新意法在国外隧道不良地质中的应用

张　磊

(中国土木工程集团有限公司，北京　100038)



新意法在国外隧道不良地质中的应用

张磊

(中国土木工程集团有限公司，北京100038)

张磊(1985—)，工程师，硕士，研究方向：隧道与地下工程。

摘要：新意法作为继新奥法之后兴起的一种隧道修建理念，为解决软弱围岩等复杂条件下新奥法无法施工或很难施工的技术难题提供了新的解决途径，具有可全断面机械开挖、安全质量风险可控等优点。文章介绍了新意法的核心理论思想，并结合在国外实施的甘塔斯隧道工程实例，阐述了新意法理念独特的技术优势和应用前景。

关键词：新意法；超前核心土；玻璃纤维锚杆；全断面开挖法；膨胀性围岩；侵限换拱

0引言

目前我国隧道建设主要采用新奥法，其理论精髓是“保护、利用和调动围岩自承能力”，并通过超前预报、锚喷支护和监控量测等系列手段来实现，见下页图1。该方法已在国内得到广泛使用，并形成“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”等中国特色方法[1-2]。但在新奥法应用过程中，由于其理论自身尚存不足以及众人对其理解存在差异，有的还造成了惨痛的失败和教训。

图1　新奥法施工程序图

20世纪70年代中期，意大利Pietro Lunardi教授在研究围岩压力拱理论和新奥法施工理论时，结合对数百座隧道理论研究和现场试验研究，创立了新意法。该方法目前在意大利以及其他欧洲国家已得到较为广泛的应用，尤其是在复杂多变的不良地层环境中。虽然新意法在国内已应用于桃树坪隧道、浏阳河隧道等[3]，但其核心理论思想仍未被广大隧道建设者所熟知，而且可参考实例较少。本文将结合在国外施工的甘塔斯隧道遭遇的不良地质实施过程中的教训经验，谈谈对新意法理念的思考。

1新意法核心理论思想

新意法是通过对隧道掌子面前方超前核心土的勘察、量测，预报围岩的应力-应变形态，并将其划分为A、B、C三种拱效应类型，同时据以信息化设计和施工措施，确保隧道安全穿越复杂不良地层和实现全断面开挖的一种设计、施工理念[4]。

1.1新意法理论基础

新意法理论认为隧道掌子面前方存在超前核心土，其高度和长度与隧道轮廓的直径有关。新意法将隧道变形分成三类，即预收敛变形、挤出变形和收敛变形，见图2。隧道开挖后的变形过程为：从掌子面前方围岩的挤出变形开始，逐渐向掌子面前方发展；掌子面前方地层向坑洞挤压，引起前方围岩松动，发生预收敛变形；再由于预收敛变形引动，在坑洞四周引起收敛变形。

图2　超前核心土和隧道变形图

新意法理论认为：(1)超前核心土的强度和对变形的敏感性对隧道的长期和短期稳定起决定性作用；(2)通过对超前核心土采取相应防护和加固措施，以控制超前核心土变形(挤出变形及预收敛变形)，从而达到控制隧道变形(收敛变形)的目的；(3)超前核心土变形取决于其自身的强度和刚度，可通过调节其强度和刚度来最终控制隧道变形，因此可把超前核心土视为一种新的工具用以控制隧道的长短期稳定性。这些共同构成了新意法理论基础[5]。

新意法理论认为能否沿隧道开挖轮廓形成合适的成拱效应，将决定隧道结构的整体性及寿命。根据掌子面-超前核心土应力应变状态、超前核心土稳定状态以及隧道变形情况等，把隧道拱效应分为三种基本类型，见表1[6]。

表1　隧道拱效应类型表

1.2新意法隧道设计施工程序

新意法隧道强调对超前核心土的加固和保护，其流程分两大过程、五大阶段，设计施工程序见图3，隧道稳固措施作用类型见图4[7]，综合考虑纵、横断面类型选择稳固措施见图5。

图3　新意法隧道设计施工程序图

图4　稳固措施作用类型表截图

图5　综合考虑纵横断面类型选择稳固措施表截图

2新意法理念国外实践应用

近年来，越来越多的国内建筑企业走出国门，尤其是国家“一带一路”战略的实施，国外隧道项目逐步增多，遇到的地质情况更加复杂，新奥法和新意法理念碰撞将更突出。

2.1甘塔斯隧道工程概况

阿尔及利亚甘塔斯铁路隧道全长7.3 km，为双洞单线隧道(左线V1K102+086～V1K109+432，右线V2K102+074～V2K109+409)，左、右线出口端线间距24 m。隧道最大埋深390 m，圆拱曲墙式衬砌，开挖断面60～110 m2，衬砌内轮廓净空42 m2。

