新意法概述及其應用建議

李開慶 唐天龍

(1.中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東濟南 250000;2.中交二航局第三工程有限公司，江蘇鎮江 212050)

新意法(NITM)即 New Italian Tunneling Method，是20世紀70年代中期意大利的Pietro Lunardi教授在研究圍巖壓力拱理論和新奧法理論的基礎上，通過對上百座隧道的理論分析和現場試驗所創立［1］。其強調利用掌子面—超前核心土的穩定性來控制隧道變形，并以此為基礎對施工方法進行選擇。

該工法被意大利公路及鐵路領域廣泛采用并納入規范，且在歐洲許多國家的大型隧道施工項目中得到應用，如羅馬外環高速公路Appia Antica隧道［2］等。其應用于國內的臥龍隧道［3］、瀏陽河隧道［4］、桃樹坪隧道［5］等并取得了預期的施工效果。

1 新意法核心思想

新意法將隧道的變形分成三種:收斂變形、預收斂變形和超前核心土的擠出變形，其變形如圖1所示。

圖1 新意法變形圖

通過現場測試和實驗研究證明，超前核心土的強度和變形特性對隧道的長期和短期穩定起著決定性作用，隧道施工中可把超前核心土視作一種新的控制隧道圍巖變形的工具［6］。由此得出了以下結論，也是新意法的核心思想:

1)超前核心土的變形特性對所有隧道變形的發生發展起著關鍵性作用，而隧道塌方一般是由超前核心土的滑動引起，因此可以通過改變或控制超前核心土的變形特性來對隧道變形進行調整。2)超前核心土的變形特性取決于其自身的剛度和強度，因此可以通過調節超前核心土強度和剛度來控制隧道變形(主要是收斂變形)，從而保證隧道的長期穩定。

2 新意法工作流程

新意法強調對超前核心土的保護和利用，重視地質勘察、理論分析和方法比選，要求動態的監控量測反分析。其主要分為勘察階段、診斷階段、處治階段、實施階段和監測階段，流程如圖2所示。

圖2 新意法流程圖

2.1 勘察階段

勘察階段是在現場利用既有的技術資源對隧道穿越地層進行調查、分析和判釋的階段。其獲取的信息資料將為以后的設計工作提供必要條件，因此，詳細可靠的實地勘察工作是必不可少的。該階段常采用表面勘察查勘、深度勘察和導洞勘察等方式，以充分獲取巖土體的應力狀態、物理特性和強度等參數，并應以量化或半量化的形式表現。

2.2 診斷階段

新意法將掌子面—超前核心土的穩定性作為隧道變形行為的參考條件，并根據其三種基本應力—應變狀態把隧道變形分為三種基本類型:A類(掌子面—超前核心土穩定)、B類(掌子面—超前核心土短期穩定)和C類(掌子面—超前核心土不穩定)。

根據勘察階段所獲取的相關參數，采用可行的解析或數值計算系統對無加固措施情況下的隧道開挖變形行為進行預測，依變形響應情況將其分成不同類別，如表1所示。

表1 隧道變形分類表

為便于后期分段處治和實施支護參數設計，常以相同的應力 應變行為將隧道線路劃分為不同區段，其效果如圖3所示。

圖3 隧道區段劃分圖

確定好分類標準，針對具體隧道需采用實驗室試驗、軟件數值模擬和現場測試等手段對掌子面的擠出變形Ex和約束反力Pi的關系做出歸納并繪制成曲線，據此初步判定圍巖類別并指導后續工作。以擠出試驗為例，典型超前核心土變形響應與圍巖類別關系見圖4。

圖4 圍巖類別判釋圖

2.3 處治階段

該階段的主要任務是在對隧道開挖產生可能變形類型和大小進行預測的基礎上，根據既有的施工機具和加固手段確定施工和支護參數。針對診斷階段確定的圍巖類別，分別選擇不同的支護形式:A類可采用常規支護方式;B類可根據隧道掘進速度在預支護和常規支護之間選擇;C類除常規支護外，需采用加強型支護。

