中日山岭隧道技术规范的比较暨日本盾构法施工规范

中日山岭隧道技术规范的比较

暨日本盾构法施工规范

1、比较对象

目前，日本在山岭隧道中，具有权威性的规范就是由土木学会制定的【隧道标准示范书】（2006年版），即我们所谓的”隧道工程技术规范”。分别按三大主流施工方法，即：矿山法、盾构法及明挖法分三册出版。在该示范书中，同时规定除本示范书外，下列示范书、技术标准亦应遵守。

1、混凝土标准示范书（规准编）（2005）土木学会

2、混凝土标准示范书（施工编）（2002）土木学会

3、混凝土标准示范书（维修管理编）（2001）土木学会

4、铁道结构物等设计标准·同解说城市矿山法隧道（2002）铁道综合技术研究所

5、公路隧道技术标准（构造编）（2003）日本道路协会

本文，中日山岭隧道技术规范的比较，就是以上述标准示范书、技术标准与我们现行的下列规范、暂行规定等进行的比较。

2、日本规范、技术标准的现状

1）日本规范、技术标准的指导思想

日本国土交通省2002年提出“土木、建筑设计的基本方针”，该方针是以ISO2394和Eurocode0规定的结构物设计基本方针和体系而提出的。因此，此后编制的技术标准，都是以下述指导思想为依据的。

其指导思想有二：

一个是结构物的设计要从“构筑一个结构物”的思想，转变为“更好地使用一个结构物”的思想；也就是说，结构物设计要从单纯的力学设计转变为性能设计；或者说转变为以力学性能为对象的性能设计。

一个是结构物设计必须是包括从勘查、规划、设计、施工及营运的全过程的设计，也就是说，必须把结构物的维修管理纳入到设计中

因此，日本土木学会分别制定了【混凝土标准示范书】，分为构造性能核查编（2002）、施工编（2002）及维修管理编（2001）。

山岭隧道，基本上是属于混凝土结构一类的结构物，因此，其规范、技术标准的主导思想来自于【混凝土标准示范书】。【混凝土标准示范书】一变，隧道规范及技术标准也随之而变。因此，随着【混凝土标准示范书】的修订，日本土木学会接着就修订【隧道标准示范书】，这就是目前实施的【隧道标准示范书】。日本国土交通省铁道局也开始就委托铁道综合技术研究所着手编制【铁道结构物等设计标准】，【城市矿山法隧道设计标准】就是其中之一（作者注：这本标准主要针对城市铁路隧道隧道，地下铁道归属于铁道局管理，因此，也是针对地下铁道的，对山岭隧道的洞口段及浅埋段也适用），与之配套的还有【铁路隧道维修管理标准】（2007）等。

2）规范、技术标准的体系

日本铁路隧道的规范、设计标准，基本上是由土木学会和铁道综合技术研究所，编制的。公路隧道的规范、设计标准则是由日本道路协会编制的。编制单位具有相当的权威性，但编制的规范、技术标准、指南都不具有约束性。其约束性主要体现在投标的过程中，即：业主指定工程设计施工必须符合那个规范或标准，那个规范和标准才具有一定的约束性。这与我们的规范、暂行规定等具有约束性是完全不同的。

在日本真正具有约束性的是国家标准，例如，JIS等。其它都是没有约束性的。

除国家的法规、法令外，日本的规范、技术标准大致分为三个层次。

第一层次：标准示范书类：例如，混凝土标准示范书、隧道标准示范书等；

第二层次：技术标准或设计标准类：例如，铁道结构物设计标准、公路隧道技术基准（构造编）等；

第三层次：有针对性的指南（指针）类：例如，“新奥法设计施工指南”（1996）、“喷混凝土指南（隧道编）”（2005）、“隧道混凝土施工指南”（2000）、“高性能喷混凝土设计施工指南”、建设业劳动灾害防止协会编写的“隧道施工通风技术指南”（1990）等。这一层次的指南，实质上是对规范、技术标准的补充，包括新技术、新工法的应用等，其应用价值丝毫不逊于规范和技术标准。因此，日本各协会、都在编制指南上投入很大力量。指南的许多内容的绝大部分，都纳入以后修订的规范和技术标准中。

