新意法及其与新奥法的异同分析

林剑飞　蔡勇　陈俊凡

0 引言

随着“一带一路”国家级战略的提出和实施，中国工程建设将进入一个新纪元。隧道工程作为线路穿越山岭的控制性工程，其穿越地层越来越复杂，修建断面越来越大，施工里程逐年增加。因此，选择合适的施工工法是长大隧道必须优先考虑的因素之一。

新奥法作为中国隧道工程建设的主要理论基础，在常规隧道开挖中具有方法简单、经济性好等优势；然而在软弱围岩大断面隧道的施工中，其控制沉降差、施工步序复杂的弊端也尽显无遗。首先，为了控制沉降、保证隧道开挖的安全性，新奥法往往选择缩小开挖断面的分部开挖方法，如多台阶法、CD法、CRD法等[1-2]。这些方法能够在一定程度上缓解隧道开挖引起的变形过大等问题，但又不可避免地会对围岩造成多次扰动，增加施工管理难度的同时，也为隧道的长期稳定留下了隐患。其次，在人为缩小的工作面上，无法满足很多大型机械的施工空间，掌子面处往往需要投入大量的人力，这不仅造成了劳动力的浪费，且一旦发生事故，生命财产损失也大大增加。如何解决新奥法在软弱围岩隧道施工中的种种矛盾和弊端，成为中国现阶段隧道工程建设的一大难题，因此研究和引进更加先进的隧道设计和施工方法已经迫在眉睫。

新意法[3]是在隧道设计施工方面具有革命性意义的新方法。依照新意法理论不仅可以有效控制隧道开挖引起的各种围岩变形，保证隧道的短期和长期稳定性，而且在极端地质条件下仍然能够应用全断面工法进行隧道掘进，最大限度地减少对围岩的扰动次数。

本文将从隧道施工过程中的力学行为分析入手，全面介绍新意法及其与新奥法的区别与联系，为隧道工程建设提供新的思路。

1 隧道施工过程中的力学行为分析

1.1 隧道工程平面力学行为特性

就隧道工程而言，从开始施工到隧道贯通是一个较长的过程[4]。在此期间，隧道开挖导致岩土体原有的物理力学平衡被打破，经过调整和转化，最终达到新的平衡状态。

由于隧道在纵向上具有很长的轴线，横截面大小和形状沿轴线保持不变，并且传统施工工序往往是先开挖后支护的循环，因此对隧道力学行为的分析往往将其简化为平面应变问题进行处理。在横截面上，隧道开挖使轮廓线上的围岩处于临空状态，围岩在自重应力作用下产生变形（图1），如果任其发展，就可能导致隧道收敛变形过大甚至塌方，因此平面应变问题主要研究隧道开挖后横截面上的变形特性及支护与围岩的相互作用关系。

在横截面上，隧道开挖引起围岩中应力发生变化，类似于当水流经过桥墩，由于桥墩足够的强度导致水流被迫分流，沿桥墩边缘的水流流速加快（图2）；同样，洞室开挖导致围岩应力的重分布，应力流被开挖的洞室分开，在洞壁周围形成应力增大区，即成拱效应[3]。假如洞室周围的围岩强度足够承担偏移应力产生的作用，洞室就可以在没有支护措施的情况下保持稳定；如果围岩强度无法承担偏移应力作用，洞室的变形将增大，直至无法接受而失稳坍塌。

新奥法理论是在平面应变问题的基础上建立起来的，如柔性支护理论等，其对隧道收敛变形的研究也局限在平面上。

1.2 隧道施工过程中的三维力学行为特性

隧道的开挖是一个动态的过程，如图3所示，掌子面以速度V向围岩内部前进，后方留下一个空间，这将在轴向和径向上对围岩产生扰动，因此研究隧道施工过程时，忽视任何一个方向上的扰动和变形，都不能全面反映隧道掘进过程的力学特性。

