控制巖土變形的分析法與新奧法的比較

為了?2014?年在索契舉辦冬奧會，俄羅斯進行了大量投資，改善索契交通網的基礎設施，修建新的索契高速公路，即著名的庫洛特大街替代方案，它與黑海海岸線平行，從地下通過索契市區，直達奧運場館和阿德爾機場。這項總長?16??km?的新干線工程，包括修建?8?對（16?區段）單孔隧道，以及明挖段、路堤和橋梁。

由于地層特性和工期緊迫引起的困難，俄羅斯決定在?T8、T8a?隧道設計和施工中采用生產率高、風險性小的“控制巖土變形的分析法（以下簡稱?ADECORS?法）”。這?2?個隧道長度最長，情況也最復雜。該方法被認為是修建意大利博洛尼亞—佛羅倫薩新高速鐵路期間開挖隧道最可靠的方法，并且曾用這個方法開挖地層同索契相類似的隧道?100??km?以上。人們對T8、T8a?隧道之所以感興趣，是因為在同一高速公路上其他隧道（盡管隧道較短、困難較小）均采用新奧法（NATM）開挖，新奧法在俄羅斯隧道施工中已積累了經驗，并享有盛譽。因此，作者首次基于實際數據對?2?種施工方法進行比較。

1 隧道開挖方法

這條索契高速公路提供上下行的雙洞平行隧道，每一隧道內有?2?個車道，設計速度為?120??km/h，需要開挖一系列隧道（圖?1）。T8、T8a?隧道采用?ADECO-RS?法全斷面開挖，除了因為它的長度比其他隧道長以外，還因為它的橫斷面較大（120～220??m2）。在北洞口（滑坡區）的隧道橫斷面為?220??m2，隧道埋深淺。這里還是新老公路的交匯點。其他隧道采用?NATM?多臺階開挖（圖?2）。

圖1 索契高速公路采用不同開挖方法的隧道段

圖2 T8、T8a 隧道開挖斷面120～220m2，其他隧道開挖斷面113～115m2（單位：mm）

2 地質條件

索契位于高加索山脈的西坡，山脈在黑海與里海之間大約?1??100～1??200??km?的范圍內展開。高加索山系大約在?2??500?萬年以前的新生代形成，是阿拉伯板塊與歐洲板塊相撞的結果。在這一背景下，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叢生。

正如地質縱剖面圖?3?所示，T8、T8a?隧道穿過索契構造帶（由黏土巖、粉質黏土組成）和瑪瑪伊構造帶（由泥灰巖、厚砂頁巖夾層、鱗狀結構組成），這?2?個構造帶受斷層切割形成交錯互層。值得注意的是，崩塌的、殘積的沉積物在隧道洞口附近和淺埋段聚合，形成活躍的滑坡區。

圖3 城區地下的T8、T8a隧道和地質縱剖面

3 T8、T8a 隧道的設計

根據?ADECO-RS?法的預測，T8、T8a?隧道將在全長不穩定的條件下，即核心工作面不穩定的條件下進行開挖。通常“核心工作面”全斷面開挖必須采取防護和加固措施，并使隧道二次襯砌仰拱離工作面保持小于隧道1?倍直徑的距離（圖?4）。

圖4 在超前周邊外輪廓和在核心斷面采取穩定措施的隧道典型斷面（單位：m）

采用ADECO-RS?法施工，在所有情況下，對核心工作面采取了持續的穩定措施，產生了足夠大的水平應力。在可能產生滑坡的北洞口，采用帶有仰拱的C2W?斷面型式限制變形的發展。隧道的其他斷面沿核心斷面周邊采用玻璃纖維結構加固防護，沿核心斷面外輪廓通過設有袖閥管的玻璃纖維結構進行注漿。圖?5?展示采取穩定措施開挖的隧道斷面。

圖5 采取穩定措施建成的隧道斷面

4 T8、T8a隧道的生產率

由于施工對建筑材料的需求量極大，加之寒冬的氣候條件給海運造成的困難，給高度工業化的?ADECO-RS法的有效利用增加了麻煩。盡管如此，T8、T8a?隧道的開挖速度仍達到?40～90??m/月。唯有在北洞口滑坡體下面采用的是大斷面，開挖速度僅為?20??m/月，這是個例外。雖然遇到的困難很多，但由于采用?ADECO-RS法逐步取得了經驗，同時加強了組織管理，開挖生產率很快達到預期值。

5 控制巖土變形的分析法（ADECO-RS）與新奧法（NATM）兩種方法的比較

5.1 巖石開挖量、成洞長度和隧道穩定時間

將?T8、T8a??隧道（ADECO-RS）每月、每工作面的巖石開挖量和成洞長度，與?T7、T7a，…，T3、T3a隧道（NATM）的相應值進行對比。ADECO-RS?的每月、每工作面的巖石開挖量是?NATM?的?2.26?倍；ADECORS?的每月、每工作面的成洞長度是?NATM?的?1.59?倍。還必須指出的是，對于隧道的單個工作循環來說，從工作面破土到完成二次襯砌，即達到隧道完全穩定的時間，ADECO-RS?只需要?3?周的時間，而?NATM?則需要至少?10?周，甚至更多。

5.2 成本

一般來說，在困難條件下隧道采用ADECO-RS?法進行全斷面開挖，需要對核心斷面采取穩定措施，成本較高。然而，在索契的經驗表明：NATM?成本更高，因NATM?使用的人力比?ADECO-RS?多，且多數采用的是小型機械，而?ADECO-RS?采用少量的大功率機械。再者，考慮?ADECO-RS?的生產率明顯比?NATM?高出?30%，這是施工組織的直接結果，這意味著工期將可縮短。如果考慮隧道施工的工業化，ADECO-RS?在降低成本方面將有更大的優勢。

5.3 安全

雖然俄羅斯的施工企業和設計人員在應用?NATM?方面的經驗多于?ADECO-RS，但首次采用?ADECO-RS?進行隧道全斷面開挖非常順利，未發生任何事故。采用NATM?進行斷面分部開挖，曾發生過一些工人受傷的事故。由于?ADECO-RS?全斷面推進可以獲得較大的工作空間，容許開挖全部機械化，實際上完全避免了在工作面出現沒有防護的工人。另一個原因是從開挖到施作初期支護到完成二次襯砌的時間很短，可以避免應力發展到隧道嚴重不穩定狀態。當然，連續觀測前方核心斷面的應力應變狀態，防患于未然是極為重要的。

6 小結

ADECO-RS?設計和施工方法的特點：隧道工程師的主要關注點是，地層對開挖作用的變形反應。在設計階段，采用各種手段（足尺的和實驗室試驗、數學模型等）對變形反應進行分析和預測，此后在施工階段采取適當的穩定措施加以控制。

通過對?ADECO-RS?與?NATM?兩種方法在相同條件下的比較表明，ADECO-RS?法在困難的地質條件下，伴隨著核心斷面的穩定進行全斷面開挖，表現出許多優點：達到相當高的生產率，實現了施工工業化，縮短工期，減少勞動力，創造更安全的施工環境。

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