新意法概述及其應(yīng)用建議

李開慶 唐天龍

(1.中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東濟(jì)南 250000;2.中交二航局第三工程有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212050)

新意法(NITM)即 New Italian Tunneling Method，是20世紀(jì)70年代中期意大利的Pietro Lunardi教授在研究圍巖壓力拱理論和新奧法理論的基礎(chǔ)上，通過對(duì)上百座隧道的理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所創(chuàng)立［1］。其強(qiáng)調(diào)利用掌子面—超前核心土的穩(wěn)定性來控制隧道變形，并以此為基礎(chǔ)對(duì)施工方法進(jìn)行選擇。

該工法被意大利公路及鐵路領(lǐng)域廣泛采用并納入規(guī)范，且在歐洲許多國(guó)家的大型隧道施工項(xiàng)目中得到應(yīng)用，如羅馬外環(huán)高速公路Appia Antica隧道［2］等。其應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的臥龍隧道［3］、瀏陽河隧道［4］、桃樹坪隧道［5］等并取得了預(yù)期的施工效果。

1 新意法核心思想

新意法將隧道的變形分成三種:收斂變形、預(yù)收斂變形和超前核心土的擠出變形，其變形如圖1所示。

圖1 新意法變形圖

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)研究證明，超前核心土的強(qiáng)度和變形特性對(duì)隧道的長(zhǎng)期和短期穩(wěn)定起著決定性作用，隧道施工中可把超前核心土視作一種新的控制隧道圍巖變形的工具［6］。由此得出了以下結(jié)論，也是新意法的核心思想:

1)超前核心土的變形特性對(duì)所有隧道變形的發(fā)生發(fā)展起著關(guān)鍵性作用，而隧道塌方一般是由超前核心土的滑動(dòng)引起，因此可以通過改變或控制超前核心土的變形特性來對(duì)隧道變形進(jìn)行調(diào)整。2)超前核心土的變形特性取決于其自身的剛度和強(qiáng)度，因此可以通過調(diào)節(jié)超前核心土強(qiáng)度和剛度來控制隧道變形(主要是收斂變形)，從而保證隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

2 新意法工作流程

新意法強(qiáng)調(diào)對(duì)超前核心土的保護(hù)和利用，重視地質(zhì)勘察、理論分析和方法比選，要求動(dòng)態(tài)的監(jiān)控量測(cè)反分析。其主要分為勘察階段、診斷階段、處治階段、實(shí)施階段和監(jiān)測(cè)階段，流程如圖2所示。

圖2 新意法流程圖

2.1 勘察階段

勘察階段是在現(xiàn)場(chǎng)利用既有的技術(shù)資源對(duì)隧道穿越地層進(jìn)行調(diào)查、分析和判釋的階段。其獲取的信息資料將為以后的設(shè)計(jì)工作提供必要條件，因此，詳細(xì)可靠的實(shí)地勘察工作是必不可少的。該階段常采用表面勘察查勘、深度勘察和導(dǎo)洞勘察等方式，以充分獲取巖土體的應(yīng)力狀態(tài)、物理特性和強(qiáng)度等參數(shù)，并應(yīng)以量化或半量化的形式表現(xiàn)。

2.2 診斷階段

新意法將掌子面—超前核心土的穩(wěn)定性作為隧道變形行為的參考條件，并根據(jù)其三種基本應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)把隧道變形分為三種基本類型:A類(掌子面—超前核心土穩(wěn)定)、B類(掌子面—超前核心土短期穩(wěn)定)和C類(掌子面—超前核心土不穩(wěn)定)。

根據(jù)勘察階段所獲取的相關(guān)參數(shù)，采用可行的解析或數(shù)值計(jì)算系統(tǒng)對(duì)無加固措施情況下的隧道開挖變形行為進(jìn)行預(yù)測(cè)，依變形響應(yīng)情況將其分成不同類別，如表1所示。

表1 隧道變形分類表

為便于后期分段處治和實(shí)施支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，常以相同的應(yīng)力 應(yīng)變行為將隧道線路劃分為不同區(qū)段，其效果如圖3所示。

圖3 隧道區(qū)段劃分圖

確定好分類標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)具體隧道需采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、軟件數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等手段對(duì)掌子面的擠出變形Ex和約束反力Pi的關(guān)系做出歸納并繪制成曲線，據(jù)此初步判定圍巖類別并指導(dǎo)后續(xù)工作。以擠出試驗(yàn)為例，典型超前核心土變形響應(yīng)與圍巖類別關(guān)系見圖4。

圖4 圍巖類別判釋圖

2.3 處治階段

該階段的主要任務(wù)是在對(duì)隧道開挖產(chǎn)生可能變形類型和大小進(jìn)行預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)既有的施工機(jī)具和加固手段確定施工和支護(hù)參數(shù)。針對(duì)診斷階段確定的圍巖類別，分別選擇不同的支護(hù)形式:A類可采用常規(guī)支護(hù)方式;B類可根據(jù)隧道掘進(jìn)速度在預(yù)支護(hù)和常規(guī)支護(hù)之間選擇;C類除常規(guī)支護(hù)外，需采用加強(qiáng)型支護(hù)。

