这一时期我国隧道结构设计所采用的围岩压力仍为松散荷载。而基于有限元、边界元等理论的“地层-结构”模型也逐渐被应用于隧道结构设计中。

图10 20世纪70—80年代中国典型隧道施工技术
3.2 探索阶段隧道围岩分级
20世纪70—80年代，我国隧道围岩分级摒弃了基于单一 f 指标的普氏分级，建立了基于多指标的综合定性分级方法[24]。该方法以岩石强度、岩体完整状态及地下水影响3个因素来判断围岩稳定性和进行围岩分级，并采用了弹性波速度这一定量指标进行综合分级[25]，将隧道围岩分为Ⅰ~Ⅵ级。由此形成了我国铁路隧道工程领域的围岩分级方法，推动了我国水电、公路等部门地下工程围岩分类方法的形成，为建立我国工程岩体分级标准奠定了基础。
3.3 探索阶段隧道支护结构内力计算
20世纪70—80年代，随着电子计算机使用范围的扩大，线性代数、计算技术等工程数学结合工程实际的应用，结构矩阵分析的发展，无须假设地层抗力模式的“荷载-结构”模型——弹性支承法（也被称为“弹性链杆法”）得到应用，该方法将具有一定弹性的支承（如梁单元、杆单元）以铰接的方式支承在衬砌单元之间的节点上，以此简化围岩-隧道结构之间的相互作用，如图11所示。
图11 弹性支承法示意[18]
围岩压力计算方面，70年代根据对成昆、贵昆、川黔等铁路线127座单线铁路隧道的417个塌方资料的统计分析，以5 m为基本跨度，基于局部塌方、拱形塌方、异形塌方3种破坏模式，提出了深埋隧道围岩压力计算公式[26]，随后推广至公路行业[27]，并沿用至今。用塌方统计高度计算围岩压力时，认为在形成较为稳定的塌方轮廓时，上覆地层应有一定厚度，否则塌方还会扩展到地面。因此，深、浅埋分界深度比塌方平均高度应大些。根据经验，这个深度约为2~2.5倍的塌方平均高度值ha，此判据至今仍在使用。至此，我国已提出了具有中国特色的深、浅埋隧道围岩压力计算方法。深埋隧道竖向围岩压力： = γha （9）ha = 0.45 × 2S - 1ω （10）
深埋隧道水平向围岩压力：
e = λq （11）
式中：S 为围岩等级；w 为宽度影响系数，w=1 +i(B - 5)；B为隧道宽度；i为B每增加1 m时，围岩压力的增减率（以 B=5 m 为基准），当 B＜5 m 时取 i=0.2，B＞5 m时，取i=0.1；λ为侧压力系数。
同时，随着新奥法的推广及应用，隧道支护结构设计更加重视发挥围岩的自承能力，并开始采用施工中修正设计的动态设计方法，且复合式衬砌的研究也逐渐展开[28, 29]，形成了不同围岩条件下，二次衬砌应按安全储备或承载结构进行设计的原则。此外，随着人们对锚喷支护机理认识的不断深入，认为把围岩看作支护体系一部分的“地层-结构”模式比较符合喷锚支护的作用原理，围岩形变压力与支护抗力相互平衡的“收敛-约束”模式对认识喷锚支护的受力过程也有指导意义。因此，基于理想弹性、弹塑性、黏弹塑性的数值计算方法（如有限元[30]、边界元[31]、块体理论[32]等）、解析解方法[33]被逐步应用于喷锚支护、复合式衬砌初期支护设计。
3.4 探索阶段隧道支护结构安全度检算
20世纪70—80年代，我国隧道支护结构安全度检算主要采用容许应力法及破损阶段法。经计算分析，以偏心距e0=0.225h作为结构大、小偏心判据，会导致结构极限承载力计算结果在0.225h附近发生突变，计算结果偏大。因此，在此阶段我国隧道支护结构设计在砌体和混凝土偏压构件安全度检算中采用了统一的用偏心影响系数a来反映轴力偏心对截面极限承载能力的影响（a=1-1.5e0 /h），偏心影响系数a在此之后也经历了多次修正。
4 发展阶段（20世纪90年代—21世纪10年代中期）
4.1 发展阶段隧道工程建设概况
