新意法在隧道施工中的應(yīng)用實(shí)踐

雷斌

（中建路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

新意法是巖土控制變形分析法的別稱，由意大利學(xué)者Pietro Lunardi 在20 世紀(jì)70 年代提出，其間經(jīng)歷了大量實(shí)驗(yàn)分析與統(tǒng)計(jì)。進(jìn)入新世紀(jì)以后，該方法在歐洲國家隧道建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，特別是意大利，已將該方法納入到隧道工程相關(guān)規(guī)范。此后不久，一些工程師前往意大利考察后，首次將ADECO-RS 引入我國，并將其在很多實(shí)體工程中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。這些實(shí)體工程的圍巖等級達(dá)Ⅵ級，自穩(wěn)性很差，采用新奧法進(jìn)行施工時(shí)，圍巖產(chǎn)生明顯的變形與坍塌，導(dǎo)致隧道開挖施工中斷，無法順利進(jìn)行。相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)過反復(fù)論證，決定引入新意法進(jìn)行施工，通過對隧道出口處拱頂實(shí)際沉降量及邊墻變形量的動態(tài)監(jiān)控，得出新意法的應(yīng)用能從根本上保證隧道安全與穩(wěn)定的結(jié)論。本文對新意法的原理和實(shí)踐進(jìn)行分析，以驗(yàn)證新意法的優(yōu)越性，如加快施工進(jìn)度、保證工期、降低造價(jià)和提高安全性。

1 新意法原理

新意法提出，開挖是隧道結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力達(dá)到最大的階段，而非隧道施工結(jié)束后。隧道開挖過程中，圍巖應(yīng)力將在開挖輪廓線上產(chǎn)生一定拱部效應(yīng)拱與應(yīng)力增加帶，在隧道不斷沿徑向產(chǎn)生壓力拱的同時(shí)，還會形成很大縱向壓力拱，且這一壓力拱的高度還會受到前方巖體及后方支承兩方面因素的影響；而壓力拱的具體位置會由于隧道開挖與支護(hù)不斷進(jìn)行發(fā)生變化。如果拱部效應(yīng)由于開挖輪廓的變化而改變，結(jié)構(gòu)整體性和使用壽命受到施工過程中隧道強(qiáng)度的直接影響，則按照巖土強(qiáng)度變形及地應(yīng)力大小可將壓力拱分成以下三種狀態(tài)：①在近部快速形成，相對穩(wěn)定；②在與隧道相距較遠(yuǎn)的部位形成，短期穩(wěn)定；③無法形成，不穩(wěn)定[1]。

新意法實(shí)施隧道施工建設(shè)時(shí)，按照施工階段可將隧道變形分成下列三類：①預(yù)收斂變形；②擠出變形；③收斂變形。隧道開挖時(shí)，因未能有效控制以上三種變形，會帶來很多不利影響，包括圍巖坍塌與地層變形，進(jìn)而給隧道施工造成很大安全隱患。基于此，對新意法而言，其核心思想為隧道開挖時(shí)使變形保持穩(wěn)定的關(guān)鍵在于掌子面超前核心土強(qiáng)度與剛度，對此，可采用適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施對超前核心圍巖進(jìn)行加固，以有效控制變形，最終減小圍巖發(fā)生的收斂變形。

2 新意法流程

設(shè)計(jì)人員需通過詳細(xì)且深入的勘探，確定超前核心土是否穩(wěn)定，然后對隧道變形形態(tài)進(jìn)行分類。在應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)完全一致的隧道區(qū)段，采用新意法能確定對圍巖變形予以有效控制的支護(hù)方法。除以上優(yōu)勢外，采用新意法還能根據(jù)掌子面穩(wěn)定性與變形特征確定合理可行的斷面形式及支護(hù)方法，最終確定每延米工程量完成需要的時(shí)間和成本預(yù)算，同時(shí)還能在得出各項(xiàng)斷面參數(shù)后，實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控量測的目標(biāo)[2]。

