控制岩土变形的分析法与新奥法的比较

为了 2014 年在索契举办冬奥会，俄罗斯进行了大量投资，改善索契交通网的基础设施，修建新的索契高速公路，即著名的库洛特大街替代方案，它与黑海海岸线平行，从地下通过索契市区，直达奥运场馆和阿德尔机场。这项总长 16  km 的新干线工程，包括修建 8 对（16 区段）单孔隧道，以及明挖段、路堤和桥梁。

由于地层特性和工期紧迫引起的困难，俄罗斯决定在 T8、T8a 隧道设计和施工中采用生产率高、风险性小的“控制岩土变形的分析法（以下简称 ADECORS 法）”。这 2 个隧道长度最长，情况也最复杂。该方法被认为是修建意大利博洛尼亚—佛罗伦萨新高速铁路期间开挖隧道最可靠的方法，并且曾用这个方法开挖地层同索契相类似的隧道 100  km 以上。人们对T8、T8a 隧道之所以感兴趣，是因为在同一高速公路上其他隧道（尽管隧道较短、困难较小）均采用新奥法（NATM）开挖，新奥法在俄罗斯隧道施工中已积累了经验，并享有盛誉。因此，作者首次基于实际数据对 2 种施工方法进行比较。

1 隧道开挖方法

这条索契高速公路提供上下行的双洞平行隧道，每一隧道内有 2 个车道，设计速度为 120  km/h，需要开挖一系列隧道（图 1）。T8、T8a 隧道采用 ADECO-RS 法全断面开挖，除了因为它的长度比其他隧道长以外，还因为它的横断面较大（120～220  m2）。在北洞口（滑坡区）的隧道横断面为 220  m2，隧道埋深浅。这里还是新老公路的交汇点。其他隧道采用 NATM 多台阶开挖（图 2）。

图1 索契高速公路采用不同开挖方法的隧道段

图2 T8、T8a 隧道开挖断面120～220m2，其他隧道开挖断面113～115m2（单位：mm）

2 地质条件

索契位于高加索山脉的西坡，山脉在黑海与里海之间大约 1  100～1  200  km 的范围内展开。高加索山系大约在 2  500 万年以前的新生代形成，是阿拉伯板块与欧洲板块相撞的结果。在这一背景下，索契的新高速公路位于黑海沿岸，其地貌特征是丘陵起伏和草木丛生。

正如地质纵剖面图 3 所示，T8、T8a 隧道穿过索契构造带（由黏土岩、粉质黏土组成）和玛玛伊构造带（由泥灰岩、厚砂页岩夹层、鳞状结构组成），这 2 个构造带受断层切割形成交错互层。值得注意的是，崩塌的、残积的沉积物在隧道洞口附近和浅埋段聚合，形成活跃的滑坡区。

图3 城区地下的T8、T8a隧道和地质纵剖面

3 T8、T8a 隧道的设计

根据 ADECO-RS 法的预测，T8、T8a 隧道将在全长不稳定的条件下，即核心工作面不稳定的条件下进行开挖。通常“核心工作面”全断面开挖必须采取防护和加固措施，并使隧道二次衬砌仰拱离工作面保持小于隧道1 倍直径的距离（图 4）。

图4 在超前周边外轮廓和在核心断面采取稳定措施的隧道典型断面（单位：m）

采用ADECO-RS 法施工，在所有情况下，对核心工作面采取了持续的稳定措施，产生了足够大的水平应力。在可能产生滑坡的北洞口，采用带有仰拱的C2W 断面型式限制变形的发展。隧道的其他断面沿核心断面周边采用玻璃纤维结构加固防护，沿核心断面外轮廓通过设有袖阀管的玻璃纤维结构进行注浆。图 5 展示采取稳定措施开挖的隧道断面。

图5 采取稳定措施建成的隧道断面

4 T8、T8a隧道的生产率

由于施工对建筑材料的需求量极大，加之寒冬的气候条件给海运造成的困难，给高度工业化的 ADECO-RS法的有效利用增加了麻烦。尽管如此，T8、T8a 隧道的开挖速度仍达到 40～90  m/月。唯有在北洞口滑坡体下面采用的是大断面，开挖速度仅为 20  m/月，这是个例外。虽然遇到的困难很多，但由于采用 ADECO-RS法逐步取得了经验，同时加强了组织管理，开挖生产率很快达到预期值。

5 控制岩土变形的分析法（ADECO-RS）与新奥法（NATM）两种方法的比较

5.1 岩石开挖量、成洞长度和隧道稳定时间

将 T8、T8a  隧道（ADECO-RS）每月、每工作面的岩石开挖量和成洞长度，与 T7、T7a，…，T3、T3a隧道（NATM）的相应值进行对比。ADECO-RS 的每月、每工作面的岩石开挖量是 NATM 的 2.26 倍；ADECORS 的每月、每工作面的成洞长度是 NATM 的 1.59 倍。还必须指出的是，对于隧道的单个工作循环来说，从工作面破土到完成二次衬砌，即达到隧道完全稳定的时间，ADECO-RS 只需要 3 周的时间，而 NATM 则需要至少 10 周，甚至更多。

5.2 成本

一般来说，在困难条件下隧道采用ADECO-RS 法进行全断面开挖，需要对核心断面采取稳定措施，成本较高。然而，在索契的经验表明：NATM 成本更高，因NATM 使用的人力比 ADECO-RS 多，且多数采用的是小型机械，而 ADECO-RS 采用少量的大功率机械。再者，考虑 ADECO-RS 的生产率明显比 NATM 高出 30%，这是施工组织的直接结果，这意味着工期将可缩短。如果考虑隧道施工的工业化，ADECO-RS 在降低成本方面将有更大的优势。

5.3 安全

虽然俄罗斯的施工企业和设计人员在应用 NATM 方面的经验多于 ADECO-RS，但首次采用 ADECO-RS 进行隧道全断面开挖非常顺利，未发生任何事故。采用NATM 进行断面分部开挖，曾发生过一些工人受伤的事故。由于 ADECO-RS 全断面推进可以获得较大的工作空间，容许开挖全部机械化，实际上完全避免了在工作面出现没有防护的工人。另一个原因是从开挖到施作初期支护到完成二次衬砌的时间很短，可以避免应力发展到隧道严重不稳定状态。当然，连续观测前方核心断面的应力应变状态，防患于未然是极为重要的。

6 小结

ADECO-RS 设计和施工方法的特点：隧道工程师的主要关注点是，地层对开挖作用的变形反应。在设计阶段，采用各种手段（足尺的和实验室试验、数学模型等）对变形反应进行分析和预测，此后在施工阶段采取适当的稳定措施加以控制。

通过对 ADECO-RS 与 NATM 两种方法在相同条件下的比较表明，ADECO-RS 法在困难的地质条件下，伴随着核心断面的稳定进行全断面开挖，表现出许多优点：达到相当高的生产率，实现了施工工业化，缩短工期，减少劳动力，创造更安全的施工环境。

[1]Nikolai Batyrev.Two Tribes[J].Tunnels and Tunnelling,2016（12）：28-34.