20 世纪 90 年代—21 世纪 10 年代中期，我国建成西康铁路、兰新高速铁路、青藏铁路、郑西高铁、武广高铁等铁路工程，建成铁路隧道约8 350座，总长约10 577 km；建成沪成渝高速公路、青藏公路、西康高速公路等工程，其中公路隧道约13 324座，总长约12 600 km，建成地铁隧道约 2 000 km。在此阶段，我国公路隧道长度突破 10 km，最长公路隧道为西康高速公路秦岭隧道，长18.02 km，我国铁路隧道长度分别突破 20 km 和 30 km 大关，第一座长度超过20 km 的隧道为 2006 年开通的兰新铁路乌鞘岭隧道，长 20.05 km；第一座长度超过 30 km 的隧道为2014年通车的青藏铁路新关角隧道，长32.645 km。此外还修建了首座水下高速铁路隧道——狮子洋水下隧道，首座海底隧道——翔安海底隧道。代表性隧道工程如图12所示。
20世纪90年代以来，我国交通隧道跨度明显增大，修建了大量双线铁路隧道及四车道以上公路隧道。隧道建造已普遍采用了新奥法原理，并在此基础上又有所发展和创新，除特殊地质条件外，大部分采用大断面、全断面的施工方法。隧道建造的机械化水平进一步提高，钻爆法施工中普遍采用了机械化设备，实现了作业线优化配置。此外，全断面掘进机（TBM 及盾构）越来越多地被应用于我国铁路隧道、公路隧道及地铁隧道的建设中，如西康铁路秦岭隧道、狮子洋水下铁路隧道及大量地铁隧道。在建造长、大隧道，复杂地质、不良地质隧道方面有了较大突破，如郑西高铁黄土隧道[34]、宜万铁路岩溶隧道[35]、兰新铁路大变形隧道[36]等。
在此阶段，我国隧道施工技术由半机械化施工步入机械化施工，并全面采用了喷锚支护或复合式衬砌，地铁隧道大量采用装配式衬砌，隧道施工效率提高，深埋隧道受到的围岩压力主要是形变压力[37]。
但由于围岩物理力学特征的复杂性，因此尚未提出适用于实际工程的隧道形变压力计算方法，隧道结构设计所采用的围岩压力主要是松散荷载，且“地层-结构”模型被普遍应用于隧道设计。
4.2 发展阶段隧道围岩分级
20世纪90年代以来，我国隧道围岩分级由定性向定量方向发展。铁路行业确立了基于多因素组合的铁路隧道勘察设计阶段[38]、施工阶段[39]的围岩分级的定量判定方法，围岩等级由定性分级向定量分级迈出了重要的一步。1995年颁布了《工程岩体分级标准》（GB 50218-1994）[40]，采用岩石强度、岩体完整性等指标计算围岩基本质量指标 BQ 及修正值[BQ]。公路行业采用了国标的围岩定量分级方法。
至此，我国隧道围岩分级方法形成了一个从勘测设计阶段到施工阶段的、完整的、系统的体系。随后，相关学者提出了施工阶段围岩亚级分级方法[41~49]隧道形变压力计算公式：Pi = [(P0 + ccotφ)(1 - sinφ)]( ) aR2sinφ
1 - sinφ- c cot φ（17）
式中：Pi为作用于衬砌上任意一点的形变压力；P0为洞室深埋处原始地应力；c为围岩的黏聚力；φ为围岩的摩擦角；a为隧道开挖半径；R为隧道开挖后形成的塑性区半径。
在此阶段，随着计算机技术的发展，有限元、边界元、离散元等数值计算方法在隧道设计中得到全面推广，“地层-结构”模型被大量应用于隧道支护结构，尤其是喷锚支护、复合式衬砌初期支护设计，如图14所示。
4.4 发展阶段隧道支护结构安全度检算
20世纪90年代以来，我国隧道支护结构设计引入了以可靠性理论为基础的概率极限状态设计方法。铁路隧道整体式衬砌、明洞、洞门的检算，纳入了概率极限状态设计的分项系数法[39]，仍用截面抗压和抗裂两种极限状态。经校准法论证，确定了两种极限状态的目标可靠指标。利用荷载、强度及几何尺寸统计特征的相关成果，确定了满足目标可靠指标的作用和抗力分项系数，以及可靠度调整系数，最后合并成一个综合系数，考虑了荷载、材料强度、几何尺寸的离散性对安全度的影响，因而比定值检算更为合理。但由于围岩原始应力及物性指标的统
