基于新意法理念的隧道施工方法研究

武超毅，孫家軍

（1.湖北望新建設有限公司，湖北 荊州；2.長江大學 城市建設學院，湖北 荊州）

引言

新意法，也稱巖石控制變形分析（ADECO-RS）法。20 世紀70 年代，意大利Pietro Lunardi 教授首次通過三維空間研究開挖隧道過程中所產生的變形，擺脫了先前只考慮掘進平面變形反應的傳統思維。并結合大量理論研究以及現場試驗，逐步創立了著名的ADECO-RS 法。幾十年來，該方法廣泛應用于歐洲的隧道建設領域[1-2]，并于21 世紀初引入我國，促進了我國鐵路隧道施工技術的進步。與傳統隧道施工方法相比，新意法具有諸多優勢，我國許多隧道施工項目都涉及到了該方法，并取得了優異效果[3-5]，同時也有諸多學者對新意法的理論進行了完善補充[6-8]。本文通過系統論述新意法原理和設計施工流程，對比其與傳統隧道施工工法之間的區別，表現新意法在隧道施工領域的優異之處。

1 新意法基本原理

新意法將地層視作支護結構的一部分，認為其在隧道施工過程中發揮著重要作用。其設計理念主張控制圍巖的變形及掌子面前圍巖介質的加固和超前支護，監測和控制掌子面前方的圍巖介質、并采用相關施工設備進行機械化作業，從而實現全斷面施工。

1.1 拱部效應

在掘進過程中，隧道周邊和前方一定范圍內圍巖會產生擾動變形，掌子面應力逐漸減小。圍巖從三軸應力狀態逐漸變為平面應力狀態（σ3=0）。圍巖原始應力將沿著隧道的輪廓形成“拱部效應”，如圖1 所示，并沿隧道形成應力增加帶，其能否形成直接影響著隧道的整體穩定性及使用年限。同時按應力大小、地層的強度和變形特性，可將拱部效應分為以下三種形式：

圖1 拱部效應示意圖

（1） 自然拱部效應：隨著掌子面應力狀態的逐漸減小，隧道掌子面前方圍巖應力狀態處于彈性范圍內，即圖2 中Ⅰ階段。“拱部效應”產生在開挖輪廓線的附近，此時隧道邊墻及掌子面變形較小（或可忽略），開挖面處于穩定狀態，如圖3a 所示。

圖2 圍巖應力- 應變曲線

（2） 轉移拱部效應：隨著掌子面應力狀態的逐漸減小，隧道掌子面前方圍巖應力狀態處于彈- 塑性范圍內，即圖2 中Ⅱ階段。此時隧道結構將產生彈-塑性變形，能夠在短期內維持穩定狀態。如不采取措施，隧道結構將從隧道邊墻及掌子面向內部產生塑性變形，“拱部效應”從開挖輪廓線附近朝外轉移到圍巖中，如圖3b 所示。只有通過采用足夠的支護措施，才能夠對“拱部效應”的“轉移”進行控制，使隧道結構保持長期的穩定性。

（3） 無拱部效應：隨著掌子面應力狀態的逐漸減小，隧道掌子面前方圍巖應力狀態處于破壞滑移狀態，即圖2 中Ⅲ階段。圍巖極度不穩定，將產生大變形，“拱部效應”無法自然形成，如圖3c 所示。這種變形現象是無法接受的，對工程的安全生產存在極大隱患，必須通過人工支護手段協助粘結力差的松散地層形成“拱部效應”。

“拱部效應”決定隧道的穩定性，可以判斷隧道結構處于長期或短期穩定狀態，并對是否采用支護措施提供依據。其重點關注的是隧道掌子面的變形，而非整個隧道。在開挖過程中，隧道的變形反應較為復雜，需對變形反應進行全面定義。

1.2 介質的變形反應

為對開挖過程中隧道介質的變形反應進行全面定義，現對以下術語進行解釋：

（1） 超前核心土:位于隧道掌子面前方，呈圓柱狀的一定體積土體，其直徑大致為隧道的直徑。

（2） 掌子面擠出變形: 主要發生在超前核心土內，沿掌子面水平軸線方向產生，表現為呈軸對稱的掌子面鼓出或在掌子面形成螺旋狀擠出，是隧道開挖產生變形反應的主要表現形式。

