淺談新意法隧道施工理念及主要施工方法

宋 迪

(遼寧省交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司 沈陽市 110000)

新意法(NITM)即New Italian Tunneling Method，是40多年前意大利的Pietro Lunardi 教授在圍巖壓力拱理論及新奧法理論研究的基礎(chǔ)上，通過數(shù)百座隧道的結(jié)構(gòu)分析和研究逐步創(chuàng)建出的巖土控制變形分析(ADECO-RS)法，它強調(diào)通過調(diào)節(jié)超前核心土的穩(wěn)定性來控制隧道變形。該工法被意大利公路、鐵路領(lǐng)域廣泛采用并納入規(guī)范，且在歐洲許多國家的大型隧道施工項目中得到應(yīng)用[1]。國內(nèi)的臥龍隧道口、瀏陽河隧道、桃樹坪隧道等對新意法的部分要素進行了嘗試，并取得了不錯的效果[2]。

1 新意法概述

1.1 幾個重點概念的介紹

(1)超前核心土：隧道掌子面前方，范圍大致等于隧道直徑的圓柱形土體。

(2)掌子面擠出變形：隧道開挖時因超前核心土變形，產(chǎn)生的掌子面鼓出等變形現(xiàn)象。

(3)隧道預(yù)收斂：超前核心土外輪廓圍巖的收斂變形，取決于超前核心土的變形特性。

1.2 新意法核心理念

新意法認為隧道圍巖的變形分為收斂變形、預(yù)收斂變形及掌子面擠出變形，如圖1。因預(yù)收斂變形及掌子面擠出變形均取決于超前核心土的強度及變形特性，進而得出超前核心土的特性對整個隧道的圍巖變形起關(guān)鍵作用。新意法通過對隧道掌子面超前核心土巖體結(jié)構(gòu)特性、巖體堅硬程度等特征判定將超前核心土穩(wěn)定類型分為A、B、C三類，并將每種穩(wěn)定類型與隧道整體變形情況對應(yīng)關(guān)聯(lián),見表1。

圖1 隧道圍巖變形種類

當(dāng)預(yù)測判定超前核心土為不穩(wěn)定類型時，為了確保隧道安全穿越復(fù)雜地層，可以通過輔助手段將超前核心土加固至穩(wěn)定類型，甚至依賴超前核心土，將其視為控制隧道圍巖變形和穩(wěn)定的重要工具，即提高超前核心土的剛度和強度就能夠調(diào)整圍巖預(yù)收斂及掌子面擠出變形的程度，達到圍巖穩(wěn)定的目的。

1.3 新意法的工作內(nèi)容

新意法主要分為勘察階段、診斷階段、處治階段、實施階段及監(jiān)測階段。

(1)勘察階段：采用既有技術(shù)對隧道線路地質(zhì)進行調(diào)查、收集，充分獲取巖體物理性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)等所需資料，為后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。

(2)診斷階段：根據(jù)勘察階段數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬、有限元分析等方法，依據(jù)既定劃分標(biāo)準將超前核心土及隧道圍巖穩(wěn)定情況分類。

(3)處治階段：根據(jù)診斷類別，針對既有施工機具及加固手段確定施工方案及支護方法和參數(shù)。新意法提倡對超前核心土不穩(wěn)定狀況采取預(yù)加固措施。

(4)實施階段：按處治方案施工，并按設(shè)計要求安裝監(jiān)控設(shè)備，根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)，可對施工方案及支護參數(shù)等進行動態(tài)調(diào)整。

(5)監(jiān)測階段：按設(shè)計對掌子面擠出變形量、圍巖收斂變形量進行監(jiān)測，實時向設(shè)計反饋，優(yōu)化隧道施工方案。

2 新意法與新奧法比較

2.1 新奧法特點

新奧法是目前山嶺隧道施工最常用的方法。它的主要理念是最大限度地保護隧道圍巖，充分發(fā)揮圍巖的自支撐能力；當(dāng)判定圍巖狀態(tài)不穩(wěn)定時，所采取的噴錨、鋼拱架等輔助初期支護措施都視為與圍巖共同抵抗變形；同時新奧法同樣強調(diào)監(jiān)控量測的實施及作用，通過對隧道拱頂沉降、周邊收斂等監(jiān)測來判定隧洞的實際狀態(tài)。

2.2 新意法與新奧法比較

新意法與新奧法相比較，其實兩種方法并不矛盾，新意法可以看做新奧法的發(fā)展及延伸。很多新奧法的理論新意法也是支持和贊同的，只是新意法更側(cè)重超前核心土對圍巖穩(wěn)定的影響，而新奧法對這一部分卻完全忽視了。從空間上來看，新意法能夠在三維空間做足功課，而新奧法大多還在平面上解決問題。同時，新意法提倡預(yù)支護后采用全斷面施工來避免對圍巖的多次擾動，而新奧法為了適應(yīng)各種圍巖情況需要采用臺階法、CD或CRD等等分部施工方法，從工程工期和造價上來說，新意法均比新奧法更加容易控制，兩種方法的比較詳見表2。