其实，日本在规范、技术标准、指南之外，还有一个层次，就是手册。这是集某种技术

之大成而编写的工具书。如由山本埝教授主编的“隧道实用手册”、铁道综合技术研究所编写的“隧道近接施工对策手册”和“城市铁道结构物近接施工对策手册”，日本铁钢联盟编写的“钢纤维混凝土设计施工手册”（隧道编）等。

3）规范的构成与内容

以日本2006年版的【隧道标准示范书、矿山法编】为例加以说明。

该示范书由总论、规划及调查、设计、施工、辅助工法、特殊围岩及城市矿山法隧道、施工管理、TBM工法、背板工法、竖井和斜井等10篇构成。共234条文。其中特殊围岩及城市矿山法隧道和TBM工法两篇是第一次出现的示范书中。

第1篇总则，包括适用范围、用语定义、有关法规及矿山法的选择和研讨步骤。

第2篇规划和调查，包括规划的基本原则，如隧道的线形（平面及纵断面）、净空断面及隧道的附属设施等；调查的基本原则，如围岩条件的调查、当地条件的调查、调查成果的整理与利用等。施工计划的基本原则，如工区的划分、施工方法的选定、辅助坑道的设置、施工道路、洞外设备及弃碴场等。

第3篇设计，共分通则、设计基本原则、支护设计、衬砌设计、仰拱设计、防排水设计、洞口段及洞门设计、分支及扩大段设计、近接施工设计等9章。其中，近接施工设计是第一次出现在示范书中。

第4篇施工，由通则、安全卫生、环境保护、测量、开挖、出碴、洞内运输、支护、衬砌、防排水等的施工和洞口段施工11章构成。

第5篇辅助工法，除一般规定外，主要按确保隧道施工安全的辅助工法和保护周边环境的辅助工法分开编写。

第6篇特殊围岩及城市矿山法隧道，其中城市矿山法隧道是第一次出现在示范书中。因为最近几年城市在土砂围岩中采用矿山法修筑隧道的工程实绩越来越多，因此在铁道综合技术研究所编制的【铁道结构物设计标准·城市矿山法隧道】（2002）的基础上，增加了此篇。这里所指的特殊围岩包括未固结的、膨胀性的、产生岩爆的，高热、温泉、有害气体的及高压、大量涌水的围岩。

第7篇施工管理，包括进度管理、质量管理和成型管理、观察与量测4章。

第8篇TBM工法也是首次出现的一篇，包括适用范围、TBM工法的规划及调查、规划、设计、施工及施工管理、观察及量测、安全卫生、作业环境的维护、特殊用途的TBM等8

章。

第9篇背板法，是指传统工法而言，一般说限制在小断面隧道中应用。因此其规定也主要是针对小断面隧道的。

第10篇竖井和斜井，由竖井设计、竖井施工、斜井设计、斜井施工、竖井及斜井的洞底设备等4章构成。

应该说明，示范书是针对所有采用矿山法修筑的隧道的，包括铁路隧道、公路隧道、水工隧洞、小断面隧道以及地下铁道等，并非单独针对铁路隧道的。其应用都体现在条文的解说中。

本示范书把设计和施工合并在一起是一个特点。在日本的隧道工程界，始终认为，隧道设计的成果是由施工来实现的，不管设计如何好，但施工不到位或不良也拿不出满意的结构物来。因此，把规范施工行为的准则与设计有机地结合在一起，是非常必要的。另外还应说明，日本与我们的设计施工体制不同，日本基本上没有独立的设计单位，工程设计与施工基本上是由承包单位承担的。这可能也是在规范中把设计施工合并在一起的一个原因。

日本规范和技术标准另一个特点就是每个条文紧接着都有一个比较详细的解说（即条文说明）。应该说，规范的条文是比较简洁、明确的，是“画龙点睛”。而解说则详细地说明了条文的“来龙去脉”，提供了许多确保条文实施的建议和要求。我们则恰恰相反，条文用的笔墨太多，而条文说明过于简陋，有的还没有条文说明。

