我国隧道与地下工程发展迅速，特别是进入 21 世纪以来，无论是铁路隧道、公路隧道还是城市地下铁道工程的规模和数量都得到了飞速发展，成为名副其实的隧道大国。我国在隧道设计理论与方法的发展方面，虽然近些年有了较大的进步，但与国外比较还有一些差距，还需要广大隧道同行为早日实现隧道强国继续努力。国外 20 世纪 60 年代奥地利学者就总结提出了新奥法理念，70 年代形成了挪威隧道设计与施工方法，90 年代意大利学者总结提出了隧道岩土变形控制法。我国自 20 世纪 70 年代以来一直采用依靠经验为主的标准设计和类比设计方法，近年来逐渐向半定量和完全数值定量的解析设计方法转变，从容许应力设计方法到极限状态设计方法直到可靠度设计方法，另外有限元设计方法也开始应用到个别工程中，使设计质量有了大幅度提高，隧道设计思想有了重大转变，从过去单纯依靠衬砌承载的观点，改变为主要依靠围岩，即充分利用围岩自承能力的观点。本讲重点介绍我国隧道工程取得的历史成就，对隧道设计理论和设计方法的发展进行系统论述，同时对我国隧道设计理论和方法的发展方向进行探讨。
一、隧道工程的历程成就
隧道工程发展概况
我国隧道工程的发展历史悠久，最早有文字记录的地下人工建筑物出现在东周初期（约公元前 700年），《左传》中有“……掘地及泉，隧而相见……”的记载。最早用于交通的隧道为“石门”隧道，位于今陕西省汉中市褒谷口内，建于东汉明帝九年（公元 66 年）。用于地下通道的还有安徽亳州城内的古地下通道，建于宋末元初（约 13 世纪），是我国最早的城市地下通道。最早建成的铁路隧道是 1890 年建成的狮球岭隧道，位于台湾省基隆经台北至新竹窄轨铁路的基隆与七堵之间，全长 261m，这座隧道通过页岩、砂岩及黏土地层，最大埋深 61m。在地层压力较大处，拱部用砖作衬砌，边墙用石料作衬砌；在岩层较好处，则用木料作衬砌。
我国隧道工程的发展虽然历史较久远，但是发展速度呈现出先慢后快的特点。在新中国成立前，我国隧道工程数量和长度还比较少，处于萌芽期；新中国成立后到 2000 年约 50 年的时间内，随着交通路网的建设，隧道工程逐渐开始增多，呈缓慢发展期；进入 21 世纪后，随着西部大开发特别是高速公路和高速铁路的建设发展，隧道进入快速增长期。
截至2017 年底，我国运营通车的铁路隧道约14500 多座，总长约15300 多公里，其中长度大于10km 的特长铁路隧道约132 座，总长约1817km，最长隧道为青藏铁路的新关角隧道，长约32.7km；在建铁路隧道约3800 座，总长约8100km，其中特长隧道约155 座，总长度2096km，最长隧道为大（理）瑞（丽）铁路的高黎贡山隧道，长约34.5km；正在设计和规划铁路隧道约5600 座，总长约13000 多公里。正如前面所讲，进入21 世纪以来，铁路隧道进入快速发展阶段。2000 年以前，在100 多年的时间里，中国建成的铁路隧道总长度仅有3820km，而2001 ～ 2017 年短短17 年时间里，就新增运营铁路隧道11700km。近5 年（2012 ～ 2017 年）内，平均每年新增运营铁路隧道1400 多公里。
截至2017 年底，我国建成公路隧道约16000 座，总长15000 多公里，其中大于3km 的特长隧道约902 座，全长约4013km，最长公路隧道为秦岭终南山公路隧道，长18.02km，为世界最长双洞高速公路隧道，2007 年1 月建成通车。近些年，中国公路隧道以每年1000km 以上的建设速度增长，建设速度世界第一；世界上已建成的10 座长度10km 以上的高速公路隧道中，有9 座在中国，在建和拟建的10km 以上高速公路隧道尚有18 座，建设规模世界第一。中国已建成典型公路隧道中，除秦岭终南山隧道外，还有上海崇明通道水下隧道，南京、武汉越江通道水下隧道等大直径盾构隧道，以及上海南昌等地江底隧道，另外2017 年建成的港珠澳通道海底宽体沉管隧道，也非常具有代表性，我国已成为世界公路隧道大国。
