新意法及其與新奧法的異同分析

林劍飛　蔡勇　陳俊凡

0 引言

隨著“一帶一路”國家級戰(zhàn)略的提出和實施，中國工程建設(shè)將進入一個新紀元。隧道工程作為線路穿越山嶺的控制性工程，其穿越地層越來越復(fù)雜，修建斷面越來越大，施工里程逐年增加。因此，選擇合適的施工工法是長大隧道必須優(yōu)先考慮的因素之一。

新奧法作為中國隧道工程建設(shè)的主要理論基礎(chǔ)，在常規(guī)隧道開挖中具有方法簡單、經(jīng)濟性好等優(yōu)勢；然而在軟弱圍巖大斷面隧道的施工中，其控制沉降差、施工步序復(fù)雜的弊端也盡顯無遺。首先，為了控制沉降、保證隧道開挖的安全性，新奧法往往選擇縮小開挖斷面的分部開挖方法，如多臺階法、CD法、CRD法等[1-2]。這些方法能夠在一定程度上緩解隧道開挖引起的變形過大等問題，但又不可避免地會對圍巖造成多次擾動，增加施工管理難度的同時，也為隧道的長期穩(wěn)定留下了隱患。其次，在人為縮小的工作面上，無法滿足很多大型機械的施工空間，掌子面處往往需要投入大量的人力，這不僅造成了勞動力的浪費，且一旦發(fā)生事故，生命財產(chǎn)損失也大大增加。如何解決新奧法在軟弱圍巖隧道施工中的種種矛盾和弊端，成為中國現(xiàn)階段隧道工程建設(shè)的一大難題，因此研究和引進更加先進的隧道設(shè)計和施工方法已經(jīng)迫在眉睫。

新意法[3]是在隧道設(shè)計施工方面具有革命性意義的新方法。依照新意法理論不僅可以有效控制隧道開挖引起的各種圍巖變形，保證隧道的短期和長期穩(wěn)定性，而且在極端地質(zhì)條件下仍然能夠應(yīng)用全斷面工法進行隧道掘進，最大限度地減少對圍巖的擾動次數(shù)。

本文將從隧道施工過程中的力學行為分析入手，全面介紹新意法及其與新奧法的區(qū)別與聯(lián)系，為隧道工程建設(shè)提供新的思路。

1 隧道施工過程中的力學行為分析

1.1 隧道工程平面力學行為特性

就隧道工程而言，從開始施工到隧道貫通是一個較長的過程[4]。在此期間，隧道開挖導(dǎo)致巖土體原有的物理力學平衡被打破，經(jīng)過調(diào)整和轉(zhuǎn)化，最終達到新的平衡狀態(tài)。

由于隧道在縱向上具有很長的軸線，橫截面大小和形狀沿軸線保持不變，并且傳統(tǒng)施工工序往往是先開挖后支護的循環(huán)，因此對隧道力學行為的分析往往將其簡化為平面應(yīng)變問題進行處理。在橫截面上，隧道開挖使輪廓線上的圍巖處于臨空狀態(tài)，圍巖在自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形（圖1），如果任其發(fā)展，就可能導(dǎo)致隧道收斂變形過大甚至塌方，因此平面應(yīng)變問題主要研究隧道開挖后橫截面上的變形特性及支護與圍巖的相互作用關(guān)系。

在橫截面上，隧道開挖引起圍巖中應(yīng)力發(fā)生變化，類似于當水流經(jīng)過橋墩，由于橋墩足夠的強度導(dǎo)致水流被迫分流，沿橋墩邊緣的水流流速加快（圖2）；同樣，洞室開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力的重分布，應(yīng)力流被開挖的洞室分開，在洞壁周圍形成應(yīng)力增大區(qū)，即成拱效應(yīng)[3]。假如洞室周圍的圍巖強度足夠承擔偏移應(yīng)力產(chǎn)生的作用，洞室就可以在沒有支護措施的情況下保持穩(wěn)定；如果圍巖強度無法承擔偏移應(yīng)力作用，洞室的變形將增大，直至無法接受而失穩(wěn)坍塌。

