新意法在國外隧道不良地質中的應用

張　磊

(中國土木工程集團有限公司，北京　100038)

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新意法在國外隧道不良地質中的應用

張磊

(中國土木工程集團有限公司，北京100038)

張磊(1985—)，工程師，碩士，研究方向：隧道與地下工程。

摘要：新意法作為繼新奧法之后興起的一種隧道修建理念，為解決軟弱圍巖等復雜條件下新奧法無法施工或很難施工的技術難題提供了新的解決途徑，具有可全斷面機械開挖、安全質量風險可控等優點。文章介紹了新意法的核心理論思想，并結合在國外實施的甘塔斯隧道工程實例，闡述了新意法理念獨特的技術優勢和應用前景。

關鍵詞：新意法；超前核心土；玻璃纖維錨桿；全斷面開挖法；膨脹性圍巖；侵限換拱

0引言

目前我國隧道建設主要采用新奧法，其理論精髓是“保護、利用和調動圍巖自承能力”，并通過超前預報、錨噴支護和監控量測等系列手段來實現，見下頁圖1。該方法已在國內得到廣泛使用，并形成“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”等中國特色方法[1-2]。但在新奧法應用過程中，由于其理論自身尚存不足以及眾人對其理解存在差異，有的還造成了慘痛的失敗和教訓。

圖1　新奧法施工程序圖

20世紀70年代中期，意大利Pietro Lunardi教授在研究圍巖壓力拱理論和新奧法施工理論時，結合對數百座隧道理論研究和現場試驗研究，創立了新意法。該方法目前在意大利以及其他歐洲國家已得到較為廣泛的應用，尤其是在復雜多變的不良地層環境中。雖然新意法在國內已應用于桃樹坪隧道、瀏陽河隧道等[3]，但其核心理論思想仍未被廣大隧道建設者所熟知，而且可參考實例較少。本文將結合在國外施工的甘塔斯隧道遭遇的不良地質實施過程中的教訓經驗，談談對新意法理念的思考。

1新意法核心理論思想

新意法是通過對隧道掌子面前方超前核心土的勘察、量測，預報圍巖的應力-應變形態，并將其劃分為A、B、C三種拱效應類型，同時據以信息化設計和施工措施，確保隧道安全穿越復雜不良地層和實現全斷面開挖的一種設計、施工理念[4]。

1.1新意法理論基礎

新意法理論認為隧道掌子面前方存在超前核心土，其高度和長度與隧道輪廓的直徑有關。新意法將隧道變形分成三類，即預收斂變形、擠出變形和收斂變形，見圖2。隧道開挖后的變形過程為：從掌子面前方圍巖的擠出變形開始，逐漸向掌子面前方發展；掌子面前方地層向坑洞擠壓，引起前方圍巖松動，發生預收斂變形；再由于預收斂變形引動，在坑洞四周引起收斂變形。

圖2　超前核心土和隧道變形圖

新意法理論認為：(1)超前核心土的強度和對變形的敏感性對隧道的長期和短期穩定起決定性作用；(2)通過對超前核心土采取相應防護和加固措施，以控制超前核心土變形(擠出變形及預收斂變形)，從而達到控制隧道變形(收斂變形)的目的；(3)超前核心土變形取決于其自身的強度和剛度，可通過調節其強度和剛度來最終控制隧道變形，因此可把超前核心土視為一種新的工具用以控制隧道的長短期穩定性。這些共同構成了新意法理論基礎[5]。

新意法理論認為能否沿隧道開挖輪廓形成合適的成拱效應，將決定隧道結構的整體性及壽命。根據掌子面-超前核心土應力應變狀態、超前核心土穩定狀態以及隧道變形情況等，把隧道拱效應分為三種基本類型，見表1[6]。

表1　隧道拱效應類型表

1.2新意法隧道設計施工程序

新意法隧道強調對超前核心土的加固和保護，其流程分兩大過程、五大階段，設計施工程序見圖3，隧道穩固措施作用類型見圖4[7]，綜合考慮縱、橫斷面類型選擇穩固措施見圖5。