隧道工程主要技术创新
继京广铁路大瑶山特长隧道、西康铁路秦岭特长隧道获得国家科技进步奖之后，近年来隧道工程取得了很多创新成果，获得多项国家科技进步奖和省部级特等奖及一等奖。现简要介绍几个创新成果如下：
（1）理论研究方面的创新。通过十几年的持续研究和工程实践，对于隧道施工全过程的变形控制方面有了新的认识，创新总结形成了一套具有中国特色的隧道修建技术，其核心思想是以围岩稳定性为前提，以围岩全过程变形控制为目标，以科学的支护措施为手段，实现支护结构与隧道围岩结构的协同作用，从而充分发挥围岩的自承能力，达到安全、经济、快速、耐久的隧道稳定结构体系。该方面创新为隧道工程的设计和施工奠定了理论基础，曾获中国铁道学会科技进步特等奖。
（2）岩溶隧道技术创新。通过对宜万铁路34 座高风险岩溶隧道以及沪昆高速铁路、贵广高速铁路总数250 多座岩溶隧道的研究和工程实践，总结形成了复杂山区富水岩溶隧道的修建技术，其主要创新技术包括深埋岩溶隧道综合勘察技术、施工超前探水综合地质预报技术、洞身岩溶发育段大型富水溶洞群综合处理技术、高压富水大型充填岩溶断裂带修建技术、富水岩溶隧道防排水技术、极高风险岩溶隧道防灾逃生救援技术等。
（3）黄土隧道技术创新。依托郑西高速铁路53km 的黄土隧道建设，克服了断面超大、浅埋段落长、黄土遇水软化、湿陷强烈等系列工程难题，建立了大断面黄土隧道稳定性控制技术体系，形成大断面黄土隧道空间变形设计方法，开发了三台阶七步开挖工法等施工新技术，还形成了多项专利，发表了多篇论著，推广应用到宝兰、大西以及银西高速铁路黄土隧道的建设，成果获得国家科技进步二等奖。
（4）水下隧道技术创新。依托广深港狮子洋水下隧道的修建，针对工程面临的运营速度快、盾构掘进距离长、地质复杂多变、盾构地中对接、水压力大、安全标准高等多项难题，历经数年攻关，形成了系列创新技术，开发了地中对接技术、空气动力学缓解技术、特长水下隧道紧急救援站技术，创立了复合地层水下盾构隧道结构选型方法和结构设计方法等，该项成果获得国家科技进步二等奖。
（5）高原高寒特长隧道技术创新。依托青藏铁路西宁至格尔木段新关角隧道的建设，成功攻克了海拔高，含氧量低，施工环境恶劣，地应力高、变形控制难度大，运营防灾救援困难等技术难题，创新形成了高原复杂地质条件下特长隧道修建技术，构建了高海拔特长隧道施工环境卫生保障技术体系，揭示了高海拔地区隧道施工机械尾气排放特征，研发了长斜井井底渣体破碎、降尘和皮带机出渣系列技术，研制了高寒隧道节能通风升温系统和洞内移动式供氧系统，构建了高海拔特长隧道防灾救援技术体系，研发了采用自然通风方式的高海拔特长隧道运营通风新技术，为今后我国在高海拔地区修建特长隧道提供了很好的借鉴。该成果曾获得青海省科技进步一等奖、中国铁道学会科技进步一等奖。
（6）城市复杂环境隧道建设技术创新。广深港高速铁路深圳市区益田路隧道、深港隧道和福田地下高铁站的建设，具有紧邻超高层建筑物、下穿多条运营地铁线路和地下商业街，安全风险高；大直径盾构下穿地层复杂，盾构掘进控制要求高；建筑物密集，变形控制及保护难度大等显著特点。创新形成了超大超深基坑支护体系与安全控制技术、大型客站特殊结构关键技术、核心城区复杂地层大直径盾构隧道系统设计建造技术、PBCRD 工法（先墙后拱交叉中隔壁法）实现高速铁路大断面隧道超小净距下穿运营地铁、地下车站与隧道区间的综合防灾技术体系、列车高速通过地下站空气动力学关键技术等，为城市区复杂环境下修建隧道工程提供了借鉴。
