新意法在隧道工程機(jī)械化施工中的應(yīng)用

唐勇三

0 引言

中國(guó)是世界上隧道通車?yán)锍套铋L(zhǎng)、在建隧道數(shù)量最多的國(guó)家。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)的隧道工程建設(shè)無(wú)論是規(guī)模還是修建難度，一直處于世界前列。得益于廣闊的勞動(dòng)力市場(chǎng)，基于新奧法的鉆爆施工方法在中國(guó)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。然而，隨著人口老齡化的加劇，人口紅利所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展將面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。由于隧道施工風(fēng)險(xiǎn)性大，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，加之勞動(dòng)力成本不斷上升帶來(lái)的施工成本驟增等問(wèn)題，未來(lái)國(guó)內(nèi)隧道建設(shè)將面臨新的挑戰(zhàn)。機(jī)械化施工能夠在保證施工質(zhì)量的同時(shí)有效降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，改善施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，降低施工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工效率，因此機(jī)械化施工將成為未來(lái)隧道工程建設(shè)的必然趨勢(shì)。

1 機(jī)械化全斷面施工的理論基礎(chǔ)

由于軟弱圍巖自承能力有限，新奧法先開挖、后支護(hù)的施工方法往往不起作用，在各種超前支護(hù)措施保護(hù)下的分部開挖法成為不得已的無(wú)奈選擇[1]?；谛聤W法的隧道機(jī)械化施工的關(guān)鍵，在于提高各個(gè)施工步序的機(jī)械化程度及改善施工組織管理，然而對(duì)于軟弱圍巖隧道，由于分部開挖法縮小了施工作業(yè)面，使得很多大型機(jī)械設(shè)備難以應(yīng)用。而且多數(shù)長(zhǎng)大隧道圍巖環(huán)境往往比較復(fù)雜，圍巖等級(jí)隨著隧道的掘進(jìn)不斷變化，施工工藝也隨之改變，這種情況下大型機(jī)械設(shè)備往往達(dá)不到預(yù)期的利用率。因此，基于新奧法的隧道施工機(jī)械化發(fā)展已表現(xiàn)出很大的局限性。

新意法作為新奧法理論的發(fā)展，在承認(rèn)圍巖自承能力的前提下，考慮隧道開挖的三維應(yīng)力狀態(tài)，認(rèn)為掌子面-超前核心土體系的穩(wěn)定是隧道開挖能否安全進(jìn)行的決定性因素。在施工方法上，新意法主張各種超前工法（預(yù)加固和預(yù)約束）前提下的全斷面開挖方法。新意法的出現(xiàn)不僅使極端地質(zhì)條件下隧道的安全掘進(jìn)成為可能，而且基于此方法的全斷面開挖技術(shù)，能夠有效減少隧道開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，便于施工組織管理，同時(shí)也為隧道機(jī)械化開挖提供了更好的環(huán)境。

2 新意法概述

新意法是意大利著名學(xué)者Pietro Lunardi[2]歷經(jīng)多年探索與實(shí)踐，在新奧法的基礎(chǔ)上提出的，具有一套完整的理論方法和實(shí)際工程措施。對(duì)于軟弱圍巖隧道，甚至在極端地質(zhì)條件下，運(yùn)用該工法仍然能夠有效控制圍巖變形，并實(shí)現(xiàn)全斷面開挖。其安全性、高效性以及在控制工期和費(fèi)用方面的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在歐洲各國(guó)得到了廣泛認(rèn)可，并被納入意大利隧道設(shè)計(jì)施工的相關(guān)規(guī)范。

新意法是基于巖體分類來(lái)確定超前支護(hù)和約束措施及其參數(shù)的隧道勘察、設(shè)計(jì)和施工方法的概括[3]，其核心思想是重視隧道開挖過(guò)程中的三維動(dòng)力學(xué)行為，并通過(guò)調(diào)節(jié)超前核心土的強(qiáng)度和剛度來(lái)控制巖體的變形。

新意法通過(guò)以下4個(gè)階段的工作來(lái)確保隧道開挖的短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。同時(shí)，這也是該方法能夠成功實(shí)施的關(guān)鍵因素。