计特征难以正确获得，因此概率极限状态法主要应用于“荷载-结构”法，采用“地层-结构”模式检算内力时仍采用破损阶段法或容许应力法。至此，我国隧道支护结构设计已经形成了基于容许应力法、破损阶段法、概率极限状态法的隧道支护结构安全度检算方法。
5 创新阶段（21世纪10年代中期至今）
5.1 创新阶段隧道工程建设概况
21世纪10年代中期至今，我国建成郑万高铁、京张高铁、宝兰高铁等铁路工程，建成铁路隧道约4 462座，总长约10 572 km；建成雅西高速公路、雅康高速公路等公路工程，建成公路隧道约10 844座，总长约14 100 km；建成地铁隧道约5 037 km。代表性隧道工程如图15所示。同时，还有大量在建特长隧道，如乌尉高速公路天山胜利隧道（长22.04 km）、胶州湾第二海底隧道(长15.9 km)、大瑞铁路高黎贡山隧道（长 34.5 km）、深汕铁路坪山东隧道（27.89 km）、渝昆铁路彝良隧道（24.83 km）等。此阶段隧道长度突破40 km大关，如在建的某高原铁路隧道长度达到42.4 km。
21世纪10年代中期开始，我国隧道领域在前期建造技术积累的基础之上，开展了一系列隧道大型机械化-智能化建造技术探索，如郑万高铁湖北段[56, 57]、京张高铁、渝昆高铁、某高原铁路、四川沿江高速公路[58]等。其中，郑万高铁湖北段建设过程，将Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩进一步划分为2个亚级，并采用了基于围岩基本质量指标BQ及修正值[BQ]的定量分级方法。同时，随着信息技术和采集手段的不断进步，学者们逐渐开始了对围岩智能分级方法的探索，包括基于传统围岩分级指标、围岩图像的分级方法。
4.3 发展阶段隧道支护结构内力计算
20世纪90年代以来，铁路[39, 50]、公路[51, 52]行业相关规范基本明确了隧道支护结构内力计算方法：锚喷支护、复合式衬砌初期支护可采用“地层-结构”模型，整体式衬砌、复合式衬砌的二次衬砌可采用“荷载-结构”模型。此外，对于复合式衬砌中初期支护与二次衬砌的承载关系也有了更清楚的认识：二次衬砌在Ⅰ~Ⅲ级围岩可作为安全储备，按构造要求设计，在Ⅳ~Ⅵ级围岩，应按承载结构设计，并给出了二次衬砌围岩压力分担比。
围岩压力计算方面，相关学者依托郑西高铁黄土隧道提出了黄土隧道荷载计算方法[34]，见式（12）~
式（14）；相关学者依托兰新铁路乌鞘岭隧道等大变形隧道提出了挤压性围岩隧道荷载计算方法[53, 54]，见式（15）和式（16）。
黄土隧道竖向围岩压力：q = γh ( ) 1 - γhtanθB （12）
黄土隧道水平向围岩压力：
e1 = λγh （13）
e2 = λγ (h + H) （14）
挤压性围岩隧道竖向围岩压力：q = 0.19B0.15e0.4S 35H （15）
挤压性围岩隧道水平向围岩压力：
e = λq （16）
式中，S为挤压性围岩变形等级。
此外，公路行业基于普氏理论深埋隧道荷载计算公式及浅埋铁路隧道荷载计算公式[55]，分别给出了深、浅埋（偏压）小净距隧道、（偏压）连拱隧道围岩压力计算方法，并提出可采用经典卡斯特纳解计算形变压力（式（17）），但由于公式中塑性区范围R难以获取，导致此公式的实用性受到一定的限制。