（7）超大直径盾构隧道施工技术创新。结合南京长江越江隧道、北京地下直径线隧道等盾构法隧道施工的工程实践，克服了大直径盾构机穿越高水压、强渗透性和强磨蚀性地层、长距离掘进、沉降控制要求高等一系列难题，形成了大直径盾构隧道施工成套技术创新。构建了超大直径盾构隧道设计施工运营全过程结构安全保障技术体系，系统解决了隧道衬砌结构在高水压强渗透地层施工期的稳定性控制、管片耐久性设计与制备、结构抗火性能与灾后评估等技术难题，实现了超大直径盾构隧道结构的优化设计，保证了工程的长久稳定与安全。开发了适应高磨蚀性密实砂卵石砾石地层刀具配置技术，创新了刀具更换技术与进舱泥膜技术。该类技术创新对采用盾构法施工的隧道工程提供了借鉴，该成果获得国家科技进步二等奖。
典型隧道工程
1） 青藏铁路新关角隧道
青藏铁路新关角隧道是目前中国运营最长的铁路隧道，位于青藏铁路的西宁至格尔木段，全长32.7km，是我国乃至亚洲最长的山岭隧道。这座隧道使原来铁路的4 个灯泡线展线绕行，改为穿越关角山，线路缩短37km，运营时间节约2 个多小时。该隧道建设使我国隧道的建设长度迈入30km 的超长隧道等级，具有里程碑意义，对今后修建更长的铁路隧道积累了经验。
2） 石太客专太行山隧道
石太客专太行山隧道位于石家庄至太原客运专线上，隧道全长27.8km，是我国乃至亚洲目前运营最长的高速铁路隧道。该隧道采用平行的两座单线隧道设计，攻克了膏溶角砾岩地层高铁隧道设计与施工难题，首次在高铁隧道内建设救援站，形成了高铁特长隧道群防灾救援成套技术。
3） 广深港高铁狮子洋水下隧道
狮子洋隧道是广深港高铁穿越珠江口狮子洋海域的水下隧道，全长10.8km，是世界首座高速铁路水下盾构隧道，也是我国已建成的最长水下隧道和首座铁路水下隧道，是对世界高铁修建技术和现代盾构技术的新挑战。通过国内建设、设计、施工、科研等多部门的联合攻关，系统解决了结构安全保障、工后沉降控制、盾构地中对接、隧道气动效应控制、防灾疏散等方面的多项技术难题，实现了世界高速铁路水下盾构隧道从无到有的突破，并为更长、更大水深隧道的建设奠定了基础。
4） 兰渝铁路西秦岭隧道
西秦岭隧道总长28.236km，为兰渝铁路第一长隧，同时也是我国已建成通车的第二长隧，采用大直径（10.23m）硬岩开敞式TBM 施工。该隧道首次采用TBM 掘进与二次衬砌同步施工技术，以及长达14km 的连续皮带机快速出渣系统，创造了月掘进843m、周掘进235m、日掘进42m 的世界纪录，同时也创造了连续掘进 15.6km 的大直径 TBM 硬岩掘进机最长掘进纪录，取得了良好的效果。大直径 TBM 在西秦岭隧道修建中成功实施，实现了大直径、快速、长距离、高效施工的目的，提高了我国特长隧道修建技术水平，推动了我国 TBM 产业的发展，在同类工程中具有重大的推广应用价值。
5） 港珠澳大桥沉管隧道
该隧道为港珠澳大桥岛隧工程的重点控制工程，长约 6km，其中沉管段长 5664m，采用 33 节沉管，标准管节长 180m，宽 37.95m，高 11.4m，重约 7.6 万 t，最大沉放水深约 44m，是目前世界上体量最大、施工环境最复杂的沉管隧道。该隧道创新研发了半刚性沉管隧道结构体系，开发了适合于半刚性沉管结构的永久预应力体系，研发了外海沉管安装成套技术和装备，创新了深水沉管免调整精确定位技术，攻克了巨型沉管在受限海域拖航、锚泊定位、作业窗口管理诸多难题，形成了具有中国自主知识产权的外海沉管安装成套技术体系。该隧道创新提出了可折叠主动止水的结构理念，发明了整体式主动止水最终接头技术。该隧道为今后我国在更复杂水域建设沉管隧道积累了经验。