新奧法理論是在平面應(yīng)變問題的基礎(chǔ)上建立起來的，如柔性支護理論等，其對隧道收斂變形的研究也局限在平面上。

1.2 隧道施工過程中的三維力學行為特性

隧道的開挖是一個動態(tài)的過程，如圖3所示，掌子面以速度V向圍巖內(nèi)部前進，后方留下一個空間，這將在軸向和徑向上對圍巖產(chǎn)生擾動，因此研究隧道施工過程時，忽視任何一個方向上的擾動和變形，都不能全面反映隧道掘進過程的力學特性。

隧道的開挖隨著掌子面向前推進，掘進方向上的壓應(yīng)力變?yōu)榱悖é?=0），圍巖由三維應(yīng)力狀態(tài)向平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變。隧道掘進過程中掌子面方向壓應(yīng)力σ3=0時，若洞室圍巖變形在彈性范圍內(nèi)，則在靠近洞室處自然產(chǎn)生應(yīng)力流（成拱效應(yīng)）；若掌子面因彈塑性變形只能維持短期的穩(wěn)定，此時成拱效應(yīng)在遠離洞室處產(chǎn)生，洞室最終靜力強度只由其殘余強度決定，此時需要人為加固洞室；若掌子面前方圍巖應(yīng)力失效，不能形成成拱效應(yīng)，無法承受偏移應(yīng)力流，圍巖將產(chǎn)生大變形甚至失穩(wěn)，此時需要采取超前預(yù)約束措施，人為使之形成成拱效應(yīng)，以保證隧道穩(wěn)定。顯然，成拱效應(yīng)是否形成及形成位置與隧道的長期或短期穩(wěn)定有重要關(guān)系。

由圖3可以看出，在掌子面即將到達之前，即σ3趨向于零時，σ1已經(jīng)發(fā)生了變化，這種變化導(dǎo)致掌子面前方核心土的先行位移，而在平面力學分析中往往忽視了這一變形。

2 新奧法及其在中國的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 新奧法概述

新奧法（NATM）由Pacher和Rabcewicz于20世紀中葉提出，其基本思想是充分利用圍巖的自承能力和開挖面的空間約束作用，認為圍巖不僅產(chǎn)生荷載而且也是承載結(jié)構(gòu)[5]。新奧法以錨桿和噴射混凝土等柔性支護為主要手段，及時對圍巖進行加固，在允許圍巖變形的同時控制圍巖變形，從而提高圍巖自承能力，并通過對圍巖和支護受力變形狀態(tài)的量測、監(jiān)控來指導(dǎo)隧道和地下工程的設(shè)計與施工。

新奧法的精髓在于把圍巖本身也視作自承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，而其要點在于通過在施工期間建立的信息收集和反饋系統(tǒng)，分析判斷圍巖、支護的變形與位移及應(yīng)力分布和變化的關(guān)系，從而達到更加安全高效、經(jīng)濟合理的工程目的[6]。

2.2 新奧法核心理論與實踐要點

2.2.1 巖承理論及柔性支護理論

新奧法將圍巖視作一種承載結(jié)構(gòu)，應(yīng)用柔性的、與圍巖緊貼的支護結(jié)構(gòu)，以使圍巖與支護結(jié)構(gòu)共同變形，共同承受壓力；其允許圍巖變形，并強調(diào)通過控制變形最終使圍巖與支護達到最佳平衡[7]。

2.2.2 對圍巖擾動的最小化

圍巖的自承能力來源于圍巖強度，充分發(fā)揮圍巖自承能力的前提是最大程度地保持圍巖強度和原有的平衡狀態(tài)。因此，新奧法強調(diào)施工時應(yīng)盡可能地采用全斷面工法，以減少分部開挖對圍巖的反復(fù)擾動，并盡量采用光面爆破、微差爆破等方法，減少對圍巖的振動影響，保全其整體性，同時強調(diào)注意隧洞表面盡可能平滑，以避免局部的應(yīng)力集中。