隧道的开挖随着掌子面向前推进，掘进方向上的压应力变为零（σ3=0），围岩由三维应力状态向平面应力状态转变。隧道掘进过程中掌子面方向压应力σ3=0时，若洞室围岩变形在弹性范围内，则在靠近洞室处自然产生应力流（成拱效应）；若掌子面因弹塑性变形只能维持短期的稳定，此时成拱效应在远离洞室处产生，洞室最终静力强度只由其残余强度决定，此时需要人为加固洞室；若掌子面前方围岩应力失效，不能形成成拱效应，无法承受偏移应力流，围岩将产生大变形甚至失稳，此时需要采取超前预约束措施，人为使之形成成拱效应，以保证隧道稳定。显然，成拱效应是否形成及形成位置与隧道的长期或短期稳定有重要关系。

由图3可以看出，在掌子面即将到达之前，即σ3趋向于零时，σ1已经发生了变化，这种变化导致掌子面前方核心土的先行位移，而在平面力学分析中往往忽视了这一变形。

2 新奥法及其在中国的发展现状

2.1 新奥法概述

新奥法（NATM）由Pacher和Rabcewicz于20世纪中叶提出，其基本思想是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，认为围岩不仅产生荷载而且也是承载结构[5]。新奥法以锚杆和喷射混凝土等柔性支护为主要手段，及时对围岩进行加固，在允许围岩变形的同时控制围岩变形，从而提高围岩自承能力，并通过对围岩和支护受力变形状态的量测、监控来指导隧道和地下工程的设计与施工。

新奥法的精髓在于把围岩本身也视作自承载结构，充分发挥围岩的自承能力，而其要点在于通过在施工期间建立的信息收集和反馈系统，分析判断围岩、支护的变形与位移及应力分布和变化的关系，从而达到更加安全高效、经济合理的工程目的[6]。

2.2 新奥法核心理论与实践要点

2.2.1 岩承理论及柔性支护理论

新奥法将围岩视作一种承载结构，应用柔性的、与围岩紧贴的支护结构，以使围岩与支护结构共同变形，共同承受压力；其允许围岩变形，并强调通过控制变形最终使围岩与支护达到最佳平衡[7]。

2.2.2 对围岩扰动的最小化

围岩的自承能力来源于围岩强度，充分发挥围岩自承能力的前提是最大程度地保持围岩强度和原有的平衡状态。因此，新奥法强调施工时应尽可能地采用全断面工法，以减少分部开挖对围岩的反复扰动，并尽量采用光面爆破、微差爆破等方法，减少对围岩的振动影响，保全其整体性，同时强调注意隧洞表面尽可能平滑，以避免局部的应力集中。

2.2.3 监控量测的意义

新奥法最大的创新与变革内容在于施工期间运用监控量测信息来指导设计和施工，监控量测在某种意义上将隧道施工变成了一门信息科学。通过对系列观测资料和量测数据的分析，对隧道围岩与支护的状态进行判断与分析，进而调整施工方案，最终达到安全与经济的目的。因此，监控量测是新奥法施工的必要条件。

2.3 新奥法在中国的发展及存在的问题

新奥法于20世纪70年代末传入中国，首先应用在军都山、大瑶山等铁路隧道中，并取得了良好的效果，随之在全国兴起。40多年来中国隧道建设事业迅速发展并成为世界隧道大国，新奥法在此过程中发挥了决定性作用。然而随着在建隧道的不断增多，新奥法在隧道建设的应用中逐渐出现一些问题，施工事故时有发生。产生这些问题的原因主要为以下几点。

（1）对新奥法应用的度的把握。任何一种科学技术都有其局限性，新奥法自然也并非适用于所有情况，然而目前大多数工程人员习惯性地把所有成功的技术都归功于新奥法，这种以偏概全的做法显然是存在一定问题的。

（2）工程从业人员的业务素养。目前隧道施工人员多为普通民工，专业素养相对较低，对新奥法的认识也相对肤浅，经常导致施工质量难以达到标准，使得新奥法在实施中的效果大打折扣。

