基于新意法理念的隧道施工方法研究

武超毅，孙家军

（1.湖北望新建设有限公司，湖北 荆州；2.长江大学 城市建设学院，湖北 荆州）

引言

新意法，也称岩石控制变形分析（ADECO-RS）法。20 世纪70 年代，意大利Pietro Lunardi 教授首次通过三维空间研究开挖隧道过程中所产生的变形，摆脱了先前只考虑掘进平面变形反应的传统思维。并结合大量理论研究以及现场试验，逐步创立了著名的ADECO-RS 法。几十年来，该方法广泛应用于欧洲的隧道建设领域[1-2]，并于21 世纪初引入我国，促进了我国铁路隧道施工技术的进步。与传统隧道施工方法相比，新意法具有诸多优势，我国许多隧道施工项目都涉及到了该方法，并取得了优异效果[3-5]，同时也有诸多学者对新意法的理论进行了完善补充[6-8]。本文通过系统论述新意法原理和设计施工流程，对比其与传统隧道施工工法之间的区别，表现新意法在隧道施工领域的优异之处。

1 新意法基本原理

新意法将地层视作支护结构的一部分，认为其在隧道施工过程中发挥着重要作用。其设计理念主张控制围岩的变形及掌子面前围岩介质的加固和超前支护，监测和控制掌子面前方的围岩介质、并采用相关施工设备进行机械化作业，从而实现全断面施工。

1.1 拱部效应

在掘进过程中，隧道周边和前方一定范围内围岩会产生扰动变形，掌子面应力逐渐减小。围岩从三轴应力状态逐渐变为平面应力状态（σ3=0）。围岩原始应力将沿着隧道的轮廓形成“拱部效应”，如图1 所示，并沿隧道形成应力增加带，其能否形成直接影响着隧道的整体稳定性及使用年限。同时按应力大小、地层的强度和变形特性，可将拱部效应分为以下三种形式：

图1 拱部效应示意图

（1） 自然拱部效应：随着掌子面应力状态的逐渐减小，隧道掌子面前方围岩应力状态处于弹性范围内，即图2 中Ⅰ阶段。“拱部效应”产生在开挖轮廓线的附近，此时隧道边墙及掌子面变形较小（或可忽略），开挖面处于稳定状态，如图3a 所示。

图2 围岩应力- 应变曲线

（2） 转移拱部效应：随着掌子面应力状态的逐渐减小，隧道掌子面前方围岩应力状态处于弹- 塑性范围内，即图2 中Ⅱ阶段。此时隧道结构将产生弹-塑性变形，能够在短期内维持稳定状态。如不采取措施，隧道结构将从隧道边墙及掌子面向内部产生塑性变形，“拱部效应”从开挖轮廓线附近朝外转移到围岩中，如图3b 所示。只有通过采用足够的支护措施，才能够对“拱部效应”的“转移”进行控制，使隧道结构保持长期的稳定性。

（3） 无拱部效应：随着掌子面应力状态的逐渐减小，隧道掌子面前方围岩应力状态处于破坏滑移状态，即图2 中Ⅲ阶段。围岩极度不稳定，将产生大变形，“拱部效应”无法自然形成，如图3c 所示。这种变形现象是无法接受的，对工程的安全生产存在极大隐患，必须通过人工支护手段协助粘结力差的松散地层形成“拱部效应”。

“拱部效应”决定隧道的稳定性，可以判断隧道结构处于长期或短期稳定状态，并对是否采用支护措施提供依据。其重点关注的是隧道掌子面的变形，而非整个隧道。在开挖过程中，隧道的变形反应较为复杂，需对变形反应进行全面定义。

1.2 介质的变形反应

为对开挖过程中隧道介质的变形反应进行全面定义，现对以下术语进行解释：

（1） 超前核心土:位于隧道掌子面前方，呈圆柱状的一定体积土体，其直径大致为隧道的直径。

（2） 掌子面挤出变形: 主要发生在超前核心土内，沿掌子面水平轴线方向产生，表现为呈轴对称的掌子面鼓出或在掌子面形成螺旋状挤出，是隧道开挖产生变形反应的主要表现形式。