新意法的第一階段為勘察，而且地質(zhì)勘查也是隧道建設(shè)首要步驟，需要對包含地層類型、水文特征、地質(zhì)情況和巖性狀態(tài)在內(nèi)的信息進(jìn)行采集，進(jìn)而得出圍巖主要設(shè)計(jì)參數(shù)。該階段還可進(jìn)一步分成以下兩個(gè)階段：第一，對隧道沿線范圍內(nèi)地質(zhì)情況進(jìn)行分析評估，形成宏觀認(rèn)識；第二，采集隧道沿線范圍內(nèi)的巖土樣，同時(shí)通過試驗(yàn)分析確定隧道地質(zhì)情況[3]。

新意法的第二階段為診斷，即由設(shè)計(jì)人員根據(jù)勘查資料并充分結(jié)合新意法基本理論，對隧道開挖施工可能給圍巖變形造成的影響進(jìn)行預(yù)測，并將整個(gè)隧道的狀態(tài)按以下方法進(jìn)行劃分：掌子面穩(wěn)定的視為A 類，掌子面在短期保持穩(wěn)定的視為B類，掌子面不穩(wěn)定的視為C類[4]。

新意法的最終階段為處置，以上一個(gè)階段針對隧道進(jìn)行的類別劃分為依據(jù)，采用合理可行的方法進(jìn)行加固，確保隧道變形處在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。如果隧道變形狀態(tài)屬于A 類，則采用簡單加固方法予以圍護(hù)即可，使隧道處在穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)中；如果隧道變形狀態(tài)屬于B類，則需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)某凹庸碳s束，使隧道處在穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)中；如果隧道變形狀態(tài)屬于C類，則要在簡單加固基礎(chǔ)上予以超前加固，確保隧道處在穩(wěn)定狀態(tài)[5]。

3 新意法應(yīng)用

3.1 案例一

某雙線單洞隧道總長度約3 225m，其圍巖以粉細(xì)砂為主，含有大量水分，是線路范圍內(nèi)技術(shù)要求最高、工藝最復(fù)雜的隧道。經(jīng)前期地質(zhì)勘察可知，該隧道地質(zhì)條件較為復(fù)雜，圍巖以富水粉細(xì)砂為主，整條隧道的圍巖均屬于Ⅵ級圍巖，自穩(wěn)性很差，且相對高差也較大，可達(dá)200m。另外，該隧道還從居民區(qū)、高速路及省道下部穿越。

隨著隧道開挖不斷進(jìn)行，地層從粉細(xì)砂變?yōu)楹皩?，特別是在掘進(jìn)至183m 后，隧道圍巖全部變?yōu)楹皩樱O(shè)計(jì)參數(shù)與施工工藝已經(jīng)無法達(dá)到要求，導(dǎo)致施工中多次產(chǎn)生塌方，使隧道施工中斷。經(jīng)過專家論證，綜合考慮隧道施工情況與地質(zhì)條件，最終決定在隧道建設(shè)中引入新意法。

按照新意法進(jìn)行隧道施工時(shí)，對隧道出口處拱頂實(shí)際沉降量與邊墻實(shí)際變形予以動態(tài)監(jiān)控，從監(jiān)控結(jié)果可知測點(diǎn)變化量小于1cm，表明采用新意法后該隧道整體安全性及穩(wěn)定性得到顯著提升，新意法的應(yīng)用對保證隧道施工安全與質(zhì)量有利。

3.2 案例二

某隧道為線路范圍內(nèi)的控制性工程，也是我國較少應(yīng)用的需要從高速路、城市及河流中穿越的隧道，最大開挖寬度可以達(dá)到16m以上，最大開挖高度可以達(dá)到13m 以上，埋深為30～50m，長度與斷面面積均很大。隧道設(shè)計(jì)有20%的最大縱坡，所穿越的地層以軟弱圍巖為主，如泥巖和泥質(zhì)砂巖，工程地質(zhì)條件相對復(fù)雜，隧道圍巖級別很低，容易在施工中發(fā)生坍塌。

通過前期專家論證，考慮到該隧道施工難度極大，故決定在施工中引入新意法，具體措施為采用傘狀式旋噴注漿管棚技術(shù)進(jìn)行超前預(yù)加固，并進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，同時(shí)對隧道的特殊段落所用該施工方法予以優(yōu)化與過程監(jiān)控，為實(shí)際施工奠定良好基礎(chǔ)。實(shí)踐表明，新意法的引入能有效確保該隧道施工順利完成，防止各類安全問題的發(fā)生。

