新意法在國外隧道不良地質(zhì)中的應(yīng)用

張　磊

(中國土木工程集團(tuán)有限公司，北京　100038)

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新意法在國外隧道不良地質(zhì)中的應(yīng)用

張磊

(中國土木工程集團(tuán)有限公司，北京100038)

張磊(1985—)，工程師，碩士，研究方向：隧道與地下工程。

摘要：新意法作為繼新奧法之后興起的一種隧道修建理念，為解決軟弱圍巖等復(fù)雜條件下新奧法無法施工或很難施工的技術(shù)難題提供了新的解決途徑，具有可全斷面機(jī)械開挖、安全質(zhì)量風(fēng)險可控等優(yōu)點(diǎn)。文章介紹了新意法的核心理論思想，并結(jié)合在國外實施的甘塔斯隧道工程實例，闡述了新意法理念獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：新意法；超前核心土；玻璃纖維錨桿；全斷面開挖法；膨脹性圍巖；侵限換拱

0引言

目前我國隧道建設(shè)主要采用新奧法，其理論精髓是“保護(hù)、利用和調(diào)動圍巖自承能力”，并通過超前預(yù)報、錨噴支護(hù)和監(jiān)控量測等系列手段來實現(xiàn)，見下頁圖1。該方法已在國內(nèi)得到廣泛使用，并形成“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”等中國特色方法[1-2]。但在新奧法應(yīng)用過程中，由于其理論自身尚存不足以及眾人對其理解存在差異，有的還造成了慘痛的失敗和教訓(xùn)。

圖1　新奧法施工程序圖

20世紀(jì)70年代中期，意大利Pietro Lunardi教授在研究圍巖壓力拱理論和新奧法施工理論時，結(jié)合對數(shù)百座隧道理論研究和現(xiàn)場試驗研究，創(chuàng)立了新意法。該方法目前在意大利以及其他歐洲國家已得到較為廣泛的應(yīng)用，尤其是在復(fù)雜多變的不良地層環(huán)境中。雖然新意法在國內(nèi)已應(yīng)用于桃樹坪隧道、瀏陽河隧道等[3]，但其核心理論思想仍未被廣大隧道建設(shè)者所熟知，而且可參考實例較少。本文將結(jié)合在國外施工的甘塔斯隧道遭遇的不良地質(zhì)實施過程中的教訓(xùn)經(jīng)驗，談?wù)剬π乱夥ɡ砟畹乃伎肌?/p>

1新意法核心理論思想

新意法是通過對隧道掌子面前方超前核心土的勘察、量測，預(yù)報圍巖的應(yīng)力-應(yīng)變形態(tài)，并將其劃分為A、B、C三種拱效應(yīng)類型，同時據(jù)以信息化設(shè)計和施工措施，確保隧道安全穿越復(fù)雜不良地層和實現(xiàn)全斷面開挖的一種設(shè)計、施工理念[4]。

1.1新意法理論基礎(chǔ)

新意法理論認(rèn)為隧道掌子面前方存在超前核心土，其高度和長度與隧道輪廓的直徑有關(guān)。新意法將隧道變形分成三類，即預(yù)收斂變形、擠出變形和收斂變形，見圖2。隧道開挖后的變形過程為：從掌子面前方圍巖的擠出變形開始，逐漸向掌子面前方發(fā)展；掌子面前方地層向坑洞擠壓，引起前方圍巖松動，發(fā)生預(yù)收斂變形；再由于預(yù)收斂變形引動，在坑洞四周引起收斂變形。

圖2　超前核心土和隧道變形圖

新意法理論認(rèn)為：(1)超前核心土的強(qiáng)度和對變形的敏感性對隧道的長期和短期穩(wěn)定起決定性作用；(2)通過對超前核心土采取相應(yīng)防護(hù)和加固措施，以控制超前核心土變形(擠出變形及預(yù)收斂變形)，從而達(dá)到控制隧道變形(收斂變形)的目的；(3)超前核心土變形取決于其自身的強(qiáng)度和剛度，可通過調(diào)節(jié)其強(qiáng)度和剛度來最終控制隧道變形，因此可把超前核心土視為一種新的工具用以控制隧道的長短期穩(wěn)定性。這些共同構(gòu)成了新意法理論基礎(chǔ)[5]。

新意法理論認(rèn)為能否沿隧道開挖輪廓形成合適的成拱效應(yīng)，將決定隧道結(jié)構(gòu)的整體性及壽命。根據(jù)掌子面-超前核心土應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、超前核心土穩(wěn)定狀態(tài)以及隧道變形情況等，把隧道拱效應(yīng)分為三種基本類型，見表1[6]。