新意法強(qiáng)調(diào)的是對(duì)超前核心土的保護(hù)，常采用玻璃纖維錨桿加固超前核心土。不同圍巖類別中其錨桿密度、錨桿長(zhǎng)度以及搭接長(zhǎng)度不盡相同。此外，隧道的開挖步驟、開挖步長(zhǎng)、斷面形狀、掘進(jìn)速度、開挖系統(tǒng)等因素也對(duì)支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)有一定影響。

這個(gè)階段所選擇的支護(hù)措施還是比較粗糙的，而且需對(duì)其實(shí)施效果進(jìn)行驗(yàn)算，即通過相關(guān)的計(jì)算方法進(jìn)行有效性驗(yàn)證。在正式施工后需根據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)反饋設(shè)計(jì)，對(duì)支護(hù)參數(shù)提出修改和變更。

該階段還需完成的一項(xiàng)重要任務(wù)就是根據(jù)診斷階段的分析工作事先制定監(jiān)控程序，以系統(tǒng)比較預(yù)測(cè)的變形反應(yīng)和實(shí)際發(fā)生的變形。

2.4 實(shí)施階段

按照新意法的理論，對(duì)掌子面穩(wěn)定的圍巖，可按照常規(guī)施工方法進(jìn)行;對(duì)掌子面不能保持穩(wěn)定的圍巖，需要對(duì)超前核心土采取預(yù)加固措施。此外，需按照處治階段設(shè)計(jì)要求安設(shè)監(jiān)控設(shè)備。根據(jù)超前核心土的擠出變形和預(yù)收斂變形判斷圍巖變形反應(yīng)，分析預(yù)加固措施的有效性，進(jìn)而確定隧道開挖進(jìn)尺、掘進(jìn)速度以及下一循環(huán)支護(hù)措施的施作時(shí)間等。

在斷面形式的選擇上，新意法要求盡量采用全斷面開挖，不能采用全斷面的圍巖要采取預(yù)加固和加固措施創(chuàng)造有利條件。因?yàn)槿珨嗝骈_挖可減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)、提高施工效率，及時(shí)封閉襯砌及早發(fā)揮支護(hù)效果，從而限制圍巖收斂變形。

2.5 監(jiān)測(cè)階段

理論上講，監(jiān)測(cè)階段與實(shí)施階段是同時(shí)開始的。該階段是對(duì)診斷階段和處治階段所預(yù)測(cè)的圍巖變形反應(yīng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)，也可驗(yàn)證實(shí)施階段所采用的干預(yù)措施的正確性及施工作業(yè)是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)以實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋設(shè)計(jì)，優(yōu)化干預(yù)措施及其強(qiáng)度、精細(xì)調(diào)整隧道掘進(jìn)速率和開挖步驟。

施工階段的監(jiān)測(cè)主要包括掌子面擠出變形量測(cè)、預(yù)收斂量測(cè)和收斂量測(cè)，根據(jù)埋深不同可能會(huì)增加量測(cè)深度范圍。在具體監(jiān)測(cè)過程中，常用到滑動(dòng)式縱向測(cè)微計(jì)、桿式分層徑向變形計(jì)和條帶式變形計(jì)等設(shè)備［7］。

針對(duì)某些具有重要意義或特殊功能的隧道，應(yīng)建立長(zhǎng)期系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)以保證隧道施工后在其使用壽命周期內(nèi)的安全穩(wěn)定。

3 新意法與新奧法的比較

通過大量試驗(yàn)研究、計(jì)算分析及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，新意法提出了自有的理論框架和工程措施。其與新奧法的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)［1，7-9］:1)對(duì)隧道靜力學(xué)分析模式不同。新意法強(qiáng)調(diào)對(duì)隧道超前核心土的變形進(jìn)行分析和控制，將隧道周邊圍巖的力學(xué)行為視作三維狀態(tài)，關(guān)注隧道在縱向的變形影響，而新奧法將隧道近似看作平面問題，只關(guān)注收斂變形，主要強(qiáng)調(diào)徑向支護(hù)措施的作用效果。2)對(duì)隧道變形反饋數(shù)據(jù)的利用度不同。新意法的處治階段和實(shí)施階段各參數(shù)都要受到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，以彌補(bǔ)勘察階段的認(rèn)識(shí)不足。新奧法主要是對(duì)掌子面后方的收斂變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷圍巖收斂與否并確定二襯施作時(shí)間，但信息化施工程度不夠。此外，隧道收斂變形的監(jiān)測(cè)工作實(shí)施困難，且其滯后性的缺陷也難以克服。而超前核心土的擠出變形和預(yù)收斂變形有較強(qiáng)的預(yù)見性，采用既有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)可做到信息化施工。3)對(duì)隧道變形的響應(yīng)不同。新意法多采取預(yù)加固措施，主動(dòng)限制圍巖的預(yù)收斂和收斂變形，同時(shí)要求仰拱緊跟掌子面、支護(hù)及早封閉等，是“主動(dòng)”式支護(hù)。新奧法一般是待圍巖變形收斂才施作二次襯砌，強(qiáng)調(diào)發(fā)揮圍巖的自承能力，是一種“被動(dòng)”式支護(hù)。4)對(duì)隧道開挖方式要求不同。新意法主張全斷面、快施工，針對(duì)軟弱巖層采用預(yù)加固措施改良圍巖特性，創(chuàng)造條件使用大斷面甚至全斷面;而新奧法使用較多的是臺(tái)階法等分步開挖方式。5)對(duì)隧道修建過程中各環(huán)節(jié)的側(cè)重不同。新意法的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)包括勘察階段、診斷階段和處治階段，施工環(huán)節(jié)包括實(shí)施階段和監(jiān)測(cè)階段，其對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)投入較多以保證施工環(huán)節(jié)的順利進(jìn)行，而新奧法應(yīng)用到復(fù)雜地層時(shí)，施工環(huán)節(jié)易耗費(fèi)較多工期和人物財(cái)力。