（1）勘察階段。通過(guò)各種手段在現(xiàn)場(chǎng)獲得隧道開挖后巖體的自然平衡狀態(tài)（圖1）及各種物理力學(xué)參數(shù)。

（2）診斷階段。根據(jù)勘察階段獲得的資料，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)的方法預(yù)測(cè)隧道在無(wú)穩(wěn)固措施下的變形行為，并基于以上信息將隧道在線路上分成具有相似變形行為的區(qū)段。

（3）處治和實(shí)施階段。確定隧道開挖的方法、步驟及進(jìn)度，其中最重要的是確定采用何種穩(wěn)固措施（針對(duì)掌子面-超前核心土，見圖2、3，），并加以實(shí)施。

（4）監(jiān)測(cè)階段。同新奧法一樣，監(jiān)控量測(cè)也是新意法獲得施工動(dòng)態(tài)信息的重要手段，用以檢驗(yàn)隧道設(shè)計(jì)施工的準(zhǔn)確性，并根據(jù)反饋及時(shí)調(diào)整施工方案。

3 基于新意法的隧道機(jī)械化施工在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用和分析評(píng)價(jià)

3.1 隧道機(jī)械化施工在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

中國(guó)自20世紀(jì)70～80年代以新奧法為基礎(chǔ)建立起隧道的設(shè)計(jì)施工體系以來(lái)，隧道的機(jī)械化開挖以此為基礎(chǔ)逐步推進(jìn)發(fā)展，并取得了一系列成果。然而隨著隧道建設(shè)的規(guī)模越來(lái)越大，地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)施工方法的工藝、安全性及效率也遇到了新的挑戰(zhàn)。隧道施工是鉆爆開挖作業(yè)線、裝渣運(yùn)輸作業(yè)線、初期支護(hù)作業(yè)線、仰拱作業(yè)線和二次襯砌作業(yè)線之間互不干擾又相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)性作業(yè)，工程整體的機(jī)械化程度往往由機(jī)械化程度最小的作業(yè)線決定[4]。新奧法在隧道斷面較小、地質(zhì)條件較好的情況下能夠在保證安全的前提下實(shí)現(xiàn)全斷面施工，保證較高的施工效率；但在軟弱圍巖隧道施工中，為了避免變形過(guò)大甚至發(fā)生事故，往往采用分部開挖法縮小開挖斷面，使得大型機(jī)械難以發(fā)揮作用，隧道施工的機(jī)械化程度難以得到提升，大大影響了整個(gè)隧道的掘進(jìn)效率。

為解決隧道工程在軟弱圍巖甚至極端地質(zhì)條件下全斷面機(jī)械化施工這一難題，中國(guó)近年來(lái)逐漸引進(jìn)了新意法，并在特殊地質(zhì)條件下的隧道工程中取得了成功。

3.1.1 武廣客運(yùn)專線瀏陽(yáng)河隧道

武廣客運(yùn)專線瀏陽(yáng)河隧道位于長(zhǎng)沙市星沙區(qū)，隧道下穿瀏陽(yáng)河河底，過(guò)河段全長(zhǎng)362 m，隧道開挖斷面接近170 m2，穿越地層主要為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖等遇水易軟化巖層，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。隧道埋深最淺處僅為19.1 m，且河底段位于一向斜核部，圍巖破碎、透水性強(qiáng)，施工時(shí)極易發(fā)生拱部掉塊、坍塌，最終導(dǎo)致涌水突泥。

隧道過(guò)河段在施工中設(shè)置了長(zhǎng)度為90 m的新意法試驗(yàn)段，經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的驗(yàn)證后，研究人員最終確定了以超前管棚和注漿錨桿為主的預(yù)支護(hù)及預(yù)加固措施，其中超前管棚長(zhǎng)18 m，掌子面GFRP注漿錨桿長(zhǎng)18 m，密度為每8 m2安裝一根，搭接長(zhǎng)度均為5.4 m。掌子面開挖進(jìn)尺為每循環(huán)1.8 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，超前預(yù)加固及預(yù)約束措施明顯增強(qiáng)了圍巖穩(wěn)定性，相比傳統(tǒng)的分部開挖法既保證了施工安全又提高了施工效率[5-6]。