旋噴注漿指的是采用噴漿將水泥混合物壓入需改良的地層當(dāng)中，充分利用漿液噴射具有的力學(xué)特性使待加固部位的地層達(dá)到劈裂，進(jìn)而通過攪拌、壓實(shí)與固結(jié)對地層予以加固。采用該方法完成改良處理后，能有效提高地層強(qiáng)度與滲透性。采用該方法進(jìn)行施工時(shí)要特別注意隧道拱部與邊墻部位改良土相互連接，即管棚搭接，使管棚能延伸至洞室水平面下部，進(jìn)而在加固拱作用下使壓力傳遞至地層當(dāng)中。相較于傳統(tǒng)的注漿加固技術(shù)，該技術(shù)的參數(shù)并非由土層自身滲透性決定，需通過嚴(yán)格現(xiàn)場試驗(yàn)來確定，需要經(jīng)試驗(yàn)確定的參數(shù)包括：注漿壓力大小、噴嘴數(shù)量、噴嘴直徑、漿液水灰比、注漿時(shí)間。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是管棚搭接和確保鉆孔深度大于隧道的直徑，在鉆桿尾部需配置對注漿過程進(jìn)行跟蹤的裝置，在將鉆桿取出的同時(shí)，借助跟蹤裝置設(shè)定適宜的注漿速度。這項(xiàng)技術(shù)有較強(qiáng)的適用性，但要注意土體抗剪強(qiáng)度會在高壓作用下被噴射出的混合物沖破。目前這項(xiàng)技術(shù)在我國的應(yīng)用并不多，還處在試驗(yàn)階段，在該隧道中的成功應(yīng)用可為此類隧道建設(shè)提供技術(shù)參考[6]。

4 新意法前景

4.1 新奧法分析

新奧法將巖體力學(xué)理論作為基礎(chǔ)，要求最大限度利用圍巖自身具有的承載力，在隧道開挖的同時(shí)進(jìn)行支護(hù)，確保支護(hù)施作及時(shí)性與圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，通過對圍巖變形的有效控制促進(jìn)其內(nèi)部應(yīng)力逐步釋放，從而使圍巖形成完整支護(hù)體系。

新奧法只分析掌子面背后地層產(chǎn)生的變形，將靜力學(xué)問題視作二維問題考慮，將大部分注意力都集中于收斂方面，未能對如何充分利用核心土保證隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性引起足夠重視?；诖?，以新奧法與將其作為基礎(chǔ)的其他方法具有下列局限性：①新奧法無法適用于所有類型的地層及應(yīng)力應(yīng)變條件，為不全面分類系統(tǒng)；②新奧法未能對超前核心土具有的作用引起重視，超前核心土可作為不利應(yīng)力應(yīng)變條件下有效穩(wěn)定工具；③新奧法主要借助簡單約束措施使隧道結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，對新技術(shù)的應(yīng)用較少；④新奧法未能重視隧道設(shè)計(jì)與施工階段存在的差別；⑤新奧法主要通過圍巖類型分析及地層變形情況對比選擇適宜的支護(hù)措施，實(shí)際上該方法是不合理的[7]。由此可見，新奧法雖然在我國得到較長時(shí)間的應(yīng)用，但面臨越來越復(fù)雜的地質(zhì)條件，采用新意法已經(jīng)成為必然趨勢，必須引起相關(guān)人員的高度重視。

4.2 新意法優(yōu)勢及局限性

如前所述，新奧法只針對掌子面背后地層產(chǎn)生的變形予以分析，但新意法將新奧法作為基礎(chǔ)，對隧道掌子面預(yù)期超前地層產(chǎn)生的變形進(jìn)行分析和預(yù)判，主要具有以下幾方面優(yōu)勢：

（1）新意法有比新奧法更廣泛的使用范圍。如前所述，新意法能充分利用超前核心土具有的保護(hù)作用，能在設(shè)計(jì)與施工階段采取有效措施控制超前核心土變形，在這種情況下，借助新意法可有效解決不利應(yīng)力應(yīng)變條件下的問題，這是傳統(tǒng)新奧法無法達(dá)到的[8]。

