控制巖土變形的分析法與新奧法的比較

為了?2014?年在索契舉辦冬奧會，俄羅斯進(jìn)行了大量投資，改善索契交通網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，修建新的索契高速公路，即著名的庫洛特大街替代方案，它與黑海海岸線平行，從地下通過索契市區(qū)，直達(dá)奧運(yùn)場館和阿德爾機(jī)場。這項總長?16??km?的新干線工程，包括修建?8?對（16?區(qū)段）單孔隧道，以及明挖段、路堤和橋梁。

由于地層特性和工期緊迫引起的困難，俄羅斯決定在?T8、T8a?隧道設(shè)計和施工中采用生產(chǎn)率高、風(fēng)險性小的“控制巖土變形的分析法（以下簡稱?ADECORS?法）”。這?2?個隧道長度最長，情況也最復(fù)雜。該方法被認(rèn)為是修建意大利博洛尼亞—佛羅倫薩新高速鐵路期間開挖隧道最可靠的方法，并且曾用這個方法開挖地層同索契相類似的隧道?100??km?以上。人們對T8、T8a?隧道之所以感興趣，是因為在同一高速公路上其他隧道（盡管隧道較短、困難較?。┚捎眯聤W法（NATM）開挖，新奧法在俄羅斯隧道施工中已積累了經(jīng)驗，并享有盛譽(yù)。因此，作者首次基于實際數(shù)據(jù)對?2?種施工方法進(jìn)行比較。

1 隧道開挖方法

這條索契高速公路提供上下行的雙洞平行隧道，每一隧道內(nèi)有?2?個車道，設(shè)計速度為?120??km/h，需要開挖一系列隧道（圖?1）。T8、T8a?隧道采用?ADECO-RS?法全斷面開挖，除了因為它的長度比其他隧道長以外，還因為它的橫斷面較大（120～220??m2）。在北洞口（滑坡區(qū)）的隧道橫斷面為?220??m2，隧道埋深淺。這里還是新老公路的交匯點(diǎn)。其他隧道采用?NATM?多臺階開挖（圖?2）。

圖1 索契高速公路采用不同開挖方法的隧道段

圖2 T8、T8a 隧道開挖斷面120～220m2，其他隧道開挖斷面113～115m2（單位：mm）

2 地質(zhì)條件

索契位于高加索山脈的西坡，山脈在黑海與里海之間大約?1??100～1??200??km?的范圍內(nèi)展開。高加索山系大約在?2??500?萬年以前的新生代形成，是阿拉伯板塊與歐洲板塊相撞的結(jié)果。在這一背景下，索契的新高速公路位于黑海沿岸，其地貌特征是丘陵起伏和草木叢生。

正如地質(zhì)縱剖面圖?3?所示，T8、T8a?隧道穿過索契構(gòu)造帶（由黏土巖、粉質(zhì)黏土組成）和瑪瑪伊構(gòu)造帶（由泥灰?guī)r、厚砂頁巖夾層、鱗狀結(jié)構(gòu)組成），這?2?個構(gòu)造帶受斷層切割形成交錯互層。值得注意的是，崩塌的、殘積的沉積物在隧道洞口附近和淺埋段聚合，形成活躍的滑坡區(qū)。

圖3 城區(qū)地下的T8、T8a隧道和地質(zhì)縱剖面

3 T8、T8a 隧道的設(shè)計

根據(jù)?ADECO-RS?法的預(yù)測，T8、T8a?隧道將在全長不穩(wěn)定的條件下，即核心工作面不穩(wěn)定的條件下進(jìn)行開挖。通?！昂诵墓ぷ髅妗比珨嗝骈_挖必須采取防護(hù)和加固措施，并使隧道二次襯砌仰拱離工作面保持小于隧道1?倍直徑的距離（圖?4）。

圖4 在超前周邊外輪廓和在核心斷面采取穩(wěn)定措施的隧道典型斷面（單位：m）

采用ADECO-RS?法施工，在所有情況下，對核心工作面采取了持續(xù)的穩(wěn)定措施，產(chǎn)生了足夠大的水平應(yīng)力。在可能產(chǎn)生滑坡的北洞口，采用帶有仰拱的C2W?斷面型式限制變形的發(fā)展。隧道的其他斷面沿核心斷面周邊采用玻璃纖維結(jié)構(gòu)加固防護(hù)，沿核心斷面外輪廓通過設(shè)有袖閥管的玻璃纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行注漿。圖?5?展示采取穩(wěn)定措施開挖的隧道斷面。