其次，在日本的一些设计标准、指南中，一个重要构成部分，就是“参考资料”，类似我们的附件。参考资料给出许多研究成果、统计数据以及实用的设计方法等。例如，在【城市矿山法设计标准】中，就列出46个参考资料，其中包括掌子面稳定性评价方法、超前支护设计方法以及管理基准值设定例等等具有实用价值的资料。同样地，在【喷混凝土指南】（隧道篇）中也列出有关喷混凝土设计的一些参考资料，包括喷混凝土制造的施工设备、一些喷混凝土的应用事例等。

依上所述，日本隧道规范及技术标准，大体上是由前言（编写说明或修订说明）、编写人员名单、目录、条文及解说和参考资料几部分构成的。这与我们的规范、技术标准大同小异。

另外也要指出，日本的规范、技术标准，基本上都是由官方委托有关协会或研究单位编写的。委托单位则组成由知名学者主导的，有研究、学校、企业等人员组成。如【隧道标准示范书】（矿山法）（2006年版）修订委员会就是由16人组成，下设总论、规划和调查、设

计、施工（包括辅助工法、竖井、斜井）、特殊围岩及城市矿山法隧道、施工管理等6个分科组，人员达50余位。这与我们编写的方法截然不同。而且编写时间比较富裕。

3、技术比较

（1）关于围岩分级

日本的铁路隧道和公路隧道的围岩分级，基本上都是定量的分级。铁路隧道和公路隧道的围岩分级指标列于表1。

表1 围岩的分级指标

从指标上看，日本充分利用了在隧道设计阶段用物探、钻探等地质勘察方法获得的地质数据，如弹性波速度和表达钻探岩心状态的RQD。在土质围岩中，则通过物性试验获得相对密度和细颗粒含有率，作为区分砂质土和粘性土的指标。另一个指标就是净空位移值，作为控制位移的大致标准。我们的围岩分级基本上是定性的，缺少定量的指标，对围岩级别的判定，主观臆测的成分较重。实际上，我们在设计阶段也做了大量的地质工作，也取得了不少的地质数据，可惜的是，没有把这些数据进行统计、整理和分析，因此也无法使围岩分级定量化。

在定量指标的确定上，基本上是以定量的统计数据和基础性研究为基础的。

日本铁路隧道的围岩分级，比较重视低级别围岩和特殊围岩的划分，例如在Ⅰ级围岩（相当于我们的Ⅴ、Ⅵ级围岩），按围岩的性质就分为ⅠN、ⅠS、ⅠL三级，其中ⅠN是一般围岩，ⅠS是具有塑性化的围岩，ⅠL是指未固结的松散的土质围岩。另外对一些标准支护模式不能适用的围岩，称为特殊围岩，分出特S和特L两级。我们也开始关注这个问题，但在低围岩级别划分上还存在问题。

附件一列出日本铁路隧道和公路隧道围岩分级表，以供参考。

（2）有关结构设计的内容

【日本隧道标准示范书】第3篇设计，由通则、设计基本原则、支护设计、衬砌设计、仰拱设计、防排水设计、洞口段及洞门设计、分支及扩大段设计、近接施工设计等9章构成。其中，近接施工设计是第一次出现在示范书中，是以“隧道近接施工对策手册”和“城市铁道结构物近接施工对策手册”为基础编写的。而在【城市矿山法隧道设计标准】中，超前支护也第一次独立成节地例如设计标准之中。

1）设计的基本原则

我们与日本在隧道设计基本原则上的最大差异是在二次衬砌上。

日本的二次衬砌，基本上采用素混凝土。但在埋深小的土砂围岩、洞口段等地段，考虑以后荷载可能的变化或者可能产生偏压的场合，包括在城市隧道采用全包防水的场合，才采用承载的衬砌，甚至采用钢筋混凝土衬砌。在一般情况下，日本的二次衬砌基本上是按照不承载（安全储备）的原则设计的，以跨度10m左右的隧道为例，我们与日本的规定比较列于表1。

表1 二次衬砌厚度（cm）比较表

注：表中围岩级别分别为中国、日本铁路（）、日本公路『』

我们因为在超前支护、初期支护的技术上不能把位移控制在要求的容许值上，才考虑在按围岩级别的降低，逐级加厚二次衬砌。从国情和目前的技术、管理现状出发，我们这样做，也是无可非议的。但，摆在我们面前的课题就是：在一般围岩条件下，如何通过加强初期支护和超前支护的作用，使之与围岩一起能够担负坑道稳定的功能，从而使二次衬砌不承载，仍然是我们要考虑的问题。

