淺談新意法隧道施工理念及主要施工方法

宋 迪

(遼寧省交通建設管理有限責任公司 沈陽市 110000)

新意法(NITM)即New Italian Tunneling Method，是40多年前意大利的Pietro Lunardi 教授在圍巖壓力拱理論及新奧法理論研究的基礎上，通過數百座隧道的結構分析和研究逐步創建出的巖土控制變形分析(ADECO-RS)法，它強調通過調節超前核心土的穩定性來控制隧道變形。該工法被意大利公路、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[1]。國內的臥龍隧道口、瀏陽河隧道、桃樹坪隧道等對新意法的部分要素進行了嘗試，并取得了不錯的效果[2]。

1 新意法概述

1.1 幾個重點概念的介紹

(1)超前核心土：隧道掌子面前方，范圍大致等于隧道直徑的圓柱形土體。

(2)掌子面擠出變形：隧道開挖時因超前核心土變形，產生的掌子面鼓出等變形現象。

(3)隧道預收斂：超前核心土外輪廓圍巖的收斂變形，取決于超前核心土的變形特性。

1.2 新意法核心理念

新意法認為隧道圍巖的變形分為收斂變形、預收斂變形及掌子面擠出變形，如圖1。因預收斂變形及掌子面擠出變形均取決于超前核心土的強度及變形特性，進而得出超前核心土的特性對整個隧道的圍巖變形起關鍵作用。新意法通過對隧道掌子面超前核心土巖體結構特性、巖體堅硬程度等特征判定將超前核心土穩定類型分為A、B、C三類，并將每種穩定類型與隧道整體變形情況對應關聯,見表1。

圖1 隧道圍巖變形種類

當預測判定超前核心土為不穩定類型時，為了確保隧道安全穿越復雜地層，可以通過輔助手段將超前核心土加固至穩定類型，甚至依賴超前核心土，將其視為控制隧道圍巖變形和穩定的重要工具，即提高超前核心土的剛度和強度就能夠調整圍巖預收斂及掌子面擠出變形的程度，達到圍巖穩定的目的。

1.3 新意法的工作內容

新意法主要分為勘察階段、診斷階段、處治階段、實施階段及監測階段。

(1)勘察階段：采用既有技術對隧道線路地質進行調查、收集，充分獲取巖體物理性質、應力狀態等所需資料，為后續工作奠定基礎。

(2)診斷階段：根據勘察階段數據，通過數值模擬、有限元分析等方法，依據既定劃分標準將超前核心土及隧道圍巖穩定情況分類。

(3)處治階段：根據診斷類別，針對既有施工機具及加固手段確定施工方案及支護方法和參數。新意法提倡對超前核心土不穩定狀況采取預加固措施。

(4)實施階段：按處治方案施工，并按設計要求安裝監控設備，根據監控數據，可對施工方案及支護參數等進行動態調整。

(5)監測階段：按設計對掌子面擠出變形量、圍巖收斂變形量進行監測，實時向設計反饋，優化隧道施工方案。

2 新意法與新奧法比較

2.1 新奧法特點

新奧法是目前山嶺隧道施工最常用的方法。它的主要理念是最大限度地保護隧道圍巖，充分發揮圍巖的自支撐能力；當判定圍巖狀態不穩定時，所采取的噴錨、鋼拱架等輔助初期支護措施都視為與圍巖共同抵抗變形；同時新奧法同樣強調監控量測的實施及作用，通過對隧道拱頂沉降、周邊收斂等監測來判定隧洞的實際狀態。

2.2 新意法與新奧法比較

新意法與新奧法相比較，其實兩種方法并不矛盾，新意法可以看做新奧法的發展及延伸。很多新奧法的理論新意法也是支持和贊同的，只是新意法更側重超前核心土對圍巖穩定的影響，而新奧法對這一部分卻完全忽視了。從空間上來看，新意法能夠在三維空間做足功課，而新奧法大多還在平面上解決問題。同時，新意法提倡預支護后采用全斷面施工來避免對圍巖的多次擾動，而新奧法為了適應各種圍巖情況需要采用臺階法、CD或CRD等等分部施工方法，從工程工期和造價上來說，新意法均比新奧法更加容易控制，兩種方法的比較詳見表2。