（3）监控量测的重视程度。大量工程的监控量测工作通过分包的形式由第三方机构承担，而第三方监测机构的专业水平与素养参差不齐，且现场技术人员很多对于监测数据也缺乏足够的重视，大大降低了工程质量。

（4）在软弱围岩隧道中，基于新奥法的先开挖后支护的施工方法往往效果不佳，强行施工容易引起安全事故。

3 新意法及其应用前景分析

3.1 新意法简介

基于对隧道掘进过程中的三维力学特性的分析，新意法提出了一套以掌子面前方核心土变形和控制分析为基本理论的隧道设计、施工方法，新意法将一座未衬砌的隧道在纵向范围内分为3个特征区域，如图4所示。

（1）未受影响区域，即围岩还未受到隧道开挖的影响，仍处于三维原始应力状态下。

（2）掌子面-超前核心土区域或过渡区域，围岩受到隧道开挖的影响很大，从三维应力状态逐渐变为平面应力状态。

（3）稳定区域，隧道开挖已经完成且不再受后续开挖影响的区域。稳定区域内的围岩未必能够自稳，甚至有可能大范围坍塌，只是围岩状态不再受后续开挖的影响。

从掌子面的3个特征区域可以看出，掌子面-超前核心土区域是围岩从三维应力状态过渡到平面应力状态的关键区域，掌子面-超前核心土的稳定是隧道设计中最重要的部分，必须予以足够重视。

新意法提出掌子面-超前核心土的概念，超前核心土位于掌子面特征区的过渡区域内，是掌子面前方呈圆柱体的土体，其直径和高度大致等于隧道直径。掌子面-超前核心土区域的围岩变形反应有3种形式：超前核心土挤出变形、预收敛变形和收敛变形，如图5所示[8-9]。

（1）挤出变形：隧道开挖后掌子面在纵向上向外挤出的变形。

（2）预收敛变形：隧道掌子面前方理论轮廓线的收敛变形，其变形反应完全取决于掌子面超前核心土的强度及变形特性与其原始应力状态之间的关系。

（3）收敛变形：隧道掌子面后方轮廓线的收敛变形。

新意法认为，超前核心土的变形是围岩变形反应的真正起因，其强度和稳定性是隧道开挖过程中能否保持短期稳定和长期稳定的关键。因为围岩应力偏移和传递并不是在掌子面通过之后才发生的，而是在掌子面到来之前就已经开始，因此增加超前核心土的强度和稳定性，有助于应力的传递和偏移向着靠近隧道洞壁的区域发展，更好形成成拱效应，使围岩变形在掌子面通过后仍处于可接受范围。

3.2 新意法在中国的应用前景分析

对新意法核心理论的研究表明，通过调节超前核心土的强度和稳定性，新意法可适用于各种地质条件下的隧道工程建设。从这一方面来说，吸收、引进并逐渐推广和应用新意法对中国的隧道工程具有重大的意义。另一方面，结合中国具体国情来看，首先，在大型机械的研发能力上，中国与欧洲国家仍有一定的差距；其次，由于中国拥有全球最大的廉价劳动力市场，因此一旦全面推广新意法主张的机械化施工，将对工程领域的就业趋势产生不小的影响；再次，新奥法在中国隧道工程建设历史上具有不可替代的地位，一旦隧道工程施工出现问题，人们总是首先想到在新奥法的基础上修修补补，而难以接受新的方法；另外，从短期的经济性来看，新意法需要投入大量新的大型机械，相比新奥法投入更大。这些因素都使得新意法在中国的推广应用有相当的阻力。

然而，随着中国经济增长方式由“粗放型”向“集约型”的逐步转变、人口老龄化引起的廉价劳动力市场的萎缩，以及大型工程机械研发能力的不断增强，新意法必将与新奥法一道，共同成为中国隧道建设的理论基础。

