宋 迪

(遼寧省交通建設(shè)管理有限責(zé)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(chǔ)上，通過數(shù)百座隧道的結(jié)構(gòu)分析和研究逐步創(chuàng)建出的巖土控制變形分析(ADECO-RS)法，它強(qiáng)調(diào)通過調(diào)節(jié)超前核心土的穩(wěn)定性來控制隧道變形。該工法被意大利公路、鐵路領(lǐng)域廣泛采用并納入規(guī)范，且在歐洲許多國(guó)家的大型隧道施工項(xiàng)目中得到應(yīng)用[1]。國(guó)內(nèi)的臥龍隧道口、瀏陽河隧道、桃樹坪隧道等對(duì)新意法的部分要素進(jìn)行了嘗試，并取得了不錯(cuò)的效果[2]。

1 新意法概述

1.1 幾個(gè)重點(diǎn)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(shí)因超前核心土變形，產(chǎn)生的掌子面鼓出等變形現(xiàn)象。

(3)隧道預(yù)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(rèn)為隧道圍巖的變形分為收斂變形、預(yù)收斂變形及掌子面擠出變形，如圖1。因預(yù)收斂變形及掌子面擠出變形均取決于超前核心土的強(qiáng)度及變形特性，進(jìn)而得出超前核心土的特性對(duì)整個(gè)隧道的圍巖變形起關(guān)鍵作用。新意法通過對(duì)隧道掌子面超前核心土巖體結(jié)構(gòu)特性、巖體堅(jiān)硬程度等特征判定將超前核心土穩(wěn)定類型分為A、B、C三類，并將每種穩(wěn)定類型與隧道整體變形情況對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián),見表1。

圖1 隧道圍巖變形種類

當(dāng)預(yù)測(cè)判定超前核心土為不穩(wěn)定類型時(shí)，為了確保隧道安全穿越復(fù)雜地層，可以通過輔助手段將超前核心土加固至穩(wěn)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(wěn)定的重要工具，即提高超前核心土的剛度和強(qiáng)度就能夠調(diào)整圍巖預(yù)收斂及掌子面擠出變形的程度，達(dá)到圍巖穩(wěn)定的目的。

1.3 新意法的工作內(nèi)容

新意法主要分為勘察階段、診斷階段、處治階段、實(shí)施階段及監(jiān)測(cè)階段。

(1)勘察階段：采用既有技術(shù)對(duì)隧道線路地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查、收集，充分獲取巖體物理性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)等所需資料，為后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。

(2)診斷階段：根據(jù)勘察階段數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬、有限元分析等方法，依據(jù)既定劃分標(biāo)準(zhǔn)將超前核心土及隧道圍巖穩(wěn)定情況分類。

(3)處治階段：根據(jù)診斷類別，針對(duì)既有施工機(jī)具及加固手段確定施工方案及支護(hù)方法和參數(shù)。新意法提倡對(duì)超前核心土不穩(wěn)定狀況采取預(yù)加固措施。

(4)實(shí)施階段：按處治方案施工，并按設(shè)計(jì)要求安裝監(jiān)控設(shè)備，根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，可對(duì)施工方案及支護(hù)參數(shù)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

(5)監(jiān)測(cè)階段：按設(shè)計(jì)對(duì)掌子面擠出變形量、圍巖收斂變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)向設(shè)計(jì)反饋，優(yōu)化隧道施工方案。

2 新意法與新奧法比較

2.1 新奧法特點(diǎn)

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(hù)隧道圍巖，充分發(fā)揮圍巖的自支撐能力；當(dāng)判定圍巖狀態(tài)不穩(wěn)定時(shí)，所采取的噴錨、鋼拱架等輔助初期支護(hù)措施都視為與圍巖共同抵抗變形；同時(shí)新奧法同樣強(qiáng)調(diào)監(jiān)控量測(cè)的實(shí)施及作用，通過對(duì)隧道拱頂沉降、周邊收斂等監(jiān)測(cè)來判定隧洞的實(shí)際狀態(tài)。

2.2 新意法與新奧法比較

新意法與新奧法相比較，其實(shí)兩種方法并不矛盾，新意法可以看做新奧法的發(fā)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(cè)重超前核心土對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，而新奧法對(duì)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(shí)，新意法提倡預(yù)支護(hù)后采用全斷面施工來避免對(duì)圍巖的多次擾動(dòng)，而新奧法為了適應(yīng)各種圍巖情況需要采用臺(tái)階法、CD或CRD等等分部施工方法，從工程工期和造價(jià)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(yù)支護(hù)的主要方法