二、隧道设计理论的发展
由于隧道工程地质的不确定性，隧道设计理论还在发展过程中。
以支护结构（支护和衬砌）为对象的设计理论为例，其发展过程大致可以分为以下几个阶段。
初期阶段是按地面结构处理的，衬砌视为结构，围岩视为荷载，按地面结构采用静力学方法进行设计，即所谓的荷载—结构理论模式。直到今天，荷载—结构理论模式仍然是隧道衬砌结构设计的主要方法。
荷载—结构理论模式的关键是对荷载的处理。
初期阶段的衬砌，按拱形构造只考虑主动荷载（松弛荷载）作用，没有考虑围岩的约束作用（弹性抗力）。因此，隧道理论的研究，把重点放到荷载的研究上。
一般的结构设计是先要决定荷载的特性，而后计算在荷载作用下是如何变形和破坏的。可对隧道来说，什么是结构？什么是荷载？如何确定？都不明确，荷载是如何发生和发展的，也不明确。因此，在隧道设计、施工中，决定荷载的大小就成为首要的问题。
从 19 世纪开始，对决定隧道设计荷载的研究，出现许多不同的观点，其中主要有：
● 以松弛高度决定的荷载（Kommerell、Protodyakonov 等）；
● 根据围岩平衡决定的荷载（Janssen、Terzaghi、Kunzel 等）；
● 松弛围岩和结构物下沉之差决定的荷载（Marston、Spangler 等）；
● 考虑侧压、底鼓决定的荷载（Terzaghi 等）；
● 围岩分级决定的荷载（Lauffer、Terzaghi、Barton、Bieniawski、Deere 等）。
其中，围岩分级决定的荷载，直到今天仍然得到广泛的应用，也是我国规范推荐的方法。
之后的研究证实，围岩荷载不仅与围岩性质有关，而且与支护结构的性质也有密切关系，即围岩对支护结构变形有约束作用。为此，作为约束结构变形的被动荷载的研究也提到了日程。从 60 年代开始，隧道衬砌设计不仅考虑了主动荷载也考虑约束作用产生的被动荷载（弹性抗力）的作用，这是荷载—结构理论模式的重要发展。
从 19 世纪开始，随着岩体力学、地质力学、结构力学、弹塑性力学以及计算技术等的发展，对隧道承受的荷载本质的认识也发生了根本的变化。理论证实，隧道承受的不是松弛荷载，而是支护与周边围岩相互作用的结果（或称为形变荷载）。荷载大小及其分布、历时变化等都与围岩和支护的相互作用息息相关，不是确定的，是变化的，也是可以控制的。
把围岩作为承载的主体，以研究开挖后的围岩动态和围岩与支护的相互作用为对象形成的理论体系。
围岩—结构理论模式的关键，是对围岩的处理，换句话说就是对围岩模式化的研究。
围岩的不确定性、不连续性、各向异性决定了其构造特性、材料特性、水理特性、荷载特性，均不相同。因此，围岩模式化的研究非常重要，它决定了围岩—结构理论模式的成败。
从理论上说，围岩可模式化为弹性体、塑性体、弹塑性体、弹黏性体等连续介质或不连续介质等。但这种认识是有条件的，由于对围岩性质认识的不同，表达围岩模式化的本构方程（例如：Mohr-Coulomb 准则、Drucker-Prager 准则、Mises 准则等）也不相同，以这些准则求出的解析解，对开挖后围岩动态、隧道施工过程中的变形控制均有重要的指导意义。
目前，采用较多的是弹塑性本构方程，用于施工过程的动态模拟，特别是变形控制模拟以及支护效果的验证等方面。但应注意，由于采用的本构方程不同，围岩及支护特性的物性值的离散性、不确定性等，其解析解会出现相当大的差异，其应用受到一定的限制。