圖3　新意法隧道設計施工程序圖

圖4　穩固措施作用類型表截圖

圖5　綜合考慮縱橫斷面類型選擇穩固措施表截圖

2新意法理念國外實踐應用

近年來，越來越多的國內建筑企業走出國門，尤其是國家“一帶一路”戰略的實施，國外隧道項目逐步增多，遇到的地質情況更加復雜，新奧法和新意法理念碰撞將更突出。

2.1甘塔斯隧道工程概況

阿爾及利亞甘塔斯鐵路隧道全長7.3 km，為雙洞單線隧道(左線V1K102+086～V1K109+432，右線V2K102+074～V2K109+409)，左、右線出口端線間距24 m。隧道最大埋深390 m，圓拱曲墻式襯砌，開挖斷面60～110 m2，襯砌內輪廓凈空42 m2。

隧道地處阿爾卑斯褶皺帶，地應力主方向與隧道走向近乎垂直，易造成圍巖的塑性變形。隧道圍巖以具膨脹性的泥灰巖、頁巖等軟巖為主，單軸抗壓強度0.75～7.57 kPa。隧道出口圍巖主要為全、強風化第三系泥灰巖，巖質軟，巖體破碎多呈土狀，穩定性差，具膨脹性，拱部易掉塊、坍塌[8]。

2.2隧道出口不良地質段技術難題

從2013年7月，隧道出口遭遇不良地質段(高地應力、強膨脹性泥灰巖，埋深80～150 m)，采用傳統新奧法施工的初期支護變形嚴重，侵入二襯界限。雖在當時已有設計支護類型內，不斷改善施工工藝、加強支護形式，但未能有效控制，并導致多次換拱作業。因項目業主監理基于降低工程造價、洞內地勘資料不足以及圍巖巖性待驗證等原因，設計施工支護方法較長時間內都在嘗試摸索、反復試驗。不僅嚴重拖延了工程進度，也提高了工程造價，安全、質量無法得到保證。

2014年9月份，采用新意法理念設計的支護后，才順利通過該不良地質段。考慮隧道出口兩洞地質情況相差不大，左洞較右洞超前實施，以更有代表性的左洞為例對不良地質段施工情況進行闡述。

隧道支護類型參數見下頁圖6，左洞施工采用的初支和換拱支護類型見下頁圖7。

圖6　隧道支護類型參數表截圖

圖7　隧道出口左洞初支和換拱支護類型圖

2.2.1不良地質段施工狀況

(1)第一次侵限

2013年7月13日至9月9日，里程V1K108+703～V1K108+618，采用預留核心土三臺階法(見圖5)，開挖支護類型由A3(間距1.2 m)→A3(間距1 m)→A1(間距1 m)→A1(間距0.8 m)→A1(間距0.6 m)逐步加強，但未能控制初支沉降、收斂變形，導致該施工段侵限最大值達33 cm，掌子面停止掘進。隨后對侵限段落上導加設鋼管橫撐加固，并回填土封閉以確保洞內安全，見圖8～10。

圖8　預留核心土三臺階法施工圖

圖9　混凝土開裂拱架變形施工圖

圖10　上導加設橫撐并填土施工圖

(2)第一次換拱和第二次侵限

2014年10月12日，采用D1支護類型對侵限V1K108+703～V1K108+618進行換拱施工。

V1K108+703～V1K108+624里程換拱前初支封閉成環，只對仰拱以上換拱，見圖11。

V1K108+624～V1K108+618里程換拱前只施工了上導及中導(未封閉)，換拱施工采用增設臨時仰拱方式進行，并且在施工最后三榀拱架時進行掌子面鋼筋錨桿加固，見圖12。在拆除臨時仰拱施工初支仰拱過程中收斂顯著加快，此段再次發生侵限需要二次換拱，同時已換拱V1K108+630～V1K108+624里程受其影響也再次發生侵限，見圖13。

圖11　V1K108+703-V1K108+624里程換拱施工圖

圖12　掌子面鋼筋錨桿加固施工圖

圖13　V1K108+634-V1K108+624換拱后再次侵限示例圖

(3)重新設計支護類型E1，掌子面恢復開挖，第三次侵限

對V1K108+703～V1K108+618侵限段進行換拱的同時，根據監測發現侵限最大區域多為臺階法中拱架連接處，故認為導致侵限的主要原因是不能夠及時拱架閉合成環，因此重新設計E1支護類型。