（3） 隧道预收敛:超前核心土理论轮廓线的收敛变形，完全取决于超前核心士强度及变形特性。

新奥法提出隧道的整体变形反应由掌子面挤出变形、隧道预收敛和隧道收敛所组成，如图4 所示。同时提出发生变形反应的真正诱因是掌子面前方的超前核心土，其与隧道预收敛和隧道收敛之间存在紧密联系，隧道的变形总是掌子面前方超前核心土变形所引起的结果。

图4 隧道整体变形组成

1.3 隧道变形类型

通过预测隧道掌子面超前核心土的稳定，可通过分析开挖后围岩的稳定状态（稳定、暂时稳定和不稳定），将隧道变形类型划分为A、B、C 三种类型，以此可作为设计支护措施和全断面动态设计施工的指导原则。将三种类型与“拱部效应”和“介质变形反应”相关联，列出新意法隧道稳定类型的分类标准，见表1。

表1 新意法隧道稳定类型分类标准

2 新意法设计施工

新意法的设计施工步骤主要包括设计阶段和施工阶段两部分，其中设计阶段包括勘察、诊断和处治三个阶段，施工阶段包括实施和监测两个阶段，以下对各阶段进行系统阐述。

（1） 勘察阶段：通过各种勘察手段确定受开挖影响范围内地层介质的岩土力学性质，该阶段对分析自然平衡状态以及下阶段的顺利进行不可或缺。

（2） 诊断阶段：运用勘察阶段所收集到的信息，通过数学方法以及数值模拟等手段预测超前核心土的稳定性，将隧道变形按上述A、B、C 三种类型分类。

（3） 处治阶段：依据诊断阶段的分类预测，根据地层介质的变形类型选择何种支护加固措施（超前约束措施或约束措施），使隧道处于稳定状态。

（4） 实施阶段：根据设计阶段的预测结果，开展支护作业，采取的支护加固措施要符合工程实际，适应岩体的变形反应。对于软弱地层介质，需进行超前加固后进行全断面开挖。

（5） 监测阶段：该阶段旨在验证诊断和处治两阶段预测的准确性，并调整设计参数，以保证掌子面加固强度与隧道岩壁强度达到平衡。需要在隧道的整个使用年限内都进行检测，保证其安全状态。

3 新意法的优点

与传统隧道施工工法相比，新意法最显著的优势在于重视超前核心土的控制，将其作为维护隧道稳定的重要工具，突出机械化全断面均率开挖的理念。全断面施工对于现场的管理相当有利，并且能够减少传统工法（如台阶法、CD、CRD 等）所所需的施工步骤，从而达到缩短时间进度及节省费用开支的目的。

除此以外，新意法还存在以下优点：

（1） 能够保持施工现场的清洁，即使在施工环境较为复杂的掌子面处依旧可行，并且可保证安全施工。

（2） 仅通过一种设备就可解决不同类型的地层开挖，具有高度的灵活性。

（3） 可以在设计阶段均较为精确地预测完成时间，做到保证工期。

（4） 强调对隧道预收敛变形以及岩壁收敛变形的量测，能及时反馈动态设计参数的调整，从而及时优化施工方案。

4 结论

（1） 新意法（岩石控制变形分析法）打破传统思维模式，首次将隧道开挖这一动态过程中的变形反应在三维空间内研究，并将地层介质视作“施工材料”，将其作为支护结构的一部分，这种隧道施工理念有其独到先进之处，建立了一种全新的处理地下工程问题的框架。

（2） 相较于传统隧道施工工法，新意法所具有优势较为明显，强调超前核心土这一保持隧道稳定性的重要工具，通过控制超前核心土的刚度就可以控制掌子面和隧道岩壁的变形反应。同时还具有可维持现场洁净、具有高灵活性、精准预测工期和能及时优化调整等一系列优点。

（3） 新意法已有较长应用历史，有较为成熟的理论基础和丰富的工程实际经验积累，其在意大利等欧洲国家已取得广泛应用。如今新意法在我国隧道建设中的应用并不广泛，研究与试验皆处于起步阶段，仍有诸多问题需要解决。而我国现阶段处于高速发展时期，将涉及诸多隧道工程的建设，新意法的推广与完善将对我国将来控制施工成本、缩短工程周期、解决工程难题有莫大帮助。