日本的观点很明确，二次衬砌承载是有条件的。例如：日本在城市矿山法隧道设计标准中就明确规定（第60条）二次衬砌在下述场合，应具相应的力学功能，也就是说是承载的。

·围岩变形不收敛的场合施设二次衬砌时，要具有能使围岩稳定的约束力；

·衬砌施工后，发生水压、上覆荷载等外力作用时，要能够承受其荷载；

·对使用后的外力变化和围岩、支护材料的劣化，需要提高结构物耐久性时；

·需要提高抗震性的断层破碎带；

·易受偏压、上覆荷载、地震影响的洞口段；

·翻浆冒泥可能性大的场合等。

因此，增加二次衬砌需要具有力学功能的条文是有必要的。此时的二次衬砌需要采用解析方法进行设计。

2）设计方法

日本【隧道标准示范书、隧道编】明确规定，隧道支护结构的设计方法有三。即：

·标准设计的方法；

·工程类比的方法；

·解析设计的方法。

同时在新奥法指南中又明确规定各种方法的应用条件。实际上，我们的设计也是这样做的。但在什么条件下应该采用什么方法，并没有明确地给定。

例如日本新奥法设计施工指南关于设计方法的规定（第9条）在初步设计中，原则上采用以下方法。

（1）标准支护模式设计

（2）类似条件设计

（3）解析手法设计

而且规定了在什么条件下，采用什么设计方法比较合适。如表2所示。

表2 设计方法的划分

而在【城市矿山法隧道设计标准】规定，工程类比方法应在进行类比性（表3）和妥当性（表4）的研究后才能采用等。

表3 研究类比性的项目

表4 妥当性研究的项目

3容许位移值或预留变形量

在设计中，我们有一个预留变形量的规定，与我们不同的是，日本在设计中，有一个容许位移值的规定。另外，只在

I 级围岩中规定了一个预留变形量（10cm ）。其他围岩都没有预留变形量都要求。表5是日本铁路隧道净空位移值的管理基准例。

表5 铁路隧道净空容许位移基准

日本把容许位移值和超挖联系到一起，设定预留变形量，因此当超挖小于容许位移值时，皆不考虑预留变形量。也就是说当超挖小于表5所列的容许位移值时，就可以不设预留变形量。根据日本的施工经验，只有在围岩级别为Ⅰs 的场合，才考虑设置10cm 的预留变形量,即在表5的容许位移值上加10cm 。

我们既规定了预留变形量（施工规范表6.1.3），也规定了隧道容许超挖值（施工规范表6.2.1），以跨度10m左右的隧道为例，两者的合计如表6所示，比日本规定的数值要大。

表6 隧道超挖值和预留变形量（mm）

注：（）内为日本铁路隧道的围岩级别

4）支护结构参数表

日本和我们的规范都给定了一个支护结构参数表。

在日本2006年版的【隧道标准示范书】之前，隧道支护结构参数表，都是按单线、双线和新干线三种情况给定的，与我们按单线、双线给定的情况相同。但在2006年版中，隧道支护结构参数表是按大断面、中断面和小断面三种情况给定。小断面指净空跨度为3.0～5.0m，如水工隧洞以及单线铁路隧道；中断面指净空跨度8.5～12.5m的，如新干线隧道、双线铁路隧道和大断面指净空跨度12.5～14.0m的，如三车道公路隧道等。洞口段的支护结构的参数。也同样处理。据此日本公路隧道的洞身段支护结构参数如表1、2、3所示；洞口段的支护结构参数如表4、5、6所示。

