新意法在隧道工程機械化施工中的應用

新意法在隧道工程機械化施工中的應用

0引言

中國是世界上隧道通車里程最長、在建隧道數(shù)量最多的國家。進入21世紀以來，中國的隧道工程建設無論是規(guī)模還是修建難度，一直處于世界前列。得益于廣闊的勞動力市場，基于新奧法的鉆爆施工方法在中國得到了長足發(fā)展。然而，隨著人口老齡化的加劇，人口紅利所帶來的經(jīng)濟建設發(fā)展將面臨嚴峻的考驗。由于隧道施工風險性大，施工現(xiàn)場環(huán)境惡劣，加之勞動力成本不斷上升帶來的施工成本驟增等問題，未來國內(nèi)隧道建設將面臨新的挑戰(zhàn)。機械化施工能夠在保證施工質量的同時有效降低施工安全風險，改善施工現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，降低施工勞動強度，提高施工效率，因此機械化施工將成為未來隧道工程建設的必然趨勢。

1機械化全斷面施工的理論基礎

由于軟弱圍巖自承能力有限，新奧法先開挖、后支護的施工方法往往不起作用，在各種超前支護措施保護下的分部開挖法成為不得已的無奈選擇［1］?；谛聤W法的隧道機械化施工的關鍵，在于提高各個施工步序的機械化程度及改善施工組織管理，然而對于軟弱圍巖隧道，由于分部開挖法縮小

了施工作業(yè)面，使得很多大型機械設備難以應用。而且多數(shù)不斷變化，施工工藝也隨之改變，這種情況下大型機械設備往往達不到預期的利用率。因此，基于新奧法的隧道施工機械化發(fā)展已表現(xiàn)出很大的局限性。

長大隧道圍巖環(huán)境往往比較復雜，

圍巖等級隨著隧道的掘進

新意法作為新奧法理論的發(fā)展，在承認圍巖自承能力的前提下，考慮隧道開挖的三維應力狀態(tài)，認為掌子面-超前核心土體系的穩(wěn)定是隧道開挖能否安全進行的決定性因素。在施工方法上，新意法主張各種超前工法（預加固和預約束）前提下的全斷面開挖方法。新意法的出現(xiàn)不僅使極端地質條件下隧道的安全掘進成為可能，而且基于此方法的全斷面開挖技術，能夠有效減少隧道開挖對圍巖的擾動，便于施工組織管理，同時也為隧道機械化開挖提供了更好的環(huán)境。

2新意法概述

新意法是意大利著名學者PietroLunardi［2］歷經(jīng)多年探索與實踐，在新奧法的基礎上提出的，具有一套完整的理論方法和實際工程措施。對于軟弱圍巖隧道，甚至在極端地質條件下，運用該工法仍然能夠有效控制圍巖變形，并實現(xiàn)全斷面開挖。其安全性、高效性以及在控制工期和費用方面的優(yōu)勢，已經(jīng)在歐洲各國得到了廣泛認可，并被納入意大利隧道設計施工的相關規(guī)范。

新意法是基于巖體分類來確定超前支護和約束措施及其參數(shù)的隧道勘察、設計和施工方法的概括［3］，其核心思想是重視隧道開挖過程中的三維動力學行為，并通過調節(jié)超前核心土的強度和剛度來控制巖體的變形。

新意法通過以下4個階段的工作來確保隧道開挖的短期和長期穩(wěn)定性。同時，這也是該方法能夠成功實施的關鍵因素。

（1） 勘察階段。通過各種手段在現(xiàn)場獲得隧道開挖后巖體的自然平衡狀態(tài)（圖1）及各種物理力學參數(shù)。

（2） 診斷階段。根據(jù)勘察階段獲得的資料，通過數(shù)值計算和試驗的方法預測隧道在無穩(wěn)固措施下的變形行為，并基于以上信息將隧道在線路上分成具有相似變形行為的區(qū)段。

（3） 處治和實施階段。確定隧道開挖的方法、步驟及進度，其中最重要的是確定采用何種穩(wěn)固措施（針對掌子面-超前核心土，見圖2、3，），并加以實施。

（4） 監(jiān)測階段。同新奧法一樣，監(jiān)控量測也是新意法獲得施工動態(tài)信息的重要手段，用以檢驗隧道設計施工的準確性，并根據(jù)反饋及時調整施工方案。