圖5 采取穩(wěn)定措施建成的隧道斷面

4 T8、T8a隧道的生產(chǎn)率

由于施工對建筑材料的需求量極大，加之寒冬的氣候條件給海運(yùn)造成的困難，給高度工業(yè)化的?ADECO-RS法的有效利用增加了麻煩。盡管如此，T8、T8a?隧道的開挖速度仍達(dá)到?40～90??m/月。唯有在北洞口滑坡體下面采用的是大斷面，開挖速度僅為?20??m/月，這是個例外。雖然遇到的困難很多，但由于采用?ADECO-RS法逐步取得了經(jīng)驗，同時加強(qiáng)了組織管理，開挖生產(chǎn)率很快達(dá)到預(yù)期值。

5 控制巖土變形的分析法（ADECO-RS）與新奧法（NATM）兩種方法的比較

5.1 巖石開挖量、成洞長度和隧道穩(wěn)定時間

將?T8、T8a??隧道（ADECO-RS）每月、每工作面的巖石開挖量和成洞長度，與?T7、T7a，…，T3、T3a隧道（NATM）的相應(yīng)值進(jìn)行對比。ADECO-RS?的每月、每工作面的巖石開挖量是?NATM?的?2.26?倍；ADECORS?的每月、每工作面的成洞長度是?NATM?的?1.59?倍。還必須指出的是，對于隧道的單個工作循環(huán)來說，從工作面破土到完成二次襯砌，即達(dá)到隧道完全穩(wěn)定的時間，ADECO-RS?只需要?3?周的時間，而?NATM?則需要至少?10?周，甚至更多。

5.2 成本

一般來說，在困難條件下隧道采用ADECO-RS?法進(jìn)行全斷面開挖，需要對核心斷面采取穩(wěn)定措施，成本較高。然而，在索契的經(jīng)驗表明：NATM?成本更高，因NATM?使用的人力比?ADECO-RS?多，且多數(shù)采用的是小型機(jī)械，而?ADECO-RS?采用少量的大功率機(jī)械。再者，考慮?ADECO-RS?的生產(chǎn)率明顯比?NATM?高出?30%，這是施工組織的直接結(jié)果，這意味著工期將可縮短。如果考慮隧道施工的工業(yè)化，ADECO-RS?在降低成本方面將有更大的優(yōu)勢。

5.3 安全

雖然俄羅斯的施工企業(yè)和設(shè)計人員在應(yīng)用?NATM?方面的經(jīng)驗多于?ADECO-RS，但首次采用?ADECO-RS?進(jìn)行隧道全斷面開挖非常順利，未發(fā)生任何事故。采用NATM?進(jìn)行斷面分部開挖，曾發(fā)生過一些工人受傷的事故。由于?ADECO-RS?全斷面推進(jìn)可以獲得較大的工作空間，容許開挖全部機(jī)械化，實際上完全避免了在工作面出現(xiàn)沒有防護(hù)的工人。另一個原因是從開挖到施作初期支護(hù)到完成二次襯砌的時間很短，可以避免應(yīng)力發(fā)展到隧道嚴(yán)重不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)然，連續(xù)觀測前方核心斷面的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，防患于未然是極為重要的。

6 小結(jié)

ADECO-RS?設(shè)計和施工方法的特點(diǎn)：隧道工程師的主要關(guān)注點(diǎn)是，地層對開挖作用的變形反應(yīng)。在設(shè)計階段，采用各種手段（足尺的和實驗室試驗、數(shù)學(xué)模型等）對變形反應(yīng)進(jìn)行分析和預(yù)測，此后在施工階段采取適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定措施加以控制。

通過對?ADECO-RS?與?NATM?兩種方法在相同條件下的比較表明，ADECO-RS?法在困難的地質(zhì)條件下，伴隨著核心斷面的穩(wěn)定進(jìn)行全斷面開挖，表現(xiàn)出許多優(yōu)點(diǎn)：達(dá)到相當(dāng)高的生產(chǎn)率，實現(xiàn)了施工工業(yè)化，縮短工期，減少勞動力，創(chuàng)造更安全的施工環(huán)境。

[1]Nikolai Batyrev.Two Tribes[J].Tunnels and Tunnelling,2016（12）：28-34.