隧道地处阿尔卑斯褶皱带，地应力主方向与隧道走向近乎垂直，易造成围岩的塑性变形。隧道围岩以具膨胀性的泥灰岩、页岩等软岩为主，单轴抗压强度0.75～7.57 kPa。隧道出口围岩主要为全、强风化第三系泥灰岩，岩质软，岩体破碎多呈土状，稳定性差，具膨胀性，拱部易掉块、坍塌[8]。

2.2隧道出口不良地质段技术难题

从2013年7月，隧道出口遭遇不良地质段(高地应力、强膨胀性泥灰岩，埋深80～150 m)，采用传统新奥法施工的初期支护变形严重，侵入二衬界限。虽在当时已有设计支护类型内，不断改善施工工艺、加强支护形式，但未能有效控制，并导致多次换拱作业。因项目业主监理基于降低工程造价、洞内地勘资料不足以及围岩岩性待验证等原因，设计施工支护方法较长时间内都在尝试摸索、反复试验。不仅严重拖延了工程进度，也提高了工程造价，安全、质量无法得到保证。

2014年9月份，采用新意法理念设计的支护后，才顺利通过该不良地质段。考虑隧道出口两洞地质情况相差不大，左洞较右洞超前实施，以更有代表性的左洞为例对不良地质段施工情况进行阐述。

隧道支护类型参数见下页图6，左洞施工采用的初支和换拱支护类型见下页图7。

图6　隧道支护类型参数表截图

图7　隧道出口左洞初支和换拱支护类型图

2.2.1不良地质段施工状况

(1)第一次侵限

2013年7月13日至9月9日，里程V1K108+703～V1K108+618，采用预留核心土三台阶法(见图5)，开挖支护类型由A3(间距1.2 m)→A3(间距1 m)→A1(间距1 m)→A1(间距0.8 m)→A1(间距0.6 m)逐步加强，但未能控制初支沉降、收敛变形，导致该施工段侵限最大值达33 cm，掌子面停止掘进。随后对侵限段落上导加设钢管横撑加固，并回填土封闭以确保洞内安全，见图8～10。

图8　预留核心土三台阶法施工图

图9　混凝土开裂拱架变形施工图

图10　上导加设横撑并填土施工图

(2)第一次换拱和第二次侵限

2014年10月12日，采用D1支护类型对侵限V1K108+703～V1K108+618进行换拱施工。

V1K108+703～V1K108+624里程换拱前初支封闭成环，只对仰拱以上换拱，见图11。

V1K108+624～V1K108+618里程换拱前只施工了上导及中导(未封闭)，换拱施工采用增设临时仰拱方式进行，并且在施工最后三榀拱架时进行掌子面钢筋锚杆加固，见图12。在拆除临时仰拱施工初支仰拱过程中收敛显著加快，此段再次发生侵限需要二次换拱，同时已换拱V1K108+630～V1K108+624里程受其影响也再次发生侵限，见图13。

图11　V1K108+703-V1K108+624里程换拱施工图

图12　掌子面钢筋锚杆加固施工图

图13　V1K108+634-V1K108+624换拱后再次侵限示例图

(3)重新设计支护类型E1，掌子面恢复开挖，第三次侵限

对V1K108+703～V1K108+618侵限段进行换拱的同时，根据监测发现侵限最大区域多为台阶法中拱架连接处，故认为导致侵限的主要原因是不能够及时拱架闭合成环，因此重新设计E1支护类型。

2014年12月21日采用E1类型恢复掌子面开挖施工V1K108+618～V1K108+605，但量测数据仍表明初支沉降、收敛速率较快，同时出现掌子面外鼓突出(多达1 m)、初支混凝土开裂、临时仰拱失效(向上鼓起)现象，最终该段全部侵限。现场随即对已失效临时仰拱进行了拆除及重新安装，并加设型钢斜撑于重新施做的临时仰拱上，见图14～16。

图14　施工上中导后掌子面外鼓突出示例图

图15　临时仰拱上鼓失效，重新架设施工图

图16　重新架设临时仰拱，加设型钢斜撑施工图

(4)重新设计支护类型E1R，掌子面恢复开挖，第二次换拱，第三次侵限

考虑到E1支护类型未能满足隧道当前地质，重新设计了E1R支护类型，见图17。2014年1月14～26日按照此支护类型施工了V1K108+605～V1K108+598里程，但未拆除临时仰拱施工初支仰拱。

图17　E1R支护类型示意图

由于已采用E1支护施工及原换拱的段落变形严重，拱架存在失稳风险，暂停了掌子面掘进。2014年1月27日～3月8日对再次侵限段落V1K108+630～V1K108+605换拱，换拱方案为在E1R支护类型基础上，拆除临时仰拱前，在中导与下导连接部位两侧各增3根6 m长锚杆。