（2）針對復(fù)雜程度較高的地質(zhì)條件，新意法有更大優(yōu)勢。一方面，新意法由于能良好保證掌子面穩(wěn)定性與超前核心土可靠性，因此，采用新意法能有效加快實(shí)際施工進(jìn)度；另一方面，由于超前核心土被加固后表現(xiàn)出良好穩(wěn)定性，能為隧道的機(jī)械化作業(yè)提供良好條件，為各類機(jī)械設(shè)備在隧道建設(shè)中的使用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（3）在隧道施工中引入新意法能更好地控制工程造價(jià)與工期。在施工中引入新意法后，能在前期勘察設(shè)計(jì)工作中進(jìn)行大量準(zhǔn)備工作，能根據(jù)巖層特性分析結(jié)果，充分考慮后續(xù)措施，使后續(xù)施工有良好可持續(xù)性，保證工程造價(jià)與工期都的良好可控性，這已在上述兩條隧道建設(shè)中得到很好的體現(xiàn)。

（4）相較于其他施工工法，新意法施工安全性更高，其原因?yàn)椴捎眯乱夥ㄊ┕r(shí)會用到很多安全措施，如仰拱緊跟掌子面和對超前核心土進(jìn)行加固與實(shí)時(shí)監(jiān)控，如此，能顯著減少或避免地質(zhì)災(zāi)害，如塌方等[9]。

（5）采用新意法施工能減少后期維護(hù)成本，如前所述，新意法核心思想為最大限度利用超前核心土對圍巖預(yù)收斂予以限制，以減小由于應(yīng)力重新分布造成的不利影響，使圍巖保持在原始狀態(tài)，防止運(yùn)營過程中隧道產(chǎn)生病害，進(jìn)而減少后期用于維護(hù)方面的成本。

當(dāng)前我國隧道工程建設(shè)正處于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，大量實(shí)踐表明，在隧道施工中引入新意法，會導(dǎo)致工程工期不同程度的延長，且與采用傳統(tǒng)施工方法相比，應(yīng)用新意法施工明顯增加了工程的造價(jià)。另外，新意法對施工人員自身技術(shù)要求也較高，這些都是限制新意法在工程中廣泛應(yīng)用的因素。從目前實(shí)際情況看，我國對新意法的研究與試驗(yàn)還處在起步階段，實(shí)際操作過程中依然存在很多亟需發(fā)現(xiàn)與有效解決的問題。

5 結(jié)論

（1）目前我國大多數(shù)隧道工程建設(shè)所用方法都將新奧法作為基礎(chǔ)，由此衍生出很多方法，如臺階法、全斷面法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD 法等，如果從保證施工安全的角度考慮，則以上幾種常用方法的排序?yàn)椋弘p側(cè)壁導(dǎo)坑法＞CRD 法＞CD 法＞臺階法＞全斷面法；如果從保證工程造價(jià)與工期的角度考慮，則以上幾種常用方法的排序?yàn)椋喝珨嗝娣ǎ九_階法＞CD 法＞CRD法＞雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。由此可見，將新奧法作為核心思想的隧道施工方法，無法兼顧工程的安全、速度與造價(jià)。

（2）相較于新奧法，新意法對隧道支護(hù)體系進(jìn)行了很大改進(jìn)。新意法對設(shè)計(jì)與施工階段重視度很高，要求在設(shè)計(jì)與施工過程中分步實(shí)施地質(zhì)勘查工作、診斷工作與確定處理措施，在作業(yè)的同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測，對設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)貎?yōu)化調(diào)整，使開挖施工時(shí)的圍巖保持穩(wěn)定，充分體現(xiàn)出新意法自身優(yōu)勢與特點(diǎn)。

（3）在隧道施工中引入新意法后，能使隧道工程建設(shè)造價(jià)與工期均得到有效控制，且能更好地保證施工安全。但從當(dāng)前實(shí)際情況看，該方法的應(yīng)用并不廣泛，無論是研究還是試驗(yàn)都處在起步的階段，在實(shí)際應(yīng)用中依然存在很多亟需發(fā)現(xiàn)和解決的問題。隨著更多工作者的不斷研究與實(shí)踐，相信新意法將成為隧道工程，尤其是地質(zhì)條件復(fù)雜、技術(shù)難度較高的隧道工程的主流施工方法。