中[56, 57]，提出大断面隧道机械化施工的全断面、微台阶施工工法及机械化配套方案，实现了软弱围岩隧道大断面施工技术的重大突破（图16）；开发了涨壳式预应力中空注浆锚杆、软弱围岩超前高压劈裂注浆、初期支护早高强喷射混凝土等与主动支护体系配套的七大施工工艺。京张高铁八达岭车站隧道建设过程中，提出了超大跨隧道“品”字形开挖新工法，采用了高性能快速张拉预应力锚索新技术、超大跨隧道变形分步控制理论及控制标准，形成了软弱破碎围岩超大跨隧道及密集洞群修建技术。在此阶段，我国隧道施工技术由机械化施工步入全工序谱系化大型机械化配套施工，预应力锚杆、高性能喷混凝土等主动支护措施被大量应用，对围岩变形的控制能力显著提高，隧道行业对于隧道所受荷载为形变压力基本达成共识，相关学者也提出了适用于实际工程的隧道形变压力计算方法[59, 60]。
5.2 创新阶段隧道围岩分级
21世纪10年代中期以来，我国隧道围岩分级方法向定量化、精细化、智能化方向发展。公路[61]、铁路[50]
行业相关规范均纳入了施工阶段围岩亚级分级。与此同时，机器学习、深度学习等人工智能算法也越来越多地应用于围岩分级中，建立了基于围岩照片、点云、随钻参数等信息的大数据围岩智能分级系统，并且已开展了工程应用。其中，随钻测量技术能在隧道钻孔施工过程中自动进行钻进参数采集，可以实现信息的自动采集、自动分析、自动分级，目前研究尚处于起步阶段。具有代表性的是武九铁路客运专线湖北有限责任公司和西南交通大学研发的“高速铁路山岭隧道围岩智能分级系统”软件平台[62~65]，以钻进参数为输入，围岩等级为输出，以机
器学习作为核心分级算法[66, 67]，直接建立了钻进参数和围岩等级的映射关系，实现了围岩等级的实时智能判识。
5.3 创新阶段隧道支护结构内力计算

目前，“荷载-结构”模型及“地层-结构”模型是我国应用最为广泛的隧道支护结构内力计算方法[50, 61]。为了更为精确地计算隧道结构内力，公路行业结合公路隧道扁平度大等特点，根据对大跨度隧道的围岩压力增减率进行的专题研究分析，对围岩压力增减率i进行了调整（表1），并参考铁路隧道塌方荷载计算公式，修正了深埋（偏压）小净距隧道、（偏压）连拱隧道围岩压力计算方法。为了应对岩爆、高地温等特殊复杂环境，相关学者提出了岩爆隧道、高地温隧道围岩压力计算方法。

表1 围岩压力增减率i取值[61]
隧道宽度B/m围岩压力增减率i<50.25≤B<140.114≤B<25考虑施工过程分导洞开挖上下台阶法或一次性开挖
0.070.12岩爆冲击荷载计算公式为[68]：q冲击 = Kmga2 （18）K = ΔΔst= v2gΔst（19）Δ = (π - 3)R3 × mv22EI = v2gΔst （20）Δst = (π - 3)2× mgR3EI （21）式中：q 冲击为冲击荷载（Pa）；K 为动荷因数；m为爆块质量(kg)；g为重力加速度（m/s2）；a为爆块边长（m）；R 为隧道当量半径(m)；E 为支护结构弹性模量（GPa）；I为截面抗弯系数；K为动荷因数；Δ 为受冲击部位的最大挠度(m)；Δst为自重引起的挠度(m)；v为爆块冲击速度（m/s）。高地温隧道竖向围岩压力计算公式为[69, 70]：q = 0.45 × k1 × 2S - 1γω （22）
k1 = 1.61 × 10-4t2 - 5.93 × 10-3t + 1.01 （23）
高地温隧道水平向围岩压力计算公式为：
e = k2 ⋅ q （24）
k2 = 1.10 × 10 - 6t3 - 1.28 × 10 - 5t2 -1.08 × 10-3t + 0.29
式中：S为围岩等级；γ为围岩重度（kN/m3）；ω为宽度
影响系数；t为围岩初始温度。