不管是荷载—结构模式，还是围岩—结构模式，都是从力学的角度，以可靠性理论为基础建立起来的模式。但隧道衬砌设计，不单纯是强度设计，还应包括各种性能的设计，如耐久性、抗冻性、水密性、抗震性等的设计。因此，围岩劣化、材料劣化、冻融特性、抗震性能等的理论研究也是必要的，这些方面的研究现状可参考本书与之有关的各讲。
三、隧道设计方法的发展
山岭隧道的设计方法，基本上分为预设计和施工设计两大类，其中预设计是指施工前根据有限的地质调查数据进行的设计（称为初步设计或施工图设计）；施工设计是指施工中根据揭露的围岩状况，修正、完善预设计的设计（或称为变更设计）。
在预设计中采用的主要设计方法如下：
● 标准设计方法；
● 类比设计方法；
● 解析设计方法。
上述方法中，采用最多的设计方法是各机构按不同围岩级别规定的标准设计方法。我国超过 1 万km 的铁路隧道是按标准设计修建的。1950—1953 年，我国新建铁路隧道集中在天兰、成渝或丰沙等线，衬砌结构采用铁道部 1951 年发布的标准图，分为坚石、次坚石、松石、土质 4 类，系参考民国时期遗留的资料编成。1954 年开始依据苏联隧道衬砌按普氏坚固性系数 f 值编制定型图，一直应用到 1960 年。此后随隧道设计规范的不断修正、完善，隧道衬砌标准设计也得到迅速发展，相继制定出一般地区衬砌、偏压衬砌、斜交洞口衬砌、拱形明洞衬砌等一系列标准设计图，基本上满足了隧道衬砌设计的需求。在隧道勘测设计中，标准设计图采用率高达 90% 以上。
今后不断完善、提高标准设计的质量仍然是我们重要的研究课题。这方面的经验越来越丰富，标准化的内容也更加合理、适用。
在土砂围岩和膨胀性围岩等特殊围岩中，也有采用类比设计和解析设计方法的事例。但类比设计法和解析设计法的实例不多，具体的设计内容也没有明确的规定，其应用受到一定的限制。特别是在解析设计法中，物性值和模式化的评价、本构方程的设定等还要依赖有经验的专家予以判定。
在施工设计中，由于数值解析方法以及计算机的高性能化，解析方法获得一定的发展，用以核查围岩动态及验证支护效果等。
一般山岭隧道采用的主要解析设计方法有：
● 理论解析方法；
● FEM（Finite Element Method，有限单元法）解析方法；
● 构造解析方法。
对衬砌、明洞等结构来说，构造解析方法（包括 FEM）仍然是主要设计方法。
构造解析方法从发展角度看，已经从过去的容许应力法全面进入到概率极限状态设计法阶段。
所谓容许应力设计法，是把作为构件的材料强度除以安全系数 γm，用容许应力确保安全度的方法。例如，安全系数对混凝土取 3 ～ 4，对钢筋取 1.7 左右，即使有荷载作用，因为材料中发生的应力均在容许值以下，材料处于弹性状态，而与屈服以后的动态无关。
此外，容许应力法没有考虑荷载的离散性，也没有考虑荷载的变动，这些离散性也包含在材料的安全系数内，实际上确保的安全度是不明确的。但此方法，概念明确，计算偏于安全，应用较多。
在容许应力设计法中，钢筋及混凝土均处于弹性状态，作为确认使用性的方法是有效果的，但不能研讨破坏时的动态。
从隧道衬砌设计方法看，容许应力法仍然是不可忽视的方法之一。
从 20 世纪 80 年代开始，美国、加拿大、欧洲等国开始采用极限状态设计法代替容许应力设计法。所谓极限状态，是指构造物或构造物一部分达到称为极限状态的状态后，使用性急剧降低，视情况发生破坏。在此状态，构造物没有丧失其功能，但发生各种变异，不能满足要求性能。
极限状态设计法补充了容许应力法的不足，对材料及荷载分别规定了安全系数和修正系数。认识到构造物受到破坏和损伤不能使用的可能性，因此，尽可能地借助可靠性理论，把可能性抑制在一定基准（容许破坏概率）以下。目前极限状态设计法已被各国作为可以信赖的设计方法。
