武超毅，孫家軍

（1.湖北望新建設(shè)有限公司，湖北 荊州；2.長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)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(jì)70 年代，意大利Pietro Lunardi 教授首次通過(guò)三維空間研究開(kāi)挖隧道過(guò)程中所產(chǎn)生的變形，擺脫了先前只考慮掘進(jìn)平面變形反應(yīng)的傳統(tǒng)思維。并結(jié)合大量理論研究以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，逐步創(chuàng)立了著名的ADECO-RS 法。幾十年來(lái)，該方法廣泛應(yīng)用于歐洲的隧道建設(shè)領(lǐng)域[1-2]，并于21 世紀(jì)初引入我國(guó)，促進(jìn)了我國(guó)鐵路隧道施工技術(shù)的進(jìn)步。與傳統(tǒng)隧道施工方法相比，新意法具有諸多優(yōu)勢(shì)，我國(guó)許多隧道施工項(xiàng)目都涉及到了該方法，并取得了優(yōu)異效果[3-5]，同時(shí)也有諸多學(xué)者對(duì)新意法的理論進(jìn)行了完善補(bǔ)充[6-8]。本文通過(guò)系統(tǒng)論述新意法原理和設(shè)計(jì)施工流程，對(duì)比其與傳統(tǒng)隧道施工工法之間的區(qū)別，表現(xiàn)新意法在隧道施工領(lǐng)域的優(yōu)異之處。

1 新意法基本原理

新意法將地層視作支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，認(rèn)為其在隧道施工過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。其設(shè)計(jì)理念主張控制圍巖的變形及掌子面前圍巖介質(zhì)的加固和超前支護(hù)，監(jiān)測(cè)和控制掌子面前方的圍巖介質(zhì)、并采用相關(guān)施工設(shè)備進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)全斷面施工。

1.1 拱部效應(yīng)

在掘進(jìn)過(guò)程中，隧道周邊和前方一定范圍內(nèi)圍巖會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)變形，掌子面應(yīng)力逐漸減小。圍巖從三軸應(yīng)力狀態(tài)逐漸變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)（σ3=0）。圍巖原始應(yīng)力將沿著隧道的輪廓形成“拱部效應(yīng)”，如圖1 所示，并沿隧道形成應(yīng)力增加帶，其能否形成直接影響著隧道的整體穩(wěn)定性及使用年限。同時(shí)按應(yīng)力大小、地層的強(qiáng)度和變形特性，可將拱部效應(yīng)分為以下三種形式：

圖1 拱部效應(yīng)示意圖

（1） 自然拱部效應(yīng)：隨著掌子面應(yīng)力狀態(tài)的逐漸減小，隧道掌子面前方圍巖應(yīng)力狀態(tài)處于彈性范圍內(nèi)，即圖2 中Ⅰ階段?！肮安啃?yīng)”產(chǎn)生在開(kāi)挖輪廓線的附近，此時(shí)隧道邊墻及掌子面變形較小（或可忽略），開(kāi)挖面處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3a 所示。

圖2 圍巖應(yīng)力- 應(yīng)變曲線

（2） 轉(zhuǎn)移拱部效應(yīng)：隨著掌子面應(yīng)力狀態(tài)的逐漸減小，隧道掌子面前方圍巖應(yīng)力狀態(tài)處于彈- 塑性范圍內(nèi)，即圖2 中Ⅱ階段。此時(shí)隧道結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生彈-塑性變形，能夠在短期內(nèi)維持穩(wěn)定狀態(tài)。如不采取措施，隧道結(jié)構(gòu)將從隧道邊墻及掌子面向內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形，“拱部效應(yīng)”從開(kāi)挖輪廓線附近朝外轉(zhuǎn)移到圍巖中，如圖3b 所示。只有通過(guò)采用足夠的支護(hù)措施，才能夠?qū)Α肮安啃?yīng)”的“轉(zhuǎn)移”進(jìn)行控制，使隧道結(jié)構(gòu)保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。

（3） 無(wú)拱部效應(yīng)：隨著掌子面應(yīng)力狀態(tài)的逐漸減小，隧道掌子面前方圍巖應(yīng)力狀態(tài)處于破壞滑移狀態(tài)，即圖2 中Ⅲ階段。圍巖極度不穩(wěn)定，將產(chǎn)生大變形，“拱部效應(yīng)”無(wú)法自然形成，如圖3c 所示。這種變形現(xiàn)象是無(wú)法接受的，對(duì)工程的安全生產(chǎn)存在極大隱患，必須通過(guò)人工支護(hù)手段協(xié)助粘結(jié)力差的松散地層形成“拱部效應(yīng)”。

“拱部效應(yīng)”決定隧道的穩(wěn)定性，可以判斷隧道結(jié)構(gòu)處于長(zhǎng)期或短期穩(wěn)定狀態(tài)，并對(duì)是否采用支護(hù)措施提供依據(jù)。其重點(diǎn)關(guān)注的是隧道掌子面的變形，而非整個(gè)隧道。在開(kāi)挖過(guò)程中，隧道的變形反應(yīng)較為復(fù)雜，需對(duì)變形反應(yīng)進(jìn)行全面定義。

1.2 介質(zhì)的變形反應(yīng)

為對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中隧道介質(zhì)的變形反應(yīng)進(jìn)行全面定義，現(xiàn)對(duì)以下術(shù)語(yǔ)進(jìn)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(fā)生在超前核心土內(nèi)，沿掌子面水平軸線方向產(chǎn)生，表現(xiàn)為呈軸對(duì)稱的掌子面鼓出或在掌子面形成螺旋狀擠出，是隧道開(kāi)挖產(chǎn)生變形反應(yīng)的主要表現(xiàn)形式。

