新意法在隧道工程机械化施工中的应用

新意法在隧道工程机械化施工中的应用0引言中国是世界上隧道通车里程最长、在建隧道数量最多的国家。进入21世纪以来，中国的隧道工程建设无论是规模还是修建难度，一直处于世界前列。得益于广阔的劳动力市场，基于新奥法的钻爆施工方法在中国得到了长足发展。然而，随着人口老龄化的加剧，人口红利所带来的经济建设发展将面临严峻的考验。由于隧道施工风险性大，施工现场环境恶劣，加之劳动力成本不断上升带来的施工成本骤增等问题，未来国内隧道建设将面临新的挑战。机械化施工能够在保证施工质量的同时有效降低施工安全风险，改善施工现场作业环境，降低施工劳动强度，提高施工效率，因此机械化施工将成为未来隧道工程建设的必然趋势。1机械化全断面施工的理论基础由于软弱围岩自承能力有限，新奥法先开挖、后支护的施工方法往往不起作用，在各种超前支护措施保护下的分部开挖法成为不得已的无奈选择[1]。基于新奥法的隧道机械化施工的关键，在于提高各个施工步序的机械化程度及改善施工组织管理，然而对于软弱围岩隧道，由于分部开挖法缩小了施工作业面，使得很多大型机械设备难以应用。而且多数长大隧道围岩环境往往比较复杂，围岩等级随着隧道的掘进不断变化，施工工艺也随之改变，这种情况下大型机械设备往往达不到预期的利用率。因此，基于新奥法的隧道施工机械化发展已表现出很大的局限性。 新意法作为新奥法理论的发展，在承认围岩自承能力的前提下，考虑隧道开挖的三维应力状态，认为掌子面-超前核心土体系的稳定是隧道开挖能否安全进行的决定性因素。在施工方法上，新意法主张各种超前工法（预加固和预约束）前提下的全断面开挖方法。新意法的出现不仅使极端地质条件下隧道的安全掘进成为可能，而且基于此方法的全断面开挖技术，能够有效减少隧道开挖对围岩的扰动，便于施工组织管理，同时也为隧道机械化开挖提供了更好的环境。2新意法概述新意法是意大利著名学者PietroLunardi[2]历经多年探索与实践，在新奥法的基础上提出的，具有一套完整的理论方法和实际工程措施。对于软弱围岩隧道，甚至在极端地质条件下，运用该工法仍然能够有效控制围岩变形，并实现全断面开挖。其安全性、高效性以及在控制工期和费用方面的优势，已经在欧洲各国得到了广泛认可，并被纳入意大利隧道设计施工的相关规范。新意法是基于岩体分类来确定超前支护和约束措施及其参数的隧道勘察、设计和施工方法的概括[3]，其核心思想是重视隧道开挖过程中的三维动力学行为，并通过调节超前核心土的强度和刚度来控制岩体的变形。新意法通过以下4个阶段的工作来确保隧道开挖的短期和长期稳定性。同时，这也是该方法能够成功实施的关键因素。（1）勘察阶段。通过各种手段在现场获得隧道开挖后岩体的自然平衡状态（图1）及各种物理力学参数。（2）诊断阶段。根据勘察阶段获得的资料，通过数值计算和试验的方法预测隧道在无稳固措施下的变形行为，并基于以上信息将隧道在线路上分成具有相似变形行为的区段。（3）处治和实施阶段。确定隧道开挖的方法、步骤及进度，其中最重要的是确定采用何种稳固措施（针对掌子面-超前核心土，见图2、3，），并加以实施。 （4）监测阶段。同新奥法一样，监控量测也是新意法获得施工动态信息的重要手段，用以检验隧道设计施工的准确性，并根据反馈及时调整施工方案。3基于新意法的隧道机械化施工在国内外的应用和分析评价3.1隧道机械化施工在国内的应用中国自20世纪70～80年代以新奥法为基础建立起隧道的设计施工体系以来，隧道的机械化开挖以此为基础逐步推进发展，并取得了一系列成果。然而随着隧道建设的规模越来越大，地质条件越来越复杂，传统施工方法的工艺、安全性及效率也遇到了新的挑战。隧道施工是钻爆开挖作业线、装渣运输作业线、初期支护作业线、仰拱作业线和二次衬砌作业线之间互不干扰又相互协调的系统性作业，工程整体的机械化程度往往由机械化程度最小的作业线决定[4]。