3 新意法隧道掌子面預支護的主要方法

3.1 三種穩定狀態超前核心土的預支護方法

新意法在處治階段會根據勘察及診斷得出的超前核心土類別選擇不同的預支護方式。對于A類掌子面長期穩定的狀態，會采用與新奧法類似的洞身噴錨支護，及時對洞身圍巖進行封閉，防止圍巖弱化、掉塊等；對于B類掌子面短期穩定的狀態，會結合具體的施工速度，除采用上述洞身支護外，對超前核心土會采用掌子面噴錨支護或玻璃纖維錨桿全斷面預加固支護，使超前核心土B類狀態轉化為A類狀態，達到掌子面長期穩定的狀態；對于C類掌子面即將坍塌的狀態，因應變失效，超前核心土區域無法形成拱效應，需要在超前核心土上部區域及核心土區域進行預加固，一般上部區域可采用管棚、水平旋噴樁等支護方式，核心土區域采取玻璃纖維錨桿全斷面支護方式，下面重點介紹一下玻璃纖維錨桿及水平旋噴樁預加固措施。

3.2 玻璃纖維錨桿加固

(1)加固原理：在隧道掌子面上按設計參數鉆些分布均勻且與隧道軸線平行的孔道，向孔內插入玻璃纖維并進行注漿，漿液固結后玻璃纖維組將對超前核心土提供約束反力，可以對核心土區域形成改良及強化。采用玻璃纖維材料是該項技術成功應用的關鍵，因為超前核心土區域既是待加固區域，還是待挖除區域，如果采用錨桿、超前導管等方式進行加固會對下一步開挖帶來很大的困難，甚至難以實現。玻璃纖維材料有極高的強度和及大的脆性，在土方開挖時容易被切割，當開挖掌子面后的剩余加固長度不能足以對超前核心土區域提供足夠約束時，再進行新一循環玻璃纖維布設。

(2)設計參數：主要包括長度、密度、規格、搭接長度、橫截面積以及待加固的幾何區域等。

3.3 水平旋噴樁加固

3.3.1加固原理

采用水平定向鉆機鉆孔，鉆至設計深度后，邊回撤鉆桿邊通過高壓泵將配好的漿液噴射至孔內及孔周一定范圍的土體中，通過噴嘴旋轉切割土體，使土體及漿液攪拌均勻，待漿液固結，即形成圓柱狀水泥沙土固結體即水平旋噴樁，當旋噴樁咬合成拱后便形成超前核心土外圍的加固拱棚，能起到承擔隧道預收斂變形及防滲漏等作用。

3.3.2設計參數

設計參數主要包括樁徑、樁長、相鄰咬合厚度、前后搭接長度及外插角等。

3.3.3主要施工機械及施工要求

(1)水平旋噴機，要求鉆機設備根據巖體進行配套選型，確保鉆機轉速、頂進力和扭矩滿足成樁要求。

(2)高壓注漿泵,需選用壓力達標并能進行流量控制的機型。

(3)因旋噴樁注漿壓力較大，實施水平旋噴樁的掌子面需進行噴混凝土封堵，封堵厚度在20cm以上。

(4)為滿足旋噴樁施作空間，需距離掌子面10m開始延隧道輪廓線外擴80cm左右空間，便于搭設施工平臺。

4 結語

目前，我國對新意法隧道施工理念的研究和應用尚處于起步階段，受機械化程度等的限制將新意法技術迅速進行推廣也很難實現。但新意法對超前核心土的認識及應用應受到廣大隧道設計、施工技術人員的關注和重視，能否將新意法元素合理地融合至已有隧道設計施工理念中，是當前的主要工作。