3基于新意法的隧道機械化施工在國內(nèi)外的應用和分析評價

3.1隧道機械化施工在國內(nèi)的應用

中國自20世紀70?80年代以新奧法為基礎建立起隧道的設計施工體系以來，隧道的機械化開挖以此為基礎逐步推進發(fā)展，并取得了一系列成果。然而隨著隧道建設的規(guī)模越來越大，地質條件越來越復雜，傳統(tǒng)施工方法的工藝、安全性及效率也遇到了新的挑戰(zhàn)。隧道施工是鉆爆開挖作業(yè)線、裝渣運輸作業(yè)線、初期支護作業(yè)線、仰拱作業(yè)線和二次襯砌作業(yè)線之間互不干擾又相互協(xié)調的系統(tǒng)性作業(yè)，工程整體的機械化程度往往由機械化程度最小的作業(yè)線決定［4］。新奧法在隧道斷面較小、地質條件較好的情況下能夠在保證安全的前提下實現(xiàn)全斷面施工，保證較高的施工效率；但在軟弱￡巖隧道施工中，為了避免變形過大甚至發(fā)生事故，往往采用分部開挖法縮小開挖斷面，使得大型機械難以發(fā)揮作用，隧道施工的機械化程度難以得到提升，大大影響了整個隧道的掘進效率。

為解決隧道工程在軟弱圍巖甚至極端地質條件下全斷面機械化施工這一難題，中國近年來逐漸引進了新意法，并在特殊地質條件下的隧道工程中取得了成功。

3.1.1武廣客運專線瀏陽河隧道

武廣客運專線瀏陽河隧道位于長沙市星沙區(qū)，隧道下穿瀏陽河河底，過河段全長362m，隧道開挖斷面接近170m2,穿越地層主要為弱風化泥質粉砂巖、砂質泥巖等遇水易軟化巖層，圍巖等級為V級。隧道埋深最淺處僅為19.1m,且河底段位于一向斜核部，圍巖破碎、透水性強，施工時極易發(fā)生拱部掉塊、坍塌，最終導致涌水突泥。

隧道過河段在施工中設置了長度為90m的新意法試驗段，經(jīng)過數(shù)值計算和模型試驗的驗證后，研究人員最終確定了以超前管棚和注漿錨桿為主的預支護及預加固措施，其中超前管棚長18山，掌子面GFRP注漿錨桿長18m,密度為每8m2安裝一根，搭接長度均為5.4m。掌子面開挖進尺為每循環(huán)1.8m。試驗結果表明，超前預加固及預約束措施明顯增強了

圍巖穩(wěn)定性，相比傳統(tǒng)的分部開挖法既保證了施工安全又提高了施工效率［5-6］。

3.1.2蘭渝鐵路桃樹坪隧道

蘭渝鐵路桃樹坪隧道全長3225m，沿線地表溝谷發(fā)育，地形起伏大，最小埋深僅6皿。隧道下穿多個垃圾回填的淺埋溝谷以及饞柳高速、312國道、廠礦企業(yè)和密集的居民區(qū)。隧道開挖后揭示地層為富水未成巖粉細砂層，遇水易軟化，下部泥化現(xiàn)象明顯，圍巖等級由設計的V級最終變更為VI級，施工難度極大。該隧道施工時，在不同的掌子面分別采用了基于新奧法的雙側壁導坑法和CRD法，以及基于新意法的全斷面開挖法。其中全斷面開挖時，在掌子面理論輪廓線上施作長度為18m的①800水平旋噴樁進行超前預支護，噴樁與隧道軸向夾角為5~10，搭接長度為5m,樁徑800mm,相鄰兩樁緊密咬合；掌子面超前核心土采用長度為18m的①800玻璃纖維錨桿進行預加固，其搭接長度為5m,加固密度為每斷面約50根，梅花形布置；在隧道起拱線處采用長度為8m的①600鎖腳旋噴樁保證隧道初期支護及時封閉成環(huán)，旋噴樁與隧道橫斷面中心線的夾角為30?45，樁間距為1m。現(xiàn)場施工對比結果表明，采用巖土控制變形法施工更加簡潔、安全、可靠，施工進度可控，且經(jīng)濟性也相差不大［7-8］。