2.2.3 監(jiān)控量測的意義

新奧法最大的創(chuàng)新與變革內(nèi)容在于施工期間運用監(jiān)控量測信息來指導(dǎo)設(shè)計和施工，監(jiān)控量測在某種意義上將隧道施工變成了一門信息科學。通過對系列觀測資料和量測數(shù)據(jù)的分析，對隧道圍巖與支護的狀態(tài)進行判斷與分析，進而調(diào)整施工方案，最終達到安全與經(jīng)濟的目的。因此，監(jiān)控量測是新奧法施工的必要條件。

2.3 新奧法在中國的發(fā)展及存在的問題

新奧法于20世紀70年代末傳入中國，首先應(yīng)用在軍都山、大瑤山等鐵路隧道中，并取得了良好的效果，隨之在全國興起。40多年來中國隧道建設(shè)事業(yè)迅速發(fā)展并成為世界隧道大國，新奧法在此過程中發(fā)揮了決定性作用。然而隨著在建隧道的不斷增多，新奧法在隧道建設(shè)的應(yīng)用中逐漸出現(xiàn)一些問題，施工事故時有發(fā)生。產(chǎn)生這些問題的原因主要為以下幾點。

（1）對新奧法應(yīng)用的度的把握。任何一種科學技術(shù)都有其局限性，新奧法自然也并非適用于所有情況，然而目前大多數(shù)工程人員習慣性地把所有成功的技術(shù)都歸功于新奧法，這種以偏概全的做法顯然是存在一定問題的。

（2）工程從業(yè)人員的業(yè)務(wù)素養(yǎng)。目前隧道施工人員多為普通民工，專業(yè)素養(yǎng)相對較低，對新奧法的認識也相對膚淺，經(jīng)常導(dǎo)致施工質(zhì)量難以達到標準，使得新奧法在實施中的效果大打折扣。

（3）監(jiān)控量測的重視程度。大量工程的監(jiān)控量測工作通過分包的形式由第三方機構(gòu)承擔，而第三方監(jiān)測機構(gòu)的專業(yè)水平與素養(yǎng)參差不齊，且現(xiàn)場技術(shù)人員很多對于監(jiān)測數(shù)據(jù)也缺乏足夠的重視，大大降低了工程質(zhì)量。

（4）在軟弱圍巖隧道中，基于新奧法的先開挖后支護的施工方法往往效果不佳，強行施工容易引起安全事故。

3 新意法及其應(yīng)用前景分析

3.1 新意法簡介

基于對隧道掘進過程中的三維力學特性的分析，新意法提出了一套以掌子面前方核心土變形和控制分析為基本理論的隧道設(shè)計、施工方法，新意法將一座未襯砌的隧道在縱向范圍內(nèi)分為3個特征區(qū)域，如圖4所示。

（1）未受影響區(qū)域，即圍巖還未受到隧道開挖的影響，仍處于三維原始應(yīng)力狀態(tài)下。

（2）掌子面-超前核心土區(qū)域或過渡區(qū)域，圍巖受到隧道開挖的影響很大，從三維應(yīng)力狀態(tài)逐漸變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)。

（3）穩(wěn)定區(qū)域，隧道開挖已經(jīng)完成且不再受后續(xù)開挖影響的區(qū)域。穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的圍巖未必能夠自穩(wěn)，甚至有可能大范圍坍塌，只是圍巖狀態(tài)不再受后續(xù)開挖的影響。

從掌子面的3個特征區(qū)域可以看出，掌子面-超前核心土區(qū)域是圍巖從三維應(yīng)力狀態(tài)過渡到平面應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)鍵區(qū)域，掌子面-超前核心土的穩(wěn)定是隧道設(shè)計中最重要的部分，必須予以足夠重視。