2014年12月21日采用E1類型恢復掌子面開挖施工V1K108+618～V1K108+605，但量測數據仍表明初支沉降、收斂速率較快，同時出現掌子面外鼓突出(多達1 m)、初支混凝土開裂、臨時仰拱失效(向上鼓起)現象，最終該段全部侵限。現場隨即對已失效臨時仰拱進行了拆除及重新安裝，并加設型鋼斜撐于重新施做的臨時仰拱上，見圖14～16。

圖14　施工上中導后掌子面外鼓突出示例圖

圖15　臨時仰拱上鼓失效，重新架設施工圖

圖16　重新架設臨時仰拱，加設型鋼斜撐施工圖

(4)重新設計支護類型E1R，掌子面恢復開挖，第二次換拱，第三次侵限

考慮到E1支護類型未能滿足隧道當前地質，重新設計了E1R支護類型，見圖17。2014年1月14～26日按照此支護類型施工了V1K108+605～V1K108+598里程，但未拆除臨時仰拱施工初支仰拱。

圖17　E1R支護類型示意圖

由于已采用E1支護施工及原換拱的段落變形嚴重，拱架存在失穩風險，暫停了掌子面掘進。2014年1月27日～3月8日對再次侵限段落V1K108+630～V1K108+605換拱，換拱方案為在E1R支護類型基礎上，拆除臨時仰拱前，在中導與下導連接部位兩側各增3根6 m長錨桿。

2014年3月繼續采用E1R支護恢復掌子面施工，掘進施工至V1K108+584里程。雖支護變形收斂較之前有所減緩，但在拆除臨時仰拱施工初支仰拱后，收斂變形仍未能控制住，導致V1K108+605～V1K108+584初支出現侵限。

(5)小導洞提前釋放應力方案，第四次侵限

2014年4月份，項目嘗試通過小導洞(斷面42 m2，從V1K108+584起小里程方向)方式先行掘進，待圍巖情況好轉后，再恢復正常斷面施工，見圖18。

圖18　隧道小導洞先行施工圖

2014年8月底，按照小導洞方案開挖支護252 m后，突遇掌子面出現較大股狀水流，浸泡了已經完成的后方初期支護段，導致仰拱突然向上隆起，仰拱拱架斷裂，項目上采用了回填土封閉和加設橫撐加固(見圖19)。V1K108+651～V1K108+605里程受到小導洞強烈收斂變形延伸影響，變形侵限嚴重，掌子面小導洞終止掘進。

圖19　小導洞仰拱隆起，加設橫撐變形施工圖

2.2.2不良地質段技術難題解決

在按照小導洞方案施工的同時，為證實施工過程中所遇到的破壞現象與圍巖膨脹性有關，委托當地和國內有關單位進行了巖石膨脹性實驗，證實隧道出口不良地質段有側限膨脹力最高可達518 kPa，屬于強膨脹性圍巖。根據此結論并經過計算驗證，最終形成按照新意法全面段開挖、玻璃纖維錨桿注漿加固超前核心土、多層剛性支護的設計理念，并設計了F1(三層)、F2(二層)、F3(一層)三種支護類型。

F1三層支護類型最早在隧道出口右洞嘗試應用，2014年9月21日至2014年11月11日試驗了15 m，其支護示意圖和施工照片見圖20～21。經過量測，初支內應力及位移和地層壓力都得到了很好的抑制，沒有出現之前的邊墻破壞及仰拱隆起現象。隨后出口右洞開挖支護從F1、F2逐步過渡到F3支護類型。

圖20　隧道出口右洞F1三層支護示意圖

圖21　隧道出口右洞F1三層支護掌子面施工圖

2015年2月26日至10月10日采用F2支護類型施工左洞V1K108+651～V1K108+417侵限段，2015年10月11日至12月6日采用F1支護類型施工左洞V1K108+418～V1K108+584侵限段，2015年12月7日起掌子面采用F3支護類型施工。