新意法強調的是對超前核心土的保護，常采用玻璃纖維錨桿加固超前核心土。不同圍巖類別中其錨桿密度、錨桿長度以及搭接長度不盡相同。此外，隧道的開挖步驟、開挖步長、斷面形狀、掘進速度、開挖系統等因素也對支護參數的設計有一定影響。

這個階段所選擇的支護措施還是比較粗糙的，而且需對其實施效果進行驗算，即通過相關的計算方法進行有效性驗證。在正式施工后需根據動態監測反饋設計，對支護參數提出修改和變更。

該階段還需完成的一項重要任務就是根據診斷階段的分析工作事先制定監控程序，以系統比較預測的變形反應和實際發生的變形。

2.4 實施階段

按照新意法的理論，對掌子面穩定的圍巖，可按照常規施工方法進行;對掌子面不能保持穩定的圍巖，需要對超前核心土采取預加固措施。此外，需按照處治階段設計要求安設監控設備。根據超前核心土的擠出變形和預收斂變形判斷圍巖變形反應，分析預加固措施的有效性，進而確定隧道開挖進尺、掘進速度以及下一循環支護措施的施作時間等。

在斷面形式的選擇上，新意法要求盡量采用全斷面開挖，不能采用全斷面的圍巖要采取預加固和加固措施創造有利條件。因為全斷面開挖可減少對圍巖的擾動次數、提高施工效率，及時封閉襯砌及早發揮支護效果，從而限制圍巖收斂變形。

2.5 監測階段

理論上講，監測階段與實施階段是同時開始的。該階段是對診斷階段和處治階段所預測的圍巖變形反應的準確性進行檢驗，也可驗證實施階段所采用的干預措施的正確性及施工作業是否符合設計規范，同時以實時監控反饋設計，優化干預措施及其強度、精細調整隧道掘進速率和開挖步驟。

施工階段的監測主要包括掌子面擠出變形量測、預收斂量測和收斂量測，根據埋深不同可能會增加量測深度范圍。在具體監測過程中，常用到滑動式縱向測微計、桿式分層徑向變形計和條帶式變形計等設備［7］。

針對某些具有重要意義或特殊功能的隧道，應建立長期系統的監測以保證隧道施工后在其使用壽命周期內的安全穩定。

3 新意法與新奧法的比較

通過大量試驗研究、計算分析及現場驗證，新意法提出了自有的理論框架和工程措施。其與新奧法的區別主要體現在以下幾點［1，7-9］:1)對隧道靜力學分析模式不同。新意法強調對隧道超前核心土的變形進行分析和控制，將隧道周邊圍巖的力學行為視作三維狀態，關注隧道在縱向的變形影響，而新奧法將隧道近似看作平面問題，只關注收斂變形，主要強調徑向支護措施的作用效果。2)對隧道變形反饋數據的利用度不同。新意法的處治階段和實施階段各參數都要受到監測數據的影響，以彌補勘察階段的認識不足。新奧法主要是對掌子面后方的收斂變形進行監測，判斷圍巖收斂與否并確定二襯施作時間，但信息化施工程度不夠。此外，隧道收斂變形的監測工作實施困難，且其滯后性的缺陷也難以克服。而超前核心土的擠出變形和預收斂變形有較強的預見性，采用既有設備進行監測可做到信息化施工。3)對隧道變形的響應不同。新意法多采取預加固措施，主動限制圍巖的預收斂和收斂變形，同時要求仰拱緊跟掌子面、支護及早封閉等，是“主動”式支護。新奧法一般是待圍巖變形收斂才施作二次襯砌，強調發揮圍巖的自承能力，是一種“被動”式支護。4)對隧道開挖方式要求不同。新意法主張全斷面、快施工，針對軟弱巖層采用預加固措施改良圍巖特性，創造條件使用大斷面甚至全斷面;而新奧法使用較多的是臺階法等分步開挖方式。5)對隧道修建過程中各環節的側重不同。新意法的設計環節包括勘察階段、診斷階段和處治階段，施工環節包括實施階段和監測階段，其對設計環節投入較多以保證施工環節的順利進行，而新奧法應用到復雜地層時，施工環節易耗費較多工期和人物財力。