新意法提出掌子面-超前核心土的概念，超前核心土位于掌子面特征區(qū)的過渡區(qū)域內(nèi)，是掌子面前方呈圓柱體的土體，其直徑和高度大致等于隧道直徑。掌子面-超前核心土區(qū)域的圍巖變形反應(yīng)有3種形式：超前核心土擠出變形、預(yù)收斂變形和收斂變形，如圖5所示[8-9]。

（1）擠出變形：隧道開挖后掌子面在縱向上向外擠出的變形。

（2）預(yù)收斂變形：隧道掌子面前方理論輪廓線的收斂變形，其變形反應(yīng)完全取決于掌子面超前核心土的強度及變形特性與其原始應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系。

（3）收斂變形：隧道掌子面后方輪廓線的收斂變形。

新意法認為，超前核心土的變形是圍巖變形反應(yīng)的真正起因，其強度和穩(wěn)定性是隧道開挖過程中能否保持短期穩(wěn)定和長期穩(wěn)定的關(guān)鍵。因為圍巖應(yīng)力偏移和傳遞并不是在掌子面通過之后才發(fā)生的，而是在掌子面到來之前就已經(jīng)開始，因此增加超前核心土的強度和穩(wěn)定性，有助于應(yīng)力的傳遞和偏移向著靠近隧道洞壁的區(qū)域發(fā)展，更好形成成拱效應(yīng)，使圍巖變形在掌子面通過后仍處于可接受范圍。

3.2 新意法在中國的應(yīng)用前景分析

對新意法核心理論的研究表明，通過調(diào)節(jié)超前核心土的強度和穩(wěn)定性，新意法可適用于各種地質(zhì)條件下的隧道工程建設(shè)。從這一方面來說，吸收、引進并逐漸推廣和應(yīng)用新意法對中國的隧道工程具有重大的意義。另一方面，結(jié)合中國具體國情來看，首先，在大型機械的研發(fā)能力上，中國與歐洲國家仍有一定的差距；其次，由于中國擁有全球最大的廉價勞動力市場，因此一旦全面推廣新意法主張的機械化施工，將對工程領(lǐng)域的就業(yè)趨勢產(chǎn)生不小的影響；再次，新奧法在中國隧道工程建設(shè)歷史上具有不可替代的地位，一旦隧道工程施工出現(xiàn)問題，人們總是首先想到在新奧法的基礎(chǔ)上修修補補，而難以接受新的方法；另外，從短期的經(jīng)濟性來看，新意法需要投入大量新的大型機械，相比新奧法投入更大。這些因素都使得新意法在中國的推廣應(yīng)用有相當?shù)淖枇Α?/p>

然而，隨著中國經(jīng)濟增長方式由“粗放型”向“集約型”的逐步轉(zhuǎn)變、人口老齡化引起的廉價勞動力市場的萎縮，以及大型工程機械研發(fā)能力的不斷增強，新意法必將與新奧法一道，共同成為中國隧道建設(shè)的理論基礎(chǔ)。

從現(xiàn)階段來看，新意法可作為新奧法的補充，填補新奧法在極端地質(zhì)條件下無法安全施工的空白。如武廣高鐵瀏陽河隧道及蘭渝鐵路桃樹坪隧道都是國內(nèi)應(yīng)用新意法的成功案例。其中桃樹坪隧道在施工中同時應(yīng)用新意法和新奧法進行施工，結(jié)果顯示新意法在進度上具有一定的優(yōu)勢[10-11]。同時桃樹坪隧道在施工過程中結(jié)合具體國情，在應(yīng)用新意法理論基礎(chǔ)的前提下，采用了兩臺階施工方法[12]，相比新意法推薦的全斷面施工方法，節(jié)省了引進大型工程機械的資金，同時又保證了施工的安全，為新意法在中國現(xiàn)階段的推廣應(yīng)用積累了經(jīng)驗。

綜上所述，新意法在中國具有很好的應(yīng)用前景，也有一些結(jié)合具體國情的應(yīng)用經(jīng)驗。因此，結(jié)合已有的研究成果，基于新意法理論提出一套完整的、適合中國國情的隧道設(shè)計和施工方法，并在時機成熟時應(yīng)用于具體工程，是未來隧道工程發(fā)展的一個重要方向。