表1 日本公路隧道标准的支护结构参数（净空宽度3.0～5.0m）

注：根据该隧道的利用情况和围岩状况，有时可以省去二次衬砌

表2 日本公路隧道标准的支护结构参数（净空宽度8.5~12.5m）

注：1、支护结构a、b的划分原则是围岩级别为C2、D1的场合，基本上采用b。当预计开挖变形比较小，掌子面稳定的场合，可采用a。

2、在（）内表示的围岩级别范围中，当遇有第三纪泥岩、凝灰岩、蛇纹岩等粘性土岩和风化结晶岩、温泉余土时，应设置（）内的仰拱；

需要早期闭合断面的场合，可用喷混凝土临时仰拱闭合，但其厚度应参考上下断面的喷射厚度分别决定。

3、即使围岩级别为D1当下半部围岩比较坚硬，长期承载力充分，无因侧压挤出的场合，可以省去仰拱。

4、在围岩级别为D1的场合，一般在上半部设置金属网。在D2的场合通常上下断面都要设置金属网；

5、采用钢纤维喷混凝土的场合可以省去金属网。

6、在围岩级别D2中采用上半断面工法开挖上半断面时，与采用带辅助台阶的全断面法开挖，因为没有时间差，下半部的变形富余量，可按10cm设计，并在实际施工中根据量测结果调整

7、围岩级别A、E的场合应另外研究

表3 日本公路隧道标准的支护结构参数（净空宽度12.5～14.0m）

注：1、在（）内表示的围岩级别范围中，当遇有第三纪泥岩、凝灰岩、蛇纹岩等粘性土岩和风化结晶岩、温泉余土时，应设置（）内的仰拱；

2、需要早期闭合断面的场合，可用喷混凝土临时仰拱闭合，但其厚度应参考上下断面的喷射厚度分别决定。

3、即使围岩级别为D1当下半部围岩比较坚硬，长期承载力充分，无因侧压挤出的场合，可以省去仰拱。

4、在围岩级别为C2的场合，一般在拱顶附近，在围岩级别为D1、D2的场合，上下断面都要设置金属网。采用钢纤维喷混

凝土的场合可以省去金属网。

6、在围岩级别D2中采用上半断面工法开挖上半断面时，与采用带辅助台阶的全断面法开挖，因为没有时间差，下半部的变形富余量，可按10cm设计，并在实际施工中根据量测结果调整

7、围岩级别A、E的场合应另外研究

表4 洞口段标准支护结构参数（净空宽度12.5m～14.0m）

注：1、锚杆设置在侧壁附近，根据情况可适当扩大打设范围，锚杆长度以6.0m为标准；

2、正面锚杆，必要时设置在拱顶120范围内，以保证掌子面拱部的稳定；

3、中隔壁法在中隔壁设置的锚杆，中央导坑法中在导坑设置的锚杆，考虑后面的作业，可采用易于切断的塑料锚杆；

4、考虑断面闭合效果，喷混凝土的脚部应有仰拱支持。

5、金属网在台阶法中，设置在上下断面中，在侧壁导坑法中设置在上半断面。

6、随着断面的大型化，要加强对洞口段偏压对策的研究；

表5 洞口段标准支护结构参数（净空宽度8.5m～12.5m）

注：1、锚杆设置在侧壁附近，根据情况可适当扩大打设范围；

2、正面锚杆，必要时设置在拱顶120°范围内，以保证掌子面拱部的稳定；

3、金属网在台阶法中，设置在上下断面中，在侧壁导坑法中设置在上半断面。

表6 洞口段标准支护结构参数（净空宽度3.0～5.0m）

注：1、锚杆设置在侧壁附近，根据情况可适当扩大打设范围；

2、正面锚杆，必要时设置在拱顶120°范围内，以保证掌子面拱部的稳定；

3、金属网可在拱顶及侧壁设置。

日本新干线铁路隧道是按250km/h速度目标设计的。其宽度大致在9.5～10.5m左右。因其车辆的密封性比较好，隧道净空断面积相对也比较小。其支护结构参数相当于日本公路隧

道宽度在8.5～12.5m范围内。

日本新干线隧道的支护结构参数列于表9。

表9 新干线隧道标准支护参数

注：1）4m长的锚杆，配置在拱脚附近。

2）如采用钢支撑，以括号内种类为准。

应该指出：表9仅列出初期支护的参数。因为二次衬砌是按安全储备设计的，其厚度与围岩级别无关，基本上采用30cm。

与我们的支护结构参数表不同处参见下表。

表支护结构参数表的比较

我们多了个钢筋网，则少了支护模式一次掘进长度、变形富裕量和开挖方法四项。

（1）在日本隧道支护结构参数中把一次掘进进尺作为一个参数，例如在与相当于我们Ⅱ级围岩的情况，一次掘进进尺不超过2.0m。而在洞口段，不管围岩级别，一概不超过1.0m。