新奥法在隧道断面较小、地质条件较好的情况下能够在保证安全的前提下实现全断面施工，保证较高的施工效率；但在软弱围岩隧道施工中，为了避免变形过大甚至发生事故，往往采用分部开挖法缩小开挖断面，使得大型机械难以发挥作用，隧道施工的机械化程度难以得到提升，大大影响了整个隧道的掘进效率。为解决隧道工程在软弱围岩甚至极端地质条件下全断面机械化施工这一难题，中国近年来逐渐引进了新意法，并在特殊地质条件下的隧道工程中取得了成功。3.1.1武广客运专线浏阳河隧道武广客运专线浏阳河隧道位于长沙市星沙区，隧道下穿浏阳河河底，过河段全长362m，隧道开挖断面接近170m2，穿越地层主要为弱风化泥质粉砂岩、砂质泥岩等遇水易软化岩层，围岩等级为Ⅴ级。隧道埋深最浅处仅为19.1m，且河底段位于一向斜核部，围岩破碎、透水性强，施工时极易发生拱部掉块、坍塌，最终导致涌水突泥。 隧道过河段在施工中设置了长度为90m的新意法试验段，经过数值计算和模型试验的验证后，研究人员最终确定了以超前管棚和注浆锚杆为主的预支护及预加固措施，其中超前管棚长18m，掌子面GFRP注浆锚杆长18m，密度为每8m2安装一根，搭接长度均为5.4m。掌子面开挖进尺为每循环1.8m。试验结果表明，超前预加固及预约束措施明显增强了围岩稳定性，相比传统的分部开挖法既保证了施工安全又提高了施工效率[5-6]。3.1.2兰渝铁路桃树坪隧道兰渝铁路桃树坪隧道全长3225m，沿线地表沟谷发育，地形起伏大，最小埋深仅6m。隧道下穿多个垃圾回填的浅埋沟谷以及馋柳高速、312国道、厂矿企业和密集的居民区。隧道开挖后揭示地层为富水未成岩粉细砂层，遇水易软化，下部泥化现象明显，围岩等级由设计的V级最终变更为VI级，施工难度极大。该隧道施工时，在不同的掌子面分别采用了基于新奥法的双侧壁导坑法和CRD法，以及基于新意法的全断面开挖法。其中全断面开挖时，在掌子面理论轮廓线上施作长度为18m的Φ800水平旋喷桩进行超前预支护，喷桩与隧道轴向夹角为5～10，搭接长度为5m，桩径800mm，相邻两桩紧密咬合；掌子面超前核心土采用长度为18m的Φ800玻璃纤维锚杆进行预加固，其搭接长度为5m，加固密度为每断面约50根，梅花形布置；在隧道起拱线处采用长度为8m的Φ600锁脚旋喷桩保证隧道初期支护及时封闭成环，旋喷桩与隧道横断面中心线的夹角为30～45，桩间距为1m。现场施工对比结果表明，采用岩土控制变形法施工更加简洁、安全、可靠，施工进度可控，且经济性也相差不大[7-8]。3.2国外隧道机械化施工的应用实例3.2.1意大利Vasto隧道Vasto隧道位于意大利安科纳至巴里铁路线上，全长约6200m，开挖直径约12 m。隧道穿越地层为粉砂、砂质粉土层及粘土层，且某些区段地层饱水，对断层极为敏感。隧道原设计为台阶法开挖，尽管开挖过程中设置了较强的初支及二衬，并保留核心土进行开挖，但隧道在施工过程中还是发生了严重的变形，并导致塌方。为确保隧道施工的安全性，并确保隧道能够按原计划工期完成掘进工作，PietroLunardi教授应邀为该隧道重新确定设计施工方案。在前期勘察和诊断工作的基础上，其团队最终确定了以下3种处治方式对超前核心土进行保护和加固，使隧道能在确保施工安全和质量的前提下进行全断面机械化施工，施工照片见图4。（1）在粉质砂层及砂质粉土区段，采用近水平旋喷注浆对掌子面前方理论轮廓线周边进行超前预支护，同时对超前核心土采用旋喷注浆进行预加固。（2）在粘土质粉土及粉质粘土层区段，对掌子面前方理论轮廓线周边采用玻璃纤维结构件注浆进行超前预支护，同时对超前核心土采用玻璃纤维结构件进行预加固。（3）在粘土层区段，对掌子面前方理论轮廓线采用预切槽法施作预衬砌保护超前核心土（图5），同时采用玻璃纤维结构件对超前核心土进行加固。