从现阶段来看，新意法可作为新奥法的补充，填补新奥法在极端地质条件下无法安全施工的空白。如武广高铁浏阳河隧道及兰渝铁路桃树坪隧道都是国内应用新意法的成功案例。其中桃树坪隧道在施工中同时应用新意法和新奥法进行施工，结果显示新意法在进度上具有一定的优势[10-11]。同时桃树坪隧道在施工过程中结合具体国情，在应用新意法理论基础的前提下，采用了两台阶施工方法[12]，相比新意法推荐的全断面施工方法，节省了引进大型工程机械的资金，同时又保证了施工的安全，为新意法在中国现阶段的推广应用积累了经验。

综上所述，新意法在中国具有很好的应用前景，也有一些结合具体国情的应用经验。因此，结合已有的研究成果，基于新意法理论提出一套完整的、适合中国国情的隧道设计和施工方法，并在时机成熟时应用于具体工程，是未来隧道工程发展的一个重要方向。

4 新奥法和新意法的区别与联系

新奥法的创始人Rabcewicz曾经指出，隧道工程的开挖应在可能的情况下尽量选择全断面施工方法[13]，现在，新意法满足了Rabcewicz的愿望，因为按照新意法的理论，在任何条件的围岩中进行全断面隧道施工都已经成为可能。

通过对新奥法理论的研究，可以发现以下几点。

（1）新奥法更加注重隧道开挖前后横截面上的变形反应，而在一定程度上忽视了隧道开挖的三维力学特性。

（2）新奥法建议隧道开挖应该尽可能地选择全断面施工方法。同时新奥法认为，相比分部开挖法，全断面施工方法可最大限度地减小围岩扰动，满足大型机械所需的施工空间，缩短工期，减少投资。

（3）新奥法没有提出超前核心土的概念，也不够重视掌子面前方围岩的强度和稳定性，更没有一套完备的加固超前核心土的具体措施。

（4）新奥法流行于20世纪60～70年代，当时的科学技术无法为其提供可靠的措施来保证在任何地质条件下全断面工法的可行性和安全性。

（5）监控量测及其信息反馈是新奥法理论得以实施的重要前提。

相比之下，新意法理论对以上问题具有全新的认识和解决方法。

（1）新意法更加注重隧道掘进的三维力学特性。

（2）新意法不仅意识到全断面工法在围岩扰动、工期成本上的优势，而且使这些部分变成了现实。

（3）新意法通过对隧道掘进的三维力学特性分析，发现了围岩变形的真正起因是隧道开挖引起的超前核心土变形，并提出一套完整可行的超前核心土稳固措施。

（4）科学技术的发展使得新意法提出的超前核心土稳固措施得以实现，从而保证了新意法可在任何地质条件下应用全断面工法进行隧道开挖。

（5）相比新奥法的监控量测项目，新意法对隧道掘进的三维力学特性同样体现在监测阶段，其对超前核心土的变形监测可有效地检验设计决策的正确性并加以修正，以保证隧道开挖随时处在安全的环境中。

综上所述，新奥法与新意法在隧道开挖方法的选择上有共同的目标与诉求，区别在于，新奥法轻视了隧道掘进过程中的三维力学特性；而新意法意识到了这一点，并在此基础上提出了超前核心土的概念及稳固措施，借助先进的科学技术，最终完成了新奥法较难实现的目标——在任何地质条件下应用全断面工法进行隧道掘进。

5 结语

新奥法与新意法的主要区别在于对洞室变形的认识。事实上，随着新奥法的不断发展和完善，国内外众多学者也已经认识到了隧道三维力学特性对隧道开挖的重要影响，并展开了一系列研究，但是这些研究始终没有认识到超前核心土力学特性对隧道变形的决定性作用，基于这些研究的结论及处治方法，最终大都归于施工过程的管理、支护时机的选择和参数优化上。

新意法打破了这一常规思维，将隧道工程建设的理论基础向前推进了一大步，因此研究新意法的基本理论，认识到其与新奥法的异同，在此基础上优化中国隧道工程建设的设计、施工方法，是隧道技术人员值得研究的新方向。

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