控制一次掘进进尺的目的，在Ⅱ级围岩中，主要是控制爆破对围岩的损伤，而在软弱破碎围岩中，则主要是控制对围岩的扰动。后者与我们在软弱破碎围岩中，采用“短进尺”的原则是一致的。

其次是控制爆破对低龄喷混凝土的影响。一般说，喷混凝土是靠近掌子面喷射的，会强烈地受到爆破的影响。特别是对低龄喷混凝土。日本在一座断面积为76m2，采用台阶法施工的公路隧道中，曾进行爆破对喷混凝土影响的试验研究。一次爆破炸药量为80~132kg，喷混凝土距掌子面0.75m，材龄1.5d。爆破后在喷混凝土中产生最大56.3cm/s的振动速度，但没有发生有害的开裂。虽然目前还没有相应的规定，但一般认为，爆破振动速度控制在50cm/s 以下是容许的。

（2）第2个不同是关于预留变形量的规定。这与预留变形量的定义有关。日本的预留变形量定义是：设计净空断面需要考虑的超过容许位移值的部分。也就是说，在不同围岩中开挖隧道，都要产生预计的变形，而预留变形量则是指超过这个容许位移值的部分。因此，预

留变形量的规定就有2种方法。一种方法像我们采用的方法，就是把预计变形量和可能超过与预计变形量的部分一并考虑，作为设计净空断面的依据，日本则是仅仅把超过预计变形量的部分，作为设计净空断面的依据。

两者是区别在于：日本在各级围岩中修筑隧道，都要把开挖引起的变形控制在预计变形量范围之内，只是在相当与我们Ⅵ级围岩中，才考虑增加10cm的预留变形量。

（3）日本越来越重视施工方法对支护结构参数的影响，因此在支护结构参数中，同时给定建议的施工方法。例如日本在【新奥法指南】中列出围岩级别与开挖方法的标准如表14。

表14 围岩级别与开挖方法的标准

因此，配合标准设计，施工方法也应逐步标准化，也是当前设计技术的一个趋势。

从日本的隧道支护结构参数表中建议的施工方法看，基本上是以全断面法和台阶法为主体，只是在跨度12.5m～14.0m的情况，才建议考虑采用其它方法。也就是说，在相当我们

的2车道公路隧道和双线铁路隧道的场合，在各级围岩中，基本上都建议采用全断面法和台阶法。这也说明隧道采用矿山法施工时，由于施工技术的发展，特别是施工机械的进步以及快速施工的要求等，而逐步向大断面开挖的方法迈进。我们的经验也证实了这一点。

(4)日本公路隧道洞口段的支护结构参数，基本上是按施工方法和隧道宽度给定的。因为洞口段的地质条件，一般说是比较差的，因此，在决定支护结构参数时，基本上是按DⅡ条件考虑的。

5)仰拱

日本的隧道标准示范书对仰拱异常重视，从1994年版开始就与二次衬砌并列单独成章（第3篇第5章仰拱）。对仰拱的形状和厚度以及混凝土配比等作出了相应的规定。表是铁路隧道有关仰拱设置的规定。而我们仅仅在隧道衬砌中列出一条（设计规范7.2.6条）。实际上我们通过客运专线隧道的建设，已经充分认识到仰拱在设计和施工中的作用。

表2 新干线铁路隧道仰拱设置基准

6）近接施工的设计

这是第一次出现的2006年版隧道标准示范书中的。主要是针对城市隧道日益增加的情况提出的。其中包括近接既有结构物的隧道的设计、相互接近的隧道的设计以及受接近施工影响的隧道的设计，虽然规定的比较原则，但给出了设计的基本要求。

7）超前支护

在【城市矿山法隧道设计标准】中，把超前支护单独列为一章（第3编设计－第4章超前支护），对其功能、设计方法，适用条件以及其主要参数等做出规定。说明在城市地质条件下，为维护掌子面的稳定，超前支护是不可缺少的手段。在设计中作为与初期支护同等重要的方法，体现在支护结构参数表中。下表就是一例。

表双线隧道标准支护模式（新干线）（第3章－3.3.2条）