3.1.2 蘭渝鐵路桃樹坪隧道

蘭渝鐵路桃樹坪隧道全長(zhǎng)3 225 m，沿線地表溝谷發(fā)育，地形起伏大，最小埋深僅6 m。隧道下穿多個(gè)垃圾回填的淺埋溝谷以及饞柳高速、312國(guó)道、廠礦企業(yè)和密集的居民區(qū)。隧道開挖后揭示地層為富水未成巖粉細(xì)砂層，遇水易軟化，下部泥化現(xiàn)象明顯，圍巖等級(jí)由設(shè)計(jì)的V級(jí)最終變更為VI級(jí)，施工難度極大。

該隧道施工時(shí)，在不同的掌子面分別采用了基于新奧法的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法，以及基于新意法的全斷面開挖法。其中全斷面開挖時(shí)，在掌子面理論輪廓線上施作長(zhǎng)度為18 m的Φ800水平旋噴樁進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)，噴樁與隧道軸向夾角為5～10，搭接長(zhǎng)度為5 m，樁徑800 mm，相鄰兩樁緊密咬合；掌子面超前核心土采用長(zhǎng)度為18 m的Φ800玻璃纖維錨桿進(jìn)行預(yù)加固，其搭接長(zhǎng)度為5 m，加固密度為每斷面約50根，梅花形布置；在隧道起拱線處采用長(zhǎng)度為8 m的Φ600鎖腳旋噴樁保證隧道初期支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)，旋噴樁與隧道橫斷面中心線的夾角為30～45，樁間距為1 m。現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)比結(jié)果表明，采用巖土控制變形法施工更加簡(jiǎn)潔、安全、可靠，施工進(jìn)度可控，且經(jīng)濟(jì)性也相差不大[7-8]。

3.2 國(guó)外隧道機(jī)械化施工的應(yīng)用實(shí)例

3.2.1 意大利Vasto隧道

Vasto隧道位于意大利安科納至巴里鐵路線上，全長(zhǎng)約6 200 m，開挖直徑約12 m。隧道穿越地層為粉砂、砂質(zhì)粉土層及粘土層，且某些區(qū)段地層飽水，對(duì)斷層極為敏感。隧道原設(shè)計(jì)為臺(tái)階法開挖，盡管開挖過(guò)程中設(shè)置了較強(qiáng)的初支及二襯，并保留核心土進(jìn)行開挖，但隧道在施工過(guò)程中還是發(fā)生了嚴(yán)重的變形，并導(dǎo)致塌方。

為確保隧道施工的安全性，并確保隧道能夠按原計(jì)劃工期完成掘進(jìn)工作，Pietro Lunardi教授應(yīng)邀為該隧道重新確定設(shè)計(jì)施工方案。在前期勘察和診斷工作的基礎(chǔ)上，其團(tuán)隊(duì)最終確定了以下3種處治方式對(duì)超前核心土進(jìn)行保護(hù)和加固，使隧道能在確保施工安全和質(zhì)量的前提下進(jìn)行全斷面機(jī)械化施工，施工照片見圖4。

（1）在粉質(zhì)砂層及砂質(zhì)粉土區(qū)段，采用近水平旋噴注漿對(duì)掌子面前方理論輪廓線周邊進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)，同時(shí)對(duì)超前核心土采用旋噴注漿進(jìn)行預(yù)加固。

（2）在粘土質(zhì)粉土及粉質(zhì)粘土層區(qū)段，對(duì)掌子面前方理論輪廓線周邊采用玻璃纖維結(jié)構(gòu)件注漿進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)，同時(shí)對(duì)超前核心土采用玻璃纖維結(jié)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)加固。

（3）在粘土層區(qū)段，對(duì)掌子面前方理論輪廓線采用預(yù)切槽法施作預(yù)襯砌保護(hù)超前核心土（圖5），同時(shí)采用玻璃纖維結(jié)構(gòu)件對(duì)超前核心土進(jìn)行加固。

該隧道在極端困難的地質(zhì)條件下，采用新意法保證每月成洞約50 m的掘進(jìn)速率，最終按計(jì)劃完成了掘進(jìn)工作，而最初導(dǎo)致隧道停工的收斂變形也得到了很好的控制[9]。