表1　隧道拱效應(yīng)類型表

1.2新意法隧道設(shè)計施工程序

新意法隧道強(qiáng)調(diào)對超前核心土的加固和保護(hù)，其流程分兩大過程、五大階段，設(shè)計施工程序見圖3，隧道穩(wěn)固措施作用類型見圖4[7]，綜合考慮縱、橫斷面類型選擇穩(wěn)固措施見圖5。

圖3　新意法隧道設(shè)計施工程序圖

圖4　穩(wěn)固措施作用類型表截圖

圖5　綜合考慮縱橫斷面類型選擇穩(wěn)固措施表截圖

2新意法理念國外實踐應(yīng)用

近年來，越來越多的國內(nèi)建筑企業(yè)走出國門，尤其是國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，國外隧道項目逐步增多，遇到的地質(zhì)情況更加復(fù)雜，新奧法和新意法理念碰撞將更突出。

2.1甘塔斯隧道工程概況

阿爾及利亞甘塔斯鐵路隧道全長7.3 km，為雙洞單線隧道(左線V1K102+086～V1K109+432，右線V2K102+074～V2K109+409)，左、右線出口端線間距24 m。隧道最大埋深390 m，圓拱曲墻式襯砌，開挖斷面60～110 m2，襯砌內(nèi)輪廓凈空42 m2。

隧道地處阿爾卑斯褶皺帶，地應(yīng)力主方向與隧道走向近乎垂直，易造成圍巖的塑性變形。隧道圍巖以具膨脹性的泥灰?guī)r、頁巖等軟巖為主，單軸抗壓強(qiáng)度0.75～7.57 kPa。隧道出口圍巖主要為全、強(qiáng)風(fēng)化第三系泥灰?guī)r，巖質(zhì)軟，巖體破碎多呈土狀，穩(wěn)定性差，具膨脹性，拱部易掉塊、坍塌[8]。

2.2隧道出口不良地質(zhì)段技術(shù)難題

從2013年7月，隧道出口遭遇不良地質(zhì)段(高地應(yīng)力、強(qiáng)膨脹性泥灰?guī)r，埋深80～150 m)，采用傳統(tǒng)新奧法施工的初期支護(hù)變形嚴(yán)重，侵入二襯界限。雖在當(dāng)時已有設(shè)計支護(hù)類型內(nèi)，不斷改善施工工藝、加強(qiáng)支護(hù)形式，但未能有效控制，并導(dǎo)致多次換拱作業(yè)。因項目業(yè)主監(jiān)理基于降低工程造價、洞內(nèi)地勘資料不足以及圍巖巖性待驗證等原因，設(shè)計施工支護(hù)方法較長時間內(nèi)都在嘗試摸索、反復(fù)試驗。不僅嚴(yán)重拖延了工程進(jìn)度，也提高了工程造價，安全、質(zhì)量無法得到保證。

2014年9月份，采用新意法理念設(shè)計的支護(hù)后，才順利通過該不良地質(zhì)段?？紤]隧道出口兩洞地質(zhì)情況相差不大，左洞較右洞超前實施，以更有代表性的左洞為例對不良地質(zhì)段施工情況進(jìn)行闡述。

隧道支護(hù)類型參數(shù)見下頁圖6，左洞施工采用的初支和換拱支護(hù)類型見下頁圖7。

圖6　隧道支護(hù)類型參數(shù)表截圖

圖7　隧道出口左洞初支和換拱支護(hù)類型圖

2.2.1不良地質(zhì)段施工狀況

(1)第一次侵限

2013年7月13日至9月9日，里程V1K108+703～V1K108+618，采用預(yù)留核心土三臺階法(見圖5)，開挖支護(hù)類型由A3(間距1.2 m)→A3(間距1 m)→A1(間距1 m)→A1(間距0.8 m)→A1(間距0.6 m)逐步加強(qiáng)，但未能控制初支沉降、收斂變形，導(dǎo)致該施工段侵限最大值達(dá)33 cm，掌子面停止掘進(jìn)。隨后對侵限段落上導(dǎo)加設(shè)鋼管橫撐加固，并回填土封閉以確保洞內(nèi)安全，見圖8～10。

圖8　預(yù)留核心土三臺階法施工圖

圖9　混凝土開裂拱架變形施工圖

圖10　上導(dǎo)加設(shè)橫撐并填土施工圖

(2)第一次換拱和第二次侵限

2014年10月12日，采用D1支護(hù)類型對侵限V1K108+703～V1K108+618進(jìn)行換拱施工。

V1K108+703～V1K108+624里程換拱前初支封閉成環(huán)，只對仰拱以上換拱，見圖11。

V1K108+624～V1K108+618里程換拱前只施工了上導(dǎo)及中導(dǎo)(未封閉)，換拱施工采用增設(shè)臨時仰拱方式進(jìn)行，并且在施工最后三榀拱架時進(jìn)行掌子面鋼筋錨桿加固，見圖12。在拆除臨時仰拱施工初支仰拱過程中收斂顯著加快，此段再次發(fā)生侵限需要二次換拱，同時已換拱V1K108+630～V1K108+624里程受其影響也再次發(fā)生侵限，見圖13。