3.2國外隧道機械化施工的應用實例

3.2.1意大利Vasto隧道

Vasto隧道位于意大利安科納至巴里鐵路線上，全長約6200m，開挖直徑約12m。隧道穿越地層為粉砂、砂質粉土層及粘土層，且某些區(qū)段地層飽水，對斷層極為敏感。隧道原設計為臺階法開挖，盡管開挖過程中設置了較強的初支及二襯，并保留核心土進行開挖，但隧道在施工過程中還是發(fā)生了嚴重的變形，并導致塌方。

為確保隧道施工的安全性，并確保隧道能夠按原計劃工期完成掘進工作，PietroLunardi教授應邀為該隧道重新確定設計施工方案。在前期勘察和診斷工作的基礎上，其團隊最終確定了以下3種處治方式對超前核心土進行保護和加固，使隧道能在確保施工安全和質量的前提下進行全斷面機械化施工，施工照片見圖4。

（1） 在粉質砂層及砂質粉土區(qū)段，采用近水平旋噴注漿對掌子面前方理論輪廓線周邊進行超前預支護，同時對超前核心土采用旋噴注漿進行預加固。

（2） 在粘土質粉土及粉質粘土層區(qū)段，對掌子面前方理論輪廓線周邊采用玻璃纖維結構件注漿進行超前預支護，同時對超前核心土采用玻璃纖維結構件進行預加固。

（3） 在粘土層區(qū)段，對掌子面前方理論輪廓線采用預切槽法施作預襯砌保護超前核心土（圖5），同時采用玻璃纖維結構件對超前核心土進行加固。

該隧道在極端困難的地質條件下，采用新意法保證每月成洞約50m的掘進速率，最終按計劃完成了掘進工作，而最初導致隧道停工的收斂變形也得到了很好的控制［9］。

3.2.2意大利Vaglia隧道

Vaglia隧道是意大利博洛尼亞一佛羅倫薩大運量高速鐵路新線上的一座區(qū)間隧道，全長18.561km，開挖斷面140m2。隧道穿越地層主要為石灰?guī)r、泥灰質石灰?guī)r和裂隙發(fā)育的泥灰?guī)r構成的復理層。

由于圍巖本身具有較高的強度和穩(wěn)定性，且大部分圍巖處于較密實的地層環(huán)境中，因此具有良好的地質力學特性。根據(jù)掌子面-超前核心土穩(wěn)定型式，這部分圍巖拱效應靠近洞壁自然產(chǎn)生，一般來說沒有必要對地層采取干預措施，可以盡可能地保持較高的掘進速率?？紤]到圍巖的特性，在這些地層中最終選擇了鉆爆法作為全斷面開挖的手段，并取得了良好的效果［10］。施工照片見圖6。

3.2.3意大利羅馬一那不勒斯高速鐵路線隧道群

羅馬一那不勒斯新建鐵路線全長204km，其中最長的ColliAlbani隧道達到了6361.36m。隧道穿越地層主要為火

山噴發(fā)形成的火山碎屑地層、復理層以及泥灰質和石灰質巖組成的沉積巖層。

這些隧道在設計和施工階段以新意法作為基本理論、即使圍巖處在極端應力-應變條件下也堅決采用全斷面施工方法，同時根據(jù)情況采用不同的處治方法保證隧道的長期和短期穩(wěn)定?；谛乱夥ǖ睦碚搶﹂_挖地層進行可靠的應力-應變特性預測，并根據(jù)掌子面-超前核心土的穩(wěn)定性分類，將隧道分為若干個具有相近應力-應變特性的區(qū)段，各個區(qū)段可采用不同的處治措施以保證全斷面開挖時圍巖變形在可接受的范圍內(nèi)。

3.3分析評價

通過國內(nèi)外的一些工程實例可以看出，新意法能夠適應各種地層條件下的隧道施工，并且能夠在保證施工安全和質量的同時，以較高的掘進速率實現(xiàn)全斷面機械化施工。

在巖體地質力學特性較好的隧道圍巖中，即圍巖分級系統(tǒng)中對應的I、II、III級圍巖，以及掌子面-超前核心土穩(wěn)定性分類中的A類圍巖，雖然新奧法和新意法的隧道設計施工原理不盡相同，但由于此類圍巖強度和穩(wěn)定性較好，隧道開挖后掌子面-超前核心土體系只存在彈性變形，2種方法下的隧道施工均選擇對圍巖擾動較小的全斷面鉆爆法進行隧道開挖。