3.2.2 意大利Vaglia隧道

Vaglia隧道是意大利博洛尼亞—佛羅倫薩大運(yùn)量高速鐵路新線上的一座區(qū)間隧道，全長(zhǎng)18.561 km，開挖斷面140 m2。隧道穿越地層主要為石灰?guī)r、泥灰質(zhì)石灰?guī)r和裂隙發(fā)育的泥灰?guī)r構(gòu)成的復(fù)理層。

由于圍巖本身具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，且大部分圍巖處于較密實(shí)的地層環(huán)境中，因此具有良好的地質(zhì)力學(xué)特性。根據(jù)掌子面-超前核心土穩(wěn)定型式，這部分圍巖拱效應(yīng)靠近洞壁自然產(chǎn)生，一般來(lái)說(shuō)沒有必要對(duì)地層采取干預(yù)措施，可以盡可能地保持較高的掘進(jìn)速率?？紤]到圍巖的特性，在這些地層中最終選擇了鉆爆法作為全斷面開挖的手段，并取得了良好的效果[10] 。施工照片見圖6。

3.2.3 意大利羅馬—那不勒斯高速鐵路線隧道群

羅馬—那不勒斯新建鐵路線全長(zhǎng)204 km，其中最長(zhǎng)的Colli Albani隧道達(dá)到了6 361.36 m。隧道穿越地層主要為火山噴發(fā)形成的火山碎屑地層、復(fù)理層以及泥灰質(zhì)和石灰質(zhì)巖組成的沉積巖層。

這些隧道在設(shè)計(jì)和施工階段以新意法作為基本理論：即使圍巖處在極端應(yīng)力-應(yīng)變條件下也堅(jiān)決采用全斷面施工方法，同時(shí)根據(jù)情況采用不同的處治方法保證隧道的長(zhǎng)期和短期穩(wěn)定?；谛乱夥ǖ睦碚搶?duì)開挖地層進(jìn)行可靠的應(yīng)力-應(yīng)變特性預(yù)測(cè)，并根據(jù)掌子面-超前核心土的穩(wěn)定性分類，將隧道分為若干個(gè)具有相近應(yīng)力-應(yīng)變特性的區(qū)段，各個(gè)區(qū)段可采用不同的處治措施以保證全斷面開挖時(shí)圍巖變形在可接受的范圍內(nèi)。

3.3 分析評(píng)價(jià)

通過(guò)國(guó)內(nèi)外的一些工程實(shí)例可以看出，新意法能夠適應(yīng)各種地層條件下的隧道施工，并且能夠在保證施工安全和質(zhì)量的同時(shí)，以較高的掘進(jìn)速率實(shí)現(xiàn)全斷面機(jī)械化施工。

在巖體地質(zhì)力學(xué)特性較好的隧道圍巖中，即圍巖分級(jí)系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖，以及掌子面-超前核心土穩(wěn)定性分類中的A類圍巖，雖然新奧法和新意法的隧道設(shè)計(jì)施工原理不盡相同，但由于此類圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性較好，隧道開挖后掌子面-超前核心土體系只存在彈性變形，2種方法下的隧道施工均選擇對(duì)圍巖擾動(dòng)較小的全斷面鉆爆法進(jìn)行隧道開挖。

在巖體地質(zhì)力學(xué)特性較差的圍巖中，即圍巖分級(jí)系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，以及掌子面-超前核心土穩(wěn)定性分類中的B類圍巖，隧道開挖后掌子面因彈-塑性變形只能維持短期的穩(wěn)定。這種情況下，新奧法往往采用縮小開挖斷面的分部開挖法（臺(tái)階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法等）來(lái)控制圍巖變形。新意法則通過(guò)采用一系列措施保護(hù)或加固超前核心土來(lái)控制圍巖變形，在此基礎(chǔ)上仍可實(shí)現(xiàn)全斷面機(jī)械化的開挖方式。