2014年3月继续采用E1R支护恢复掌子面施工，掘进施工至V1K108+584里程。虽支护变形收敛较之前有所减缓，但在拆除临时仰拱施工初支仰拱后，收敛变形仍未能控制住，导致V1K108+605～V1K108+584初支出现侵限。

(5)小导洞提前释放应力方案，第四次侵限

2014年4月份，项目尝试通过小导洞(断面42 m2，从V1K108+584起小里程方向)方式先行掘进，待围岩情况好转后，再恢复正常断面施工，见图18。

图18　隧道小导洞先行施工图

2014年8月底，按照小导洞方案开挖支护252 m后，突遇掌子面出现较大股状水流，浸泡了已经完成的后方初期支护段，导致仰拱突然向上隆起，仰拱拱架断裂，项目上采用了回填土封闭和加设横撑加固(见图19)。V1K108+651～V1K108+605里程受到小导洞强烈收敛变形延伸影响，变形侵限严重，掌子面小导洞终止掘进。

图19　小导洞仰拱隆起，加设横撑变形施工图

2.2.2不良地质段技术难题解决

在按照小导洞方案施工的同时，为证实施工过程中所遇到的破坏现象与围岩膨胀性有关，委托当地和国内有关单位进行了岩石膨胀性实验，证实隧道出口不良地质段有侧限膨胀力最高可达518 kPa，属于强膨胀性围岩。根据此结论并经过计算验证，最终形成按照新意法全面段开挖、玻璃纤维锚杆注浆加固超前核心土、多层刚性支护的设计理念，并设计了F1(三层)、F2(二层)、F3(一层)三种支护类型。

F1三层支护类型最早在隧道出口右洞尝试应用，2014年9月21日至2014年11月11日试验了15 m，其支护示意图和施工照片见图20～21。经过量测，初支内应力及位移和地层压力都得到了很好的抑制，没有出现之前的边墙破坏及仰拱隆起现象。随后出口右洞开挖支护从F1、F2逐步过渡到F3支护类型。

图20　隧道出口右洞F1三层支护示意图

图21　隧道出口右洞F1三层支护掌子面施工图

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

经长时间监控量测，换拱段和掌子面新开挖支护段均未再发生失稳及侵限。

2.3不良地质段技术难题总结

从2013年7月隧道出口遭遇不良地质、频繁侵限换拱算起，到右洞2014年9月尝试按F1支护试验成功已有1年2个月时间，再到左洞2015年12月采用F3支护类型恢复掌子面正常开挖共有2年半时间，项目承受了巨大的工期、安全、成本等压力。

为找到可行开挖支护方法，项目多次组织隧道专家组会诊，从传统新奥法包括预留核心土平衡掌子面土压力、施作超前支护(超前锚杆、小导管、大管棚)注浆加固后分部开挖或者几种方法综合，最终在新意法理念中找到突破。

3结语

(1)隧道设计过程中，要重视地质勘察，只有获取准确的地勘资料和进行围岩岩性分析，才能为隧道设计施工提供最基础可靠的依据，减少盲目性和纯经验性。

(2)隧道施工过程中，要做好超前地质预报和监控量测，及时反馈隧道坑洞周边地层和支护效果，为设计施工提供有力决策数据。

(3)新奥法施工忽视超前核心土的重要性，仅把注意力集中在隧道开挖后的变形收敛上，而没有关注造成隧道失稳的根本性原因。

(4)新奥法使用较多的是台阶法等分步开挖方式，结构受力体系转换频繁，而新意法理念主张全断面、快施工，不仅可以有效控制工程进度、工程质量和施工安全，还可以降低工程风险和工程造价。

(5)新意法具有更广的应用范围，其强调对隧道超前核心土加固和保护，并在设计施工中采取相应强度和刚度措施，能更好解决软弱围岩、膨胀性挤压地层等新奥法无法施工或很难施工的复杂地段的施工难题。

(6)由于甘塔斯隧道是在遇到传统新奥法很难通过时，才逐步尝试摸索按照新意法理念重新设计支护类型，因此没有完全按照新意法设计施工流程进行，但从整个隧道出口不良地质段最终能顺利解决的情形来看，仍能很好表明新意法具有传统隧道施工方法所无法比拟的优势，因此未来有很好的发展应用前景。

参考文献

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[8]李明华.玻璃纤维锚杆预加固技术在隧道中的应用研究[J].城市建设理论研究(电子版)，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

文章编号：1673-4874(2016)02-0063-07

中图分类号：U455.4

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.015

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