3.1 三種穩(wěn)定狀態(tài)超前核心土的預(yù)支護(hù)方法

新意法在處治階段會(huì)根據(jù)勘察及診斷得出的超前核心土類別選擇不同的預(yù)支護(hù)方式。對(duì)于A類掌子面長(zhǎng)期穩(wěn)定的狀態(tài)，會(huì)采用與新奧法類似的洞身噴錨支護(hù)，及時(shí)對(duì)洞身圍巖進(jìn)行封閉，防止圍巖弱化、掉塊等；對(duì)于B類掌子面短期穩(wěn)定的狀態(tài)，會(huì)結(jié)合具體的施工速度，除采用上述洞身支護(hù)外，對(duì)超前核心土?xí)捎谜谱用鎳婂^支護(hù)或玻璃纖維錨桿全斷面預(yù)加固支護(hù)，使超前核心土B類狀態(tài)轉(zhuǎn)化為A類狀態(tài)，達(dá)到掌子面長(zhǎng)期穩(wěn)定的狀態(tài)；對(duì)于C類掌子面即將坍塌的狀態(tài)，因應(yīng)變失效，超前核心土區(qū)域無法形成拱效應(yīng)，需要在超前核心土上部區(qū)域及核心土區(qū)域進(jìn)行預(yù)加固，一般上部區(qū)域可采用管棚、水平旋噴樁等支護(hù)方式，核心土區(qū)域采取玻璃纖維錨桿全斷面支護(hù)方式，下面重點(diǎn)介紹一下玻璃纖維錨桿及水平旋噴樁預(yù)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(shè)計(jì)參數(shù)鉆些分布均勻且與隧道軸線平行的孔道，向孔內(nèi)插入玻璃纖維并進(jìn)行注漿，漿液固結(jié)后玻璃纖維組將對(duì)超前核心土提供約束反力，可以對(duì)核心土區(qū)域形成改良及強(qiáng)化。采用玻璃纖維材料是該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵，因?yàn)槌昂诵耐羺^(qū)域既是待加固區(qū)域，還是待挖除區(qū)域，如果采用錨桿、超前導(dǎo)管等方式進(jìn)行加固會(huì)對(duì)下一步開挖帶來很大的困難，甚至難以實(shí)現(xiàn)。玻璃纖維材料有極高的強(qiáng)度和及大的脆性，在土方開挖時(shí)容易被切割，當(dāng)開挖掌子面后的剩余加固長(zhǎng)度不能足以對(duì)超前核心土區(qū)域提供足夠約束時(shí)，再進(jìn)行新一循環(huán)玻璃纖維布設(shè)。

(2)設(shè)計(jì)參數(shù)：主要包括長(zhǎng)度、密度、規(guī)格、搭接長(zhǎng)度、橫截面積以及待加固的幾何區(qū)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(jī)鉆孔，鉆至設(shè)計(jì)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(nèi)及孔周一定范圍的土體中，通過噴嘴旋轉(zhuǎn)切割土體，使土體及漿液攪拌均勻，待漿液固結(jié)，即形成圓柱狀水泥沙土固結(jié)體即水平旋噴樁，當(dāng)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(dān)隧道預(yù)收斂變形及防滲漏等作用。

3.3.2設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括樁徑、樁長(zhǎng)、相鄰咬合厚度、前后搭接長(zhǎng)度及外插角等。

3.3.3主要施工機(jī)械及施工要求

(1)水平旋噴機(jī)，要求鉆機(jī)設(shè)備根據(jù)巖體進(jìn)行配套選型，確保鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、頂進(jìn)力和扭矩滿足成樁要求。

(2)高壓注漿泵,需選用壓力達(dá)標(biāo)并能進(jìn)行流量控制的機(jī)型。

(3)因旋噴樁注漿壓力較大，實(shí)施水平旋噴樁的掌子面需進(jìn)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(kuò)80cm左右空間，便于搭設(shè)施工平臺(tái)。

4 結(jié)語

目前，我國(guó)對(duì)新意法隧道施工理念的研究和應(yīng)用尚處于起步階段，受機(jī)械化程度等的限制將新意法技術(shù)迅速進(jìn)行推廣也很難實(shí)現(xiàn)。但新意法對(duì)超前核心土的認(rèn)識(shí)及應(yīng)用應(yīng)受到廣大隧道設(shè)計(jì)、施工技術(shù)人員的關(guān)注和重視，能否將新意法元素合理地融合至已有隧道設(shè)計(jì)施工理念中，是當(dāng)前的主要工作。