（3） 隧道預(yù)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(qiáng)度及變形特性。

新奧法提出隧道的整體變形反應(yīng)由掌子面擠出變形、隧道預(yù)收斂和隧道收斂所組成，如圖4 所示。同時(shí)提出發(fā)生變形反應(yīng)的真正誘因是掌子面前方的超前核心土，其與隧道預(yù)收斂和隧道收斂之間存在緊密聯(lián)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(jié)果。

圖4 隧道整體變形組成

1.3 隧道變形類型

通過(guò)預(yù)測(cè)隧道掌子面超前核心土的穩(wěn)定，可通過(guò)分析開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)（穩(wěn)定、暫時(shí)穩(wěn)定和不穩(wěn)定），將隧道變形類型劃分為A、B、C 三種類型，以此可作為設(shè)計(jì)支護(hù)措施和全斷面動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工的指導(dǎo)原則。將三種類型與“拱部效應(yīng)”和“介質(zhì)變形反應(yīng)”相關(guān)聯(lián)，列出新意法隧道穩(wěn)定類型的分類標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1 新意法隧道穩(wěn)定類型分類標(biāo)準(zhǔn)

2 新意法設(shè)計(jì)施工

新意法的設(shè)計(jì)施工步驟主要包括設(shè)計(jì)階段和施工階段兩部分，其中設(shè)計(jì)階段包括勘察、診斷和處治三個(gè)階段，施工階段包括實(shí)施和監(jiān)測(cè)兩個(gè)階段，以下對(duì)各階段進(jìn)行系統(tǒng)闡述。

（1） 勘察階段：通過(guò)各種勘察手段確定受開(kāi)挖影響范圍內(nèi)地層介質(zhì)的巖土力學(xué)性質(zhì)，該階段對(duì)分析自然平衡狀態(tài)以及下階段的順利進(jìn)行不可或缺。

（2） 診斷階段：運(yùn)用勘察階段所收集到的信息，通過(guò)數(shù)學(xué)方法以及數(shù)值模擬等手段預(yù)測(cè)超前核心土的穩(wěn)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(jù)診斷階段的分類預(yù)測(cè)，根據(jù)地層介質(zhì)的變形類型選擇何種支護(hù)加固措施（超前約束措施或約束措施），使隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（4） 實(shí)施階段：根據(jù)設(shè)計(jì)階段的預(yù)測(cè)結(jié)果，開(kāi)展支護(hù)作業(yè)，采取的支護(hù)加固措施要符合工程實(shí)際，適應(yīng)巖體的變形反應(yīng)。對(duì)于軟弱地層介質(zhì)，需進(jìn)行超前加固后進(jìn)行全斷面開(kāi)挖。

（5） 監(jiān)測(cè)階段：該階段旨在驗(yàn)證診斷和處治兩階段預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，并調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，以保證掌子面加固強(qiáng)度與隧道巖壁強(qiáng)度達(dá)到平衡。需要在隧道的整個(gè)使用年限內(nèi)都進(jìn)行檢測(cè)，保證其安全狀態(tài)。

3 新意法的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)隧道施工工法相比，新意法最顯著的優(yōu)勢(shì)在于重視超前核心土的控制，將其作為維護(hù)隧道穩(wěn)定的重要工具，突出機(jī)械化全斷面均率開(kāi)挖的理念。全斷面施工對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的管理相當(dāng)有利，并且能夠減少傳統(tǒng)工法（如臺(tái)階法、CD、CRD 等）所所需的施工步驟，從而達(dá)到縮短時(shí)間進(jìn)度及節(jié)省費(fèi)用開(kāi)支的目的。

除此以外，新意法還存在以下優(yōu)點(diǎn)：

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

（2） 僅通過(guò)一種設(shè)備就可解決不同類型的地層開(kāi)挖，具有高度的靈活性。

（3） 可以在設(shè)計(jì)階段均較為精確地預(yù)測(cè)完成時(shí)間，做到保證工期。

（4） 強(qiáng)調(diào)對(duì)隧道預(yù)收斂變形以及巖壁收斂變形的量測(cè)，能及時(shí)反饋動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整，從而及時(shí)優(yōu)化施工方案。

4 結(jié)論

（1） 新意法（巖石控制變形分析法）打破傳統(tǒng)思維模式，首次將隧道開(kāi)挖這一動(dòng)態(tài)過(guò)程中的變形反應(yīng)在三維空間內(nèi)研究，并將地層介質(zhì)視作“施工材料”，將其作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，這種隧道施工理念有其獨(dú)到先進(jìn)之處，建立了一種全新的處理地下工程問(wèn)題的框架。

（2） 相較于傳統(tǒng)隧道施工工法，新意法所具有優(yōu)勢(shì)較為明顯，強(qiáng)調(diào)超前核心土這一保持隧道穩(wěn)定性的重要工具，通過(guò)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(yīng)。同時(shí)還具有可維持現(xiàn)場(chǎng)潔凈、具有高靈活性、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)工期和能及時(shí)優(yōu)化調(diào)整等一系列優(yōu)點(diǎn)。

（3） 新意法已有較長(zhǎng)應(yīng)用歷史，有較為成熟的理論基礎(chǔ)和豐富的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)積累，其在意大利等歐洲國(guó)家已取得廣泛應(yīng)用。如今新意法在我國(guó)隧道建設(shè)中的應(yīng)用并不廣泛，研究與試驗(yàn)皆處于起步階段，仍有諸多問(wèn)題需要解決。而我國(guó)現(xiàn)階段處于高速發(fā)展時(shí)期，將涉及諸多隧道工程的建設(shè)，新意法的推廣與完善將對(duì)我國(guó)將來(lái)控制施工成本、縮短工程周期、解決工程難題有莫大幫助。