經長時間監控量測，換拱段和掌子面新開挖支護段均未再發生失穩及侵限。

2.3不良地質段技術難題總結

從2013年7月隧道出口遭遇不良地質、頻繁侵限換拱算起，到右洞2014年9月嘗試按F1支護試驗成功已有1年2個月時間，再到左洞2015年12月采用F3支護類型恢復掌子面正常開挖共有2年半時間，項目承受了巨大的工期、安全、成本等壓力。

為找到可行開挖支護方法，項目多次組織隧道專家組會診，從傳統新奧法包括預留核心土平衡掌子面土壓力、施作超前支護(超前錨桿、小導管、大管棚)注漿加固后分部開挖或者幾種方法綜合，最終在新意法理念中找到突破。

3結語

(1)隧道設計過程中，要重視地質勘察，只有獲取準確的地勘資料和進行圍巖巖性分析，才能為隧道設計施工提供最基礎可靠的依據，減少盲目性和純經驗性。

(2)隧道施工過程中，要做好超前地質預報和監控量測，及時反饋隧道坑洞周邊地層和支護效果，為設計施工提供有力決策數據。

(3)新奧法施工忽視超前核心土的重要性，僅把注意力集中在隧道開挖后的變形收斂上，而沒有關注造成隧道失穩的根本性原因。

(4)新奧法使用較多的是臺階法等分步開挖方式，結構受力體系轉換頻繁，而新意法理念主張全斷面、快施工，不僅可以有效控制工程進度、工程質量和施工安全，還可以降低工程風險和工程造價。

(5)新意法具有更廣的應用范圍，其強調對隧道超前核心土加固和保護，并在設計施工中采取相應強度和剛度措施，能更好解決軟弱圍巖、膨脹性擠壓地層等新奧法無法施工或很難施工的復雜地段的施工難題。

(6)由于甘塔斯隧道是在遇到傳統新奧法很難通過時，才逐步嘗試摸索按照新意法理念重新設計支護類型，因此沒有完全按照新意法設計施工流程進行，但從整個隧道出口不良地質段最終能順利解決的情形來看，仍能很好表明新意法具有傳統隧道施工方法所無法比擬的優勢，因此未來有很好的發展應用前景。

參考文獻

[1]王效良，景詩庭.漫話隧道[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[2]楊新安，姚永勤，喻渝.鐵路隧道[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[3]李世才，石光榮，伍軍.桃樹坪隧道富水未成巖粉細砂預加固施工技術[J].現代隧道技術，2011(2)：116-119.

[4]Pietro Lunardi，巖土控制變形分析法(ADECO-RS)[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[5]李斌，漆泰岳，高波，等.新意法(巖土控制變形工法)概述[J].公路隧道，2009(2)：1-4.

[6]李開慶，唐天龍.新意法概述及其應用建議[J].山西建筑，2013(10)：171-173.

[7]翟進營，楊會軍，王莉莉.“新意法”在國外隧道工程中的應用[J].隧道建設，2008，28(4)：469-475.

[8]李明華.玻璃纖維錨桿預加固技術在隧道中的應用研究[J].城市建設理論研究(電子版)，2015，8(22).

Application of ADECO-RS Method in Foreign Tunnel Adverse Geology

ZHANG Lei

(China Civil Engineering Construction Corporation，Beijing，100038)

Abstract：As a new tunnel construction concept after NATM，ADECO-RS provides a new solution for the technical problems that NATM can not be implemented or the construction is difficult under weak sur-rounding rock and other complex conditions，which has the advantages such as full-section mechanical excavation，and controllable safety and quality risks.This article introduced the core theoretical ideas of ADECO-RS method，and combined with the Gan Tasman Tunnel project example implemented in for-eign country，it described the unique technology advantages and application prospects of ADECO-RS concept.

Keywords：ADECO-RS；Advance core soil；Glass fiber bolt；Full-section excavation method；Swelling surrounding rocks；Limit-invasion arch replacement

收稿日期：2016-01-28

文章編號：1673-4874(2016)02-0063-07

中圖分類號：U455.4

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.015

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