在極端地質(zhì)條件下的隧道圍巖中，即圍巖分級(jí)系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的Ⅵ級(jí)圍巖，以及掌子面-超前核心土穩(wěn)定性分類中的C類圍巖，隧道開挖后往往伴隨著劇烈的變形甚至坍塌。在這種情況下，新奧法通常采用更加極致的分部開挖法（雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法等）以及超前管棚和小導(dǎo)管注漿等措施來(lái)控制圍巖變形。新意法則通過(guò)加強(qiáng)預(yù)約束及預(yù)加固措施來(lái)保證隧道圍巖處于彈性變形范圍內(nèi)，并采用全斷面機(jī)械化的開挖方式進(jìn)行隧道掘進(jìn)。

3.4 推廣應(yīng)用新意法的幾點(diǎn)建議

新意法大斷面軟弱圍巖隧道全斷面機(jī)械化施工具有廣泛的適用性、可靠性以及很好的應(yīng)用前景，要填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在這方面的研究空白，實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用推廣需做好以下幾個(gè)方面的工作。

（1）隧道施工的機(jī)械化是大勢(shì)所趨，雖然現(xiàn)階段中國(guó)隧道施工仍是以基于新奧法的中小型機(jī)械施工為主，但隨著社會(huì)的發(fā)展，大跨度軟弱圍巖隧道全斷面機(jī)械化施工必將成為國(guó)內(nèi)隧道施工的一個(gè)重要研究方向。因此，盡快進(jìn)行相關(guān)研究是十分必要的。

（2）新意法為大跨度軟弱圍巖隧道全斷面施工提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，提出一套基于新意法的軟弱圍巖隧道全斷面開挖的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控量測(cè)和管理措施方案，對(duì)提高中國(guó)隧道施工的機(jī)械化水平、改善隧道施工環(huán)境、完善隧道設(shè)計(jì)施工體系具有重大的意義。

（3）大斷面軟弱圍巖隧道全斷面施工需要大型機(jī)械設(shè)備和相關(guān)儀器設(shè)備（如預(yù)切槽機(jī)等）的支持，因此引進(jìn)和研發(fā)相關(guān)機(jī)械設(shè)備和儀器是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

（4）新意法與新奧法在工藝及設(shè)計(jì)理念上不盡相同，因此應(yīng)用此方法時(shí)在隧道初期支護(hù)、仰供、二次襯砌的受力問(wèn)題上應(yīng)開展專門研究。

（5）掌子面-超前核心土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性控制及監(jiān)控是新意法的關(guān)鍵所在，除文中介紹的相關(guān)措施外，著力尋找和論證更多廉價(jià)可靠的控制對(duì)策，能夠?yàn)樾乱夥ㄔ趪?guó)內(nèi)的推廣起到關(guān)鍵作用。

（6）新意法有著先進(jìn)的設(shè)計(jì)施工理念，然而結(jié)合當(dāng)下國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，完全照搬其設(shè)計(jì)施工方法進(jìn)行推廣具有很大的阻力。因此，在引進(jìn)、學(xué)習(xí)、吸收和消化的基礎(chǔ)上進(jìn)行再創(chuàng)新，總結(jié)出一套適合中國(guó)基本國(guó)情的大跨度軟弱圍巖全斷面機(jī)械化設(shè)計(jì)施工體系是所有從業(yè)者共同的責(zé)任和使命。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道工程的難易程度取決于設(shè)計(jì)和施工人員對(duì)圍巖原有自然平衡狀態(tài)的了解程度，并基于此采取正確的設(shè)計(jì)方法和合適的開挖工法及穩(wěn)固措施。

新意法的出現(xiàn)使人們更加注重隧道開挖過(guò)程的三維力學(xué)行為，并逐漸認(rèn)識(shí)到隧道開挖后變形反應(yīng)的真正原因?；谛乱夥ǖ娜珨嗝嫠淼朗┕し椒樗淼朗┕C(jī)械化發(fā)展提出了新的思路，全面研究新意法的基本理論，學(xué)習(xí)其在施工方法上的各項(xiàng)創(chuàng)新，并結(jié)合中國(guó)具體國(guó)情對(duì)其進(jìn)行發(fā)展和改進(jìn)，必然能夠?yàn)橹袊?guó)隧道建設(shè)帶來(lái)新的革命。

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