我国于 1999 年施行的《铁路隧道设计规范》（TB 10003—99）开始采用以可靠性理论为基础的概率极限状态设计方法计算隧道衬砌。
不管是容许应力法，还是极限状态法，都是从力学角度解决隧道支护和衬砌结构的设计方法。但对隧道这样隐蔽性极强的地下结构，仅仅是结构设计（力学设计或强度设计）是不充分的，还必须对耐久性、使用性以及可维修性等性能要求进行设计。因此，以性能要求为核查对象的“性能核查型设计方法”，逐渐受到各国的关注。
所谓的性能核查型设计，是指如果设计的构造物能够满足要求性能，则可以采用任何的构造形式、构造材料、设计手法、工法。日本 2003 年公布了以盾构隧道为对象的性能核查型设计方法指南，2006 年又提出城市矿山法隧道衬砌设计向性能核查型设计过渡的指导建议。我们结合设计实践，也开始关注与构造性能有关的设计，例如对结构的耐久性能也制定了设计的基本规定，同时在隧道规范中也开始要求设计必须考虑可维修性的基本原则等。
新奥法的出现，为围岩—结构理论模式的应用增加了新的活力。以施工中的观察、量测、围岩探查技术取得的信息为基础的信息化施工设计方法得到进一步发展，这是目前设计变更采用的主要方法，其中包括围岩级别的变更、支护构造的变更、辅助工法的选定、最终位移的预测、支护效果的核查、反分析等方法。
四、展望
隧道设计理论和方法仍在发展中，今后，在我国大量修建隧道工程的基础上，不断完善荷载—结构模式和围岩—结构模式，依然是重要的任务。
对荷载—结构模式，应把重点放在荷载的确定上。利用大量的支护与围岩相互作用的荷载数据，以统计分析方法建立围岩级别与荷载值的相关关系，是研究的关键。
对围岩—结构模式，应把重点放在围岩模式化的研究上。以围岩级别为基础，从理论上、实用性上建立模式化的本构方程，是当务之急。
作为长远目标，应把隧道设计从单纯的构造设计（力学设计或强度设计）逐渐转变为以性能设计为基础的设计方法，全寿命周期的设计方法就是其中之一。
作为基础设施的隧道工程，不仅要求力学上的稳定性，更为重要的是，要确保构造物的长期性能，即从规划、设计阶段开始到维修管理阶段中，能够进行适宜地修正变化的功能和要求性能，长期地而且可持续地评价结构物的有效性和性能的设计，即所谓的“全寿命周期的设计方法”。这是在环境学科中形成的概念，是指融合LCA（寿命循环评估）、LCB（寿命循环效益）、LCC（寿命循环成本）三要素的设计。也就是说，对隧道及其服务给出环境负荷，在全过程中进行定量地评价，考虑环境负荷在全过程中的效益及成本的设计行为也是在定义功能和要求性能的基础上，考虑寿命循环中的变化因素，使利益最大化、成本最小化的设计方法。
寿命循环设计（Life Cycle Design，LCD）的概念，不仅看建设当初，同时关注结构物使用过程中的环境变化的影响（作用）和利用形态的变化，来适宜地修正功能和要求性能，进行长期的而且可持续的结构物有效性和保有性能评价的设计。因此，如能够构筑LCD 的具体的评价、核查方法，即使结构物使用过程中环境变化，也能够进行合理的维修管理和再构筑的整备计划。但LCD 是一个新的设计概念，应一边与ISO（国际标准化组织）的结构物设计进行标准化整合，一边应及早谋划确立。
参考文献
[1] 关宝树. 隧道工程设计要点集［M］．北京：人民交通出版社， 2003．
[2] 关宝树，赵勇. 软弱围岩隧道施工技术［M］．北京：人民交通出版社， 2013．
[3] 赵勇，李鹏飞. 中国交通运输隧道发展数据统计分析[J].Engineering， 2018（4）.
[4] 日本土木学会. 性能规定に基づくトンネルの设计とマネジメント[D]. 东京：丸善株式会社， 2009.