3 新意法隧道掌子面預(yù)支護的主要方法

3.1 三種穩(wěn)定狀態(tài)超前核心土的預(yù)支護方法

新意法在處治階段會根據(jù)勘察及診斷得出的超前核心土類別選擇不同的預(yù)支護方式。對于A類掌子面長期穩(wěn)定的狀態(tài)，會采用與新奧法類似的洞身噴錨支護，及時對洞身圍巖進行封閉，防止圍巖弱化、掉塊等；對于B類掌子面短期穩(wěn)定的狀態(tài)，會結(jié)合具體的施工速度，除采用上述洞身支護外，對超前核心土?xí)捎谜谱用鎳婂^支護或玻璃纖維錨桿全斷面預(yù)加固支護，使超前核心土B類狀態(tài)轉(zhuǎn)化為A類狀態(tài)，達到掌子面長期穩(wěn)定的狀態(tài)；對于C類掌子面即將坍塌的狀態(tài)，因應(yīng)變失效，超前核心土區(qū)域無法形成拱效應(yīng)，需要在超前核心土上部區(qū)域及核心土區(qū)域進行預(yù)加固，一般上部區(qū)域可采用管棚、水平旋噴樁等支護方式，核心土區(qū)域采取玻璃纖維錨桿全斷面支護方式，下面重點介紹一下玻璃纖維錨桿及水平旋噴樁預(yù)加固措施。

3.2 玻璃纖維錨桿加固

(1)加固原理：在隧道掌子面上按設(shè)計參數(shù)鉆些分布均勻且與隧道軸線平行的孔道，向孔內(nèi)插入玻璃纖維并進行注漿，漿液固結(jié)后玻璃纖維組將對超前核心土提供約束反力，可以對核心土區(qū)域形成改良及強化。采用玻璃纖維材料是該項技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵，因為超前核心土區(qū)域既是待加固區(qū)域，還是待挖除區(qū)域，如果采用錨桿、超前導(dǎo)管等方式進行加固會對下一步開挖帶來很大的困難，甚至難以實現(xiàn)。玻璃纖維材料有極高的強度和及大的脆性，在土方開挖時容易被切割，當(dāng)開挖掌子面后的剩余加固長度不能足以對超前核心土區(qū)域提供足夠約束時，再進行新一循環(huán)玻璃纖維布設(shè)。

(2)設(shè)計參數(shù)：主要包括長度、密度、規(guī)格、搭接長度、橫截面積以及待加固的幾何區(qū)域等。

3.3 水平旋噴樁加固

3.3.1加固原理

采用水平定向鉆機鉆孔，鉆至設(shè)計深度后，邊回撤鉆桿邊通過高壓泵將配好的漿液噴射至孔內(nèi)及孔周一定范圍的土體中，通過噴嘴旋轉(zhuǎn)切割土體，使土體及漿液攪拌均勻，待漿液固結(jié)，即形成圓柱狀水泥沙土固結(jié)體即水平旋噴樁，當(dāng)旋噴樁咬合成拱后便形成超前核心土外圍的加固拱棚，能起到承擔(dān)隧道預(yù)收斂變形及防滲漏等作用。

3.3.2設(shè)計參數(shù)

設(shè)計參數(shù)主要包括樁徑、樁長、相鄰咬合厚度、前后搭接長度及外插角等。

3.3.3主要施工機械及施工要求

(1)水平旋噴機，要求鉆機設(shè)備根據(jù)巖體進行配套選型，確保鉆機轉(zhuǎn)速、頂進力和扭矩滿足成樁要求。

(2)高壓注漿泵,需選用壓力達標(biāo)并能進行流量控制的機型。

(3)因旋噴樁注漿壓力較大，實施水平旋噴樁的掌子面需進行噴混凝土封堵，封堵厚度在20cm以上。

(4)為滿足旋噴樁施作空間，需距離掌子面10m開始延隧道輪廓線外擴80cm左右空間，便于搭設(shè)施工平臺。

4 結(jié)語

目前，我國對新意法隧道施工理念的研究和應(yīng)用尚處于起步階段，受機械化程度等的限制將新意法技術(shù)迅速進行推廣也很難實現(xiàn)。但新意法對超前核心土的認識及應(yīng)用應(yīng)受到廣大隧道設(shè)計、施工技術(shù)人員的關(guān)注和重視，能否將新意法元素合理地融合至已有隧道設(shè)計施工理念中，是當(dāng)前的主要工作。