圖11　V1K108+703-V1K108+624里程換拱施工圖

圖12　掌子面鋼筋錨桿加固施工圖

圖13　V1K108+634-V1K108+624換拱后再次侵限示例圖

(3)重新設(shè)計支護(hù)類型E1，掌子面恢復(fù)開挖，第三次侵限

對V1K108+703～V1K108+618侵限段進(jìn)行換拱的同時，根據(jù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)侵限最大區(qū)域多為臺階法中拱架連接處，故認(rèn)為導(dǎo)致侵限的主要原因是不能夠及時拱架閉合成環(huán)，因此重新設(shè)計E1支護(hù)類型。

2014年12月21日采用E1類型恢復(fù)掌子面開挖施工V1K108+618～V1K108+605，但量測數(shù)據(jù)仍表明初支沉降、收斂速率較快，同時出現(xiàn)掌子面外鼓突出(多達(dá)1 m)、初支混凝土開裂、臨時仰拱失效(向上鼓起)現(xiàn)象，最終該段全部侵限?，F(xiàn)場隨即對已失效臨時仰拱進(jìn)行了拆除及重新安裝，并加設(shè)型鋼斜撐于重新施做的臨時仰拱上，見圖14～16。

圖14　施工上中導(dǎo)后掌子面外鼓突出示例圖

圖15　臨時仰拱上鼓失效，重新架設(shè)施工圖

圖16　重新架設(shè)臨時仰拱，加設(shè)型鋼斜撐施工圖

(4)重新設(shè)計支護(hù)類型E1R，掌子面恢復(fù)開挖，第二次換拱，第三次侵限

考慮到E1支護(hù)類型未能滿足隧道當(dāng)前地質(zhì)，重新設(shè)計了E1R支護(hù)類型，見圖17。2014年1月14～26日按照此支護(hù)類型施工了V1K108+605～V1K108+598里程，但未拆除臨時仰拱施工初支仰拱。

圖17　E1R支護(hù)類型示意圖

由于已采用E1支護(hù)施工及原換拱的段落變形嚴(yán)重，拱架存在失穩(wěn)風(fēng)險，暫停了掌子面掘進(jìn)。2014年1月27日～3月8日對再次侵限段落V1K108+630～V1K108+605換拱，換拱方案為在E1R支護(hù)類型基礎(chǔ)上，拆除臨時仰拱前，在中導(dǎo)與下導(dǎo)連接部位兩側(cè)各增3根6 m長錨桿。

2014年3月繼續(xù)采用E1R支護(hù)恢復(fù)掌子面施工，掘進(jìn)施工至V1K108+584里程。雖支護(hù)變形收斂較之前有所減緩，但在拆除臨時仰拱施工初支仰拱后，收斂變形仍未能控制住，導(dǎo)致V1K108+605～V1K108+584初支出現(xiàn)侵限。

(5)小導(dǎo)洞提前釋放應(yīng)力方案，第四次侵限

2014年4月份，項目嘗試通過小導(dǎo)洞(斷面42 m2，從V1K108+584起小里程方向)方式先行掘進(jìn)，待圍巖情況好轉(zhuǎn)后，再恢復(fù)正常斷面施工，見圖18。

圖18　隧道小導(dǎo)洞先行施工圖

2014年8月底，按照小導(dǎo)洞方案開挖支護(hù)252 m后，突遇掌子面出現(xiàn)較大股狀水流，浸泡了已經(jīng)完成的后方初期支護(hù)段，導(dǎo)致仰拱突然向上隆起，仰拱拱架斷裂，項目上采用了回填土封閉和加設(shè)橫撐加固(見圖19)。V1K108+651～V1K108+605里程受到小導(dǎo)洞強(qiáng)烈收斂變形延伸影響，變形侵限嚴(yán)重，掌子面小導(dǎo)洞終止掘進(jìn)。

圖19　小導(dǎo)洞仰拱隆起，加設(shè)橫撐變形施工圖

2.2.2不良地質(zhì)段技術(shù)難題解決

在按照小導(dǎo)洞方案施工的同時，為證實施工過程中所遇到的破壞現(xiàn)象與圍巖膨脹性有關(guān)，委托當(dāng)?shù)睾蛧鴥?nèi)有關(guān)單位進(jìn)行了巖石膨脹性實驗，證實隧道出口不良地質(zhì)段有側(cè)限膨脹力最高可達(dá)518 kPa，屬于強(qiáng)膨脹性圍巖。根據(jù)此結(jié)論并經(jīng)過計算驗證，最終形成按照新意法全面段開挖、玻璃纖維錨桿注漿加固超前核心土、多層剛性支護(hù)的設(shè)計理念，并設(shè)計了F1(三層)、F2(二層)、F3(一層)三種支護(hù)類型。