4 新意法的優(yōu)點(diǎn)

1)新意法具有更廣的應(yīng)用范圍。由于強(qiáng)調(diào)了對(duì)隧道超前核心土的加固和保護(hù)，并在設(shè)計(jì)施工中采取了相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度控制措施，新意法能更好地解決軟弱圍巖、膨脹性擠壓地層等新奧法無法施工或很難施工的復(fù)雜地段的施工難題。2)在復(fù)雜地質(zhì)條件下新意法具有較快的施工進(jìn)度。對(duì)超前核心土采取預(yù)加固措施后，為大型機(jī)械化作業(yè)提供了便利條件，采用大斷面甚至全斷面施工后提高了施工進(jìn)度。3)新意法的造價(jià)和工期具有可控性。由于新意法的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)做了大量工作，巖層特性分析和措施處理較充分，保證了后續(xù)施工的可持續(xù)性，因而可以較準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)工期和總造價(jià)，也避免了由工期等問題引發(fā)的糾紛。4)新意法具有更高的安全性。對(duì)超前核心土的監(jiān)控和加固、仰拱緊跟掌子面等措施的應(yīng)用可以減少一些地質(zhì)災(zāi)害(塌方等)的發(fā)生。5)新意法可以降低隧道后期維護(hù)成本。新意法強(qiáng)調(diào)利用超前核心土來限制圍巖的預(yù)收斂，使得原巖應(yīng)力重分布的波及范圍及塑性區(qū)范圍減小，更好地保持了原巖狀態(tài)，減小運(yùn)營(yíng)期隧道病害發(fā)生的可能性，可以降低后期維護(hù)成本。

5 建議與展望

國(guó)內(nèi)對(duì)新意法的研究尚處于起步階段，同時(shí)受機(jī)械化程度低等條件限制，我們對(duì)新意法的實(shí)際應(yīng)用不能照搬國(guó)外做法，應(yīng)結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況探索新意法中國(guó)化的發(fā)展道路。在探索的過程中，我們主要應(yīng)解決以下幾方面的問題:

1)著力培養(yǎng)技術(shù)人才。目前國(guó)內(nèi)施工技術(shù)人員對(duì)新意法的理論認(rèn)知還不夠詳細(xì)，相關(guān)資料的獲取有一點(diǎn)困難。在今后工程實(shí)例中，應(yīng)更多地將新意法理念運(yùn)用到相應(yīng)隧道設(shè)計(jì)施工過程中，著力培養(yǎng)一批掌握新意法核心理念的專業(yè)人才。

2)加快施工機(jī)械自主研發(fā)。新意法的高效率是依托雙臂管棚鉆機(jī)、全斷面鋼拱架架設(shè)機(jī)、混凝土自動(dòng)噴射機(jī)等配套設(shè)備。我們要對(duì)國(guó)外先進(jìn)施工工藝和設(shè)備通過引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新，逐步更新自己的施工機(jī)械。

3)建立隧道施工案例數(shù)據(jù)庫。隨著新意法隧道施工實(shí)例的增加，應(yīng)收錄典型工程形成案例數(shù)據(jù)庫，為以后設(shè)計(jì)施工提供借鑒。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，將會(huì)修建越來越多的穿越復(fù)雜軟弱地層的隧道，特別是客專的雙線大斷面隧道。新意法在國(guó)外復(fù)雜隧道施工中的成功案例，為我們解決此類問題提供了參考，可以預(yù)見新意法將逐步得到推廣并發(fā)揮積極作用。與既有施工方法整合過程中，我們應(yīng)致力于尋求一條融合新意法核心理念和既有設(shè)計(jì)施工體系的道路，逐步探索新意法在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和推廣。

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