（3） 隧道預收斂:超前核心土理論輪廓線的收斂變形，完全取決于超前核心士強度及變形特性。

新奧法提出隧道的整體變形反應由掌子面擠出變形、隧道預收斂和隧道收斂所組成，如圖4 所示。同時提出發生變形反應的真正誘因是掌子面前方的超前核心土，其與隧道預收斂和隧道收斂之間存在緊密聯系，隧道的變形總是掌子面前方超前核心土變形所引起的結果。

圖4 隧道整體變形組成

1.3 隧道變形類型

通過預測隧道掌子面超前核心土的穩定，可通過分析開挖后圍巖的穩定狀態（穩定、暫時穩定和不穩定），將隧道變形類型劃分為A、B、C 三種類型，以此可作為設計支護措施和全斷面動態設計施工的指導原則。將三種類型與“拱部效應”和“介質變形反應”相關聯，列出新意法隧道穩定類型的分類標準，見表1。

表1 新意法隧道穩定類型分類標準

2 新意法設計施工

新意法的設計施工步驟主要包括設計階段和施工階段兩部分，其中設計階段包括勘察、診斷和處治三個階段，施工階段包括實施和監測兩個階段，以下對各階段進行系統闡述。

（1） 勘察階段：通過各種勘察手段確定受開挖影響范圍內地層介質的巖土力學性質，該階段對分析自然平衡狀態以及下階段的順利進行不可或缺。

（2） 診斷階段：運用勘察階段所收集到的信息，通過數學方法以及數值模擬等手段預測超前核心土的穩定性，將隧道變形按上述A、B、C 三種類型分類。

（3） 處治階段：依據診斷階段的分類預測，根據地層介質的變形類型選擇何種支護加固措施（超前約束措施或約束措施），使隧道處于穩定狀態。

（4） 實施階段：根據設計階段的預測結果，開展支護作業，采取的支護加固措施要符合工程實際，適應巖體的變形反應。對于軟弱地層介質，需進行超前加固后進行全斷面開挖。

（5） 監測階段：該階段旨在驗證診斷和處治兩階段預測的準確性，并調整設計參數，以保證掌子面加固強度與隧道巖壁強度達到平衡。需要在隧道的整個使用年限內都進行檢測，保證其安全狀態。

3 新意法的優點

與傳統隧道施工工法相比，新意法最顯著的優勢在于重視超前核心土的控制，將其作為維護隧道穩定的重要工具，突出機械化全斷面均率開挖的理念。全斷面施工對于現場的管理相當有利，并且能夠減少傳統工法（如臺階法、CD、CRD 等）所所需的施工步驟，從而達到縮短時間進度及節省費用開支的目的。

除此以外，新意法還存在以下優點：

（1） 能夠保持施工現場的清潔，即使在施工環境較為復雜的掌子面處依舊可行，并且可保證安全施工。

（2） 僅通過一種設備就可解決不同類型的地層開挖，具有高度的靈活性。

（3） 可以在設計階段均較為精確地預測完成時間，做到保證工期。

（4） 強調對隧道預收斂變形以及巖壁收斂變形的量測，能及時反饋動態設計參數的調整，從而及時優化施工方案。

4 結論

（1） 新意法（巖石控制變形分析法）打破傳統思維模式，首次將隧道開挖這一動態過程中的變形反應在三維空間內研究，并將地層介質視作“施工材料”，將其作為支護結構的一部分，這種隧道施工理念有其獨到先進之處，建立了一種全新的處理地下工程問題的框架。

（2） 相較于傳統隧道施工工法，新意法所具有優勢較為明顯，強調超前核心土這一保持隧道穩定性的重要工具，通過控制超前核心土的剛度就可以控制掌子面和隧道巖壁的變形反應。同時還具有可維持現場潔凈、具有高靈活性、精準預測工期和能及時優化調整等一系列優點。

（3） 新意法已有較長應用歷史，有較為成熟的理論基礎和豐富的工程實際經驗積累，其在意大利等歐洲國家已取得廣泛應用。如今新意法在我國隧道建設中的應用并不廣泛，研究與試驗皆處于起步階段，仍有諸多問題需要解決。而我國現階段處于高速發展時期，將涉及諸多隧道工程的建設，新意法的推廣與完善將對我國將來控制施工成本、縮短工程周期、解決工程難題有莫大幫助。