F1三層支護(hù)類型最早在隧道出口右洞嘗試應(yīng)用，2014年9月21日至2014年11月11日試驗了15 m，其支護(hù)示意圖和施工照片見圖20～21。經(jīng)過量測，初支內(nèi)應(yīng)力及位移和地層壓力都得到了很好的抑制，沒有出現(xiàn)之前的邊墻破壞及仰拱隆起現(xiàn)象。隨后出口右洞開挖支護(hù)從F1、F2逐步過渡到F3支護(hù)類型。

圖20　隧道出口右洞F1三層支護(hù)示意圖

圖21　隧道出口右洞F1三層支護(hù)掌子面施工圖

2015年2月26日至10月10日采用F2支護(hù)類型施工左洞V1K108+651～V1K108+417侵限段，2015年10月11日至12月6日采用F1支護(hù)類型施工左洞V1K108+418～V1K108+584侵限段，2015年12月7日起掌子面采用F3支護(hù)類型施工。

經(jīng)長時間監(jiān)控量測，換拱段和掌子面新開挖支護(hù)段均未再發(fā)生失穩(wěn)及侵限。

2.3不良地質(zhì)段技術(shù)難題總結(jié)

從2013年7月隧道出口遭遇不良地質(zhì)、頻繁侵限換拱算起，到右洞2014年9月嘗試按F1支護(hù)試驗成功已有1年2個月時間，再到左洞2015年12月采用F3支護(hù)類型恢復(fù)掌子面正常開挖共有2年半時間，項目承受了巨大的工期、安全、成本等壓力。

為找到可行開挖支護(hù)方法，項目多次組織隧道專家組會診，從傳統(tǒng)新奧法包括預(yù)留核心土平衡掌子面土壓力、施作超前支護(hù)(超前錨桿、小導(dǎo)管、大管棚)注漿加固后分部開挖或者幾種方法綜合，最終在新意法理念中找到突破。

3結(jié)語

(1)隧道設(shè)計過程中，要重視地質(zhì)勘察，只有獲取準(zhǔn)確的地勘資料和進(jìn)行圍巖巖性分析，才能為隧道設(shè)計施工提供最基礎(chǔ)可靠的依據(jù)，減少盲目性和純經(jīng)驗性。

(2)隧道施工過程中，要做好超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測，及時反饋隧道坑洞周邊地層和支護(hù)效果，為設(shè)計施工提供有力決策數(shù)據(jù)。

(3)新奧法施工忽視超前核心土的重要性，僅把注意力集中在隧道開挖后的變形收斂上，而沒有關(guān)注造成隧道失穩(wěn)的根本性原因。

(4)新奧法使用較多的是臺階法等分步開挖方式，結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)換頻繁，而新意法理念主張全斷面、快施工，不僅可以有效控制工程進(jìn)度、工程質(zhì)量和施工安全，還可以降低工程風(fēng)險和工程造價。

(5)新意法具有更廣的應(yīng)用范圍，其強(qiáng)調(diào)對隧道超前核心土加固和保護(hù)，并在設(shè)計施工中采取相應(yīng)強(qiáng)度和剛度措施，能更好解決軟弱圍巖、膨脹性擠壓地層等新奧法無法施工或很難施工的復(fù)雜地段的施工難題。

(6)由于甘塔斯隧道是在遇到傳統(tǒng)新奧法很難通過時，才逐步嘗試摸索按照新意法理念重新設(shè)計支護(hù)類型，因此沒有完全按照新意法設(shè)計施工流程進(jìn)行，但從整個隧道出口不良地質(zhì)段最終能順利解決的情形來看，仍能很好表明新意法具有傳統(tǒng)隧道施工方法所無法比擬的優(yōu)勢，因此未來有很好的發(fā)展應(yīng)用前景。

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Application of ADECO-RS Method in Foreign Tunnel Adverse Geology

ZHANG Lei

(China Civil Engineering Construction Corporation，Beijing，100038)

Abstract：As a new tunnel construction concept after NATM，ADECO-RS provides a new solution for the technical problems that NATM can not be implemented or the construction is difficult under weak sur-rounding rock and other complex conditions，which has the advantages such as full-section mechanical excavation，and controllable safety and quality risks.This article introduced the core theoretical ideas of ADECO-RS method，and combined with the Gan Tasman Tunnel project example implemented in for-eign country，it described the unique technology advantages and application prospects of ADECO-RS concept.

Keywords：ADECO-RS；Advance core soil；Glass fiber bolt；Full-section excavation method；Swelling surrounding rocks；Limit-invasion arch replacement

收稿日期：2016-01-28

文章編號：1673-4874(2016)02-0063-07

中圖分類號：U455.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.015

作者簡介