21世纪10年代中期以来，随着大型机械化施工方法的推广，形成了以主动支护结构理论为核心的机械化大断面隧道设计方法[71]。主要涵盖掌子面及洞身段两个区域，包括超前支护结构及洞身支护结构两部分。在掌子面超前支护结构设计方面，提出了基于极限平衡法的掌子面超前支护结构体系设计方法[72～78（] 包括掌子面喷射混凝土、超前小导管、管棚、掌子面锚杆、超前注浆等），如图17所示。
faces[72, 73]掌子面稳定性K计算公式：
K = P1 + β1α2Fc
β2 (Fw + α1Fq)
+ β3 （18）
式中：K 为掌子面稳定系数；β1、β2、β3为相关计算参数；Fc为掌子面滑移面黏聚力合力；Fq为掌子面滑移
体上方竖向形变压力合力；Fw为掌子面滑移体自重；P1为掌子面锚杆支护合力；α1为管棚支护下掌子面前方扰动段竖向形变压力折减系数；α2为掌子面预注浆加固后围岩黏聚力增大系数。
在洞身支护结构设计方面，提出了基于围岩基本质量指标 BQ 值的深埋隧道形变压力计算公式[10, 60, 79]：
q = 0.33γ (0.2 + 0.1B) exp (-0.006BQ + 4.2) （19）
e = 2.7exp (-0.006 6BQ) q （20）
式中：q为竖向形变压力；e为水平向形变压力。
此外，相关学者也提出了多种创新性的隧道支护结构设计理论及方法，主要包括隧道主动支护结构体系设计方法[11, 80]、隧道支护结构设计总安全系数法[12]及隧道围岩变形控制设计方法等[81]。隧道主动支护结构体系设计方法的核心是以超前支护结构、动提高围岩力学参数或降低施工对围岩力学参数的损伤影响，主动及时有效地提供支护结构力，充分调动和发挥围岩自稳能力，从而实现隧道变形控制。
5.4 创新阶段隧道支护结构安全度检算
自21世纪10年代中期以来，由于隧道围岩压力的不确定性等原因，隧道概率极限状态法设计至今仍处于试设计阶段，我国隧道支护结构安全度检算以破损阶段法或容许应力法为主[50, 61]，但仍在大力推广概率极限状态法[82]。
6 中国隧道支护结构智能设计展望
目前，中国隧道的数量和长度已占据世界隧道之首，所处的地形地质、地域环境等也是世界上最复杂的，隧道工程类型、标准和功能涵盖齐全，技术成就斐然。然而随着中国经济进入高质量发展阶段，信息化、数字化、智能化等新技术的应用以及高原铁路等一大批重难点工程的建设，使中国隧道支护结构设计理论及方法的发展迎来了新的机遇和挑战。
近年来，随着劳动力成本的不断提高，隧道现场经验丰富的施工技术人员数量在逐年减少，隧道工程建设“以机代人”成为现实需求，少人化（甚至无人化）是未来隧道工程建设发展的必然趋势。在机械化、数据化、信息化、人工智能高度融合的基础上，发展具有自感知、自学习、自决策、自实施功能的机器人，进行隧道建造主要工序的智能化作业，对提高施工效率、保障施工安全、提高施工质量具有重要意义。
与此同时，发展与之相适应的隧道支护智能化设计理论与方法显得尤为重要。综合当前中国交通隧道建设需求、现阶段技术水平及发展现状，本文提出我国隧道支护结构智能化设计理论及方法的发展趋势为：（1）突破主动支护理论，探明主动支护构件与围岩相互作用的时空效应；（2）实现设计、施工一体化；（3）发展能够准确探测难以到达地区潜在危险的空、天、地综合遥感技术，并整合不同的调查技术以提高地质勘查的准确性和效率；（4）不断积累完善各类地质条件下的隧道支护结构参数及设计方法，最终突破基于深度学习的隧道智能化设计；（5）发展具有自感知、自学习、自决策、自实施功能的智能施工机器人装备，进行隧道建造主要工序的智能化作业，提高施工效率、保障施工安全、提高施工质量，并实时感知围岩、支护结构状态；（6）建立集设
计、施工、管理一体化的综合平台，实现隧道智能化设计、施工。
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