4 新意法的優點

1)新意法具有更廣的應用范圍。由于強調了對隧道超前核心土的加固和保護，并在設計施工中采取了相應的強度和剛度控制措施，新意法能更好地解決軟弱圍巖、膨脹性擠壓地層等新奧法無法施工或很難施工的復雜地段的施工難題。2)在復雜地質條件下新意法具有較快的施工進度。對超前核心土采取預加固措施后，為大型機械化作業提供了便利條件，采用大斷面甚至全斷面施工后提高了施工進度。3)新意法的造價和工期具有可控性。由于新意法的設計環節做了大量工作，巖層特性分析和措施處理較充分，保證了后續施工的可持續性，因而可以較準確地預計工期和總造價，也避免了由工期等問題引發的糾紛。4)新意法具有更高的安全性。對超前核心土的監控和加固、仰拱緊跟掌子面等措施的應用可以減少一些地質災害(塌方等)的發生。5)新意法可以降低隧道后期維護成本。新意法強調利用超前核心土來限制圍巖的預收斂，使得原巖應力重分布的波及范圍及塑性區范圍減小，更好地保持了原巖狀態，減小運營期隧道病害發生的可能性，可以降低后期維護成本。

5 建議與展望

國內對新意法的研究尚處于起步階段，同時受機械化程度低等條件限制，我們對新意法的實際應用不能照搬國外做法，應結合我國實際情況探索新意法中國化的發展道路。在探索的過程中，我們主要應解決以下幾方面的問題:

1)著力培養技術人才。目前國內施工技術人員對新意法的理論認知還不夠詳細，相關資料的獲取有一點困難。在今后工程實例中，應更多地將新意法理念運用到相應隧道設計施工過程中，著力培養一批掌握新意法核心理念的專業人才。

2)加快施工機械自主研發。新意法的高效率是依托雙臂管棚鉆機、全斷面鋼拱架架設機、混凝土自動噴射機等配套設備。我們要對國外先進施工工藝和設備通過引進、消化、吸收、創新，逐步更新自己的施工機械。

3)建立隧道施工案例數據庫。隨著新意法隧道施工實例的增加，應收錄典型工程形成案例數據庫，為以后設計施工提供借鑒。

隨著我國經濟的快速發展，將會修建越來越多的穿越復雜軟弱地層的隧道，特別是客專的雙線大斷面隧道。新意法在國外復雜隧道施工中的成功案例，為我們解決此類問題提供了參考，可以預見新意法將逐步得到推廣并發揮積極作用。與既有施工方法整合過程中，我們應致力于尋求一條融合新意法核心理念和既有設計施工體系的道路，逐步探索新意法在國內的應用和推廣。

［1］ 朱平安，楊龍偉.談巖土控制變形分析法［J］.山西建筑，2012，38(17):75-77.

［2］ 翟進營，楊會軍，王莉莉.“新意法”在國外隧道工程中的應用［J］.隧道建設，2008，28(4):469-475.

［3］ 李玉平.新意法在黃土隧道工程中的應用［J］.山西建筑，2010，36(11):318-320.

［4］ 曠文濤，漆泰岳，周 捷，等.新意法在瀏陽河隧道施工中的應用［J］.公路隧道，2010，69(1):18-21.

［5］ 關寶樹，趙 勇.軟弱圍巖隧道施工技術［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［6］ Pietro Lunardi.隧道設計與施工——巖土控制變形分析法(ADECO-RS)［M］.北京:中國鐵道出版社，2011.

［7］ 翟進營，楊會軍，王莉莉.新意法隧道設計施工概述［J］.隧道建設，2008，28(1):46-50.

［8］ 王朝國.隧道失穩機理與雙層鋼拱架支護動力分析［D］.長春:吉林大學，2012.

［9］ 王正松，孫鐵成，高 波.全斷面預加固隧道施工工法(新意法)［J］.鐵道標準設計，2007(sup1):170-172.