4 新奧法和新意法的區(qū)別與聯(lián)系

新奧法的創(chuàng)始人Rabcewicz曾經(jīng)指出，隧道工程的開挖應(yīng)在可能的情況下盡量選擇全斷面施工方法[13]，現(xiàn)在，新意法滿足了Rabcewicz的愿望，因為按照新意法的理論，在任何條件的圍巖中進行全斷面隧道施工都已經(jīng)成為可能。

通過對新奧法理論的研究，可以發(fā)現(xiàn)以下幾點。

（1）新奧法更加注重隧道開挖前后橫截面上的變形反應(yīng)，而在一定程度上忽視了隧道開挖的三維力學特性。

（2）新奧法建議隧道開挖應(yīng)該盡可能地選擇全斷面施工方法。同時新奧法認為，相比分部開挖法，全斷面施工方法可最大限度地減小圍巖擾動，滿足大型機械所需的施工空間，縮短工期，減少投資。

（3）新奧法沒有提出超前核心土的概念，也不夠重視掌子面前方圍巖的強度和穩(wěn)定性，更沒有一套完備的加固超前核心土的具體措施。

（4）新奧法流行于20世紀60～70年代，當時的科學技術(shù)無法為其提供可靠的措施來保證在任何地質(zhì)條件下全斷面工法的可行性和安全性。

（5）監(jiān)控量測及其信息反饋是新奧法理論得以實施的重要前提。

相比之下，新意法理論對以上問題具有全新的認識和解決方法。

（1）新意法更加注重隧道掘進的三維力學特性。

（2）新意法不僅意識到全斷面工法在圍巖擾動、工期成本上的優(yōu)勢，而且使這些部分變成了現(xiàn)實。

（3）新意法通過對隧道掘進的三維力學特性分析，發(fā)現(xiàn)了圍巖變形的真正起因是隧道開挖引起的超前核心土變形，并提出一套完整可行的超前核心土穩(wěn)固措施。

（4）科學技術(shù)的發(fā)展使得新意法提出的超前核心土穩(wěn)固措施得以實現(xiàn)，從而保證了新意法可在任何地質(zhì)條件下應(yīng)用全斷面工法進行隧道開挖。

（5）相比新奧法的監(jiān)控量測項目，新意法對隧道掘進的三維力學特性同樣體現(xiàn)在監(jiān)測階段，其對超前核心土的變形監(jiān)測可有效地檢驗設(shè)計決策的正確性并加以修正，以保證隧道開挖隨時處在安全的環(huán)境中。

綜上所述，新奧法與新意法在隧道開挖方法的選擇上有共同的目標與訴求，區(qū)別在于，新奧法輕視了隧道掘進過程中的三維力學特性；而新意法意識到了這一點，并在此基礎(chǔ)上提出了超前核心土的概念及穩(wěn)固措施，借助先進的科學技術(shù)，最終完成了新奧法較難實現(xiàn)的目標——在任何地質(zhì)條件下應(yīng)用全斷面工法進行隧道掘進。

5 結(jié)語

新奧法與新意法的主要區(qū)別在于對洞室變形的認識。事實上，隨著新奧法的不斷發(fā)展和完善，國內(nèi)外眾多學者也已經(jīng)認識到了隧道三維力學特性對隧道開挖的重要影響，并展開了一系列研究，但是這些研究始終沒有認識到超前核心土力學特性對隧道變形的決定性作用，基于這些研究的結(jié)論及處治方法，最終大都歸于施工過程的管理、支護時機的選擇和參數(shù)優(yōu)化上。

新意法打破了這一常規(guī)思維，將隧道工程建設(shè)的理論基礎(chǔ)向前推進了一大步，因此研究新意法的基本理論，認識到其與新奧法的異同，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化中國隧道工程建設(shè)的設(shè)計、施工方法，是隧道技術(shù)人員值得研究的新方向。

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