在巖體地質力學特性較差的圍巖中，即圍巖分級系統(tǒng)中對應的w、v級圍巖，以及掌子面-超前核心土穩(wěn)定性分類中的B類圍巖，隧道開挖后掌子面因彈-塑性變形只能維持短期的穩(wěn)定。這種情況下，新奧法往往采用縮小開挖斷面的分部開挖法（臺階法、側壁導坑法等）來控制圍巖變形。新意法則通過采用一系列措施保護或加固超前核心土來控制圍巖變形，在此基礎上仍可實現(xiàn)全斷面機械化的開挖方式。

在極端地質條件下的隧道圍巖中，即圍巖分級系統(tǒng)中對應的H級圍巖，以及掌子面-超前核心土穩(wěn)定性分類中的C類圍巖，隧道開挖后往往伴隨著劇烈的變形甚至坍塌。在這種

情況下，新奧法通常采用更加極致的分部開挖法（雙側壁導坑法、CD法、CRD法等）以及超前管棚和小導管注漿等措施來控制圍巖變形。新意法則通過加強預約束及預加固措施來保證隧道圍巖處于彈性變形范圍內(nèi)，并采用全斷面機械化的開挖方式進行隧道掘進。

3.4推廣應用新意法的幾點建議

新意法大斷面軟弱圍巖隧道全斷面機械化施工具有廣泛的適用性、可靠性以及很好的應用前景，要填補國內(nèi)在這方面的研究空白，實現(xiàn)其應用推廣需做好以下幾個方面的工作。

（1）隧道施工的機械化是大勢所趨，雖然現(xiàn)階段中國隧道施工仍是以基于新奧法的中小型機械施工為主，但隨著社會的發(fā)展，大跨度軟弱圍巖隧道全斷面機械化施工必將成為國內(nèi)隧道施工的一個重要研究方向。因此，盡快進行相關研究是十分必要的。（2）新意法為大跨度軟弱圍巖隧道全斷面施工提供了堅實的理論基礎，提出一套基于新意法的軟弱￡巖隧道全斷面開挖的設計、施工、監(jiān)控量測和管理措施方案，對提高中國隧道施工的機械化水平、改善隧道施工環(huán)境、完善隧道設計施工體系具有重大的意義。

（3） 大斷面軟弱圍巖隧道全斷面施工需要大型機械設備和相關儀器設備（如預切槽機等）的支持，因此引進和研發(fā)相關機械設備和儀器是當前亟待解決的問題。

（4） 新意法與新奧法在工藝及設計理念上不盡相同，因此應用此方法時在隧道初期支護、仰供、二次襯砌的受力問題上應開展專門研究。

（5） 掌子面-超前核心土的強度和穩(wěn)定性控制及監(jiān)控是新意法的關鍵所在，除文中介紹的相關措施外，著力尋找和論證更多廉價可靠的控制對策，能夠為新意法在國內(nèi)的推廣起到關鍵作用。

（6） 新意法有著先進的設計施工理念，然而結合當下國內(nèi)的實際情況，完全照搬其設計施工方法進行推廣具有很大的阻力。因此，在引進、學習、吸收和消化的基礎上進行再創(chuàng)新，總結出一套適合中國基本國情的大跨度軟弱圍巖全斷面機械化設計施工體系是所有從業(yè)者共同的責任和使命。

4結語

隧道工程的難易程度取決于設計和施工人員對圍巖原有自然平衡狀態(tài)的了解程度，并基于此采取正確的設計方法和合適的開挖工法及穩(wěn)固措施。

新意法的出現(xiàn)使人們更加注重隧道開挖過程的三維力學行為，并逐漸認識到隧道開挖后變形反應的真正原因?；谛乱夥ǖ娜珨嗝嫠淼朗┕し椒樗淼朗┕C械化發(fā)展提出了新的思路，全面研究新意法的基本理論，學習其在施工方法上的各項創(chuàng)新，并結合中國具體國情對其進行發(fā)展和改進，必然能夠為中國隧道建設帶來新的革命。

參考文獻、

王夢恕?21世紀我國隧道及地下空間發(fā)展的探討[J].鐵道科學與工程學報，2004，1（1）、7-9.

PietroL