该隧道在极端困难的地质条件下，采用新意法保证每月成洞约50m的掘进速率，最终按计划完成了掘进工作，而最初导致隧道停工的收敛变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亚―佛罗伦萨大运量高速铁路新线上的一座区间隧道，全长18.561km，开挖断面140m2。隧道穿越地层主要为石灰岩、泥灰质石灰岩和裂隙发育的泥灰岩构成的复理层。 由于围岩本身具有较高的强度和稳定性，且大部分围岩处于较密实的地层环境中，因此具有良好的地质力学特性。根据掌子面-超前核心土稳定型式，这部分围岩拱效应靠近洞壁自然产生，一般来说没有必要对地层采取干预措施，可以尽可能地保持较高的掘进速率。考虑到围岩的特性，在这些地层中最终选择了钻爆法作为全断面开挖的手段，并取得了良好的效果[10]。施工照片见图6。3.2.3意大利罗马―那不勒斯高速铁路线隧道群罗马―那不勒斯新建铁路线全长204km，其中最长的ColliAlbani隧道达到了6361.36m。隧道穿越地层主要为火山喷发形成的火山碎屑地层、复理层以及泥灰质和石灰质岩组成的沉积岩层。这些隧道在设计和施工阶段以新意法作为基本理论：即使围岩处在极端应力-应变条件下也坚决采用全断面施工方法，同时根据情况采用不同的处治方法保证隧道的长期和短期稳定。基于新意法的理论对开挖地层进行可靠的应力-应变特性预测，并根据掌子面-超前核心土的稳定性分类，将隧道分为若干个具有相近应力-应变特性的区段，各个区段可采用不同的处治措施以保证全断面开挖时围岩变形在可接受的范围内。3.3分析评价通过国内外的一些工程实例可以看出，新意法能够适应各种地层条件下的隧道施工，并且能够在保证施工安全和质量的同时，以较高的掘进速率实现全断面机械化施工。 在岩体地质力学特性较好的隧道围岩中，即围岩分级系统中对应的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩，以及掌子面-超前核心土稳定性分类中的A类围岩，虽然新奥法和新意法的隧道设计施工原理不尽相同，但由于此类围岩强度和稳定性较好，隧道开挖后掌子面-超前核心土体系只存在弹性变形，2种方法下的隧道施工均选择对围岩扰动较小的全断面钻爆法进行隧道开挖。在岩体地质力学特性较差的围岩中，即围岩分级系统中对应的Ⅳ、Ⅴ级围岩，以及掌子面-超前核心土稳定性分类中的B类围岩，隧道开挖后掌子面因弹-塑性变形只能维持短期的稳定。这种情况下，新奥法往往采用缩小开挖断面的分部开挖法（台阶法、侧壁导坑法等）来控制围岩变形。新意法则通过采用一系列措施保护或加固超前核心土来控制围岩变形，在此基础上仍可实现全断面机械化的开挖方式。在极端地质条件下的隧道围岩中，即围岩分级系统中对应的Ⅵ级围岩，以及掌子面-超前核心土稳定性分类中的C类围岩，隧道开挖后往往伴随着剧烈的变形甚至坍塌。在这种情况下，新奥法通常采用更加极致的分部开挖法（双侧壁导坑法、CD法、CRD法等）以及超前管棚和小导管注浆等措施来控制围岩变形。新意法则通过加强预约束及预加固措施来保证隧道围岩处于弹性变形范围内，并采用全断面机械化的开挖方式进行隧道掘进。3.4推广应用新意法的几点建议新意法大断面软弱围岩隧道全断面机械化施工具有广泛的适用性、可靠性以及很好的应用前景，要填补国内在这方面的研究空白，实现其应用推广需做好以下几个方面的工作。（1）隧道施工的机械化是大势所趋，虽然现阶段中国隧道施工仍是以基于新奥法的中小型机械施工为主，但随着社会的发展，大跨度软弱围岩隧道全断面机械化施工必将成为国内隧道施工的一个重要研究方向。因此，尽快进行相关研究是十分必要的。 （2）新意法为大跨度软弱围岩隧道全断面施工提供了坚实的理论基础，提出一套基于新意法的软弱围岩隧道全断面开挖的设计、施工、监控量测和管理措施方案，对提高中国隧道施工的机械化水平、改善隧道施工环境、完善隧道设计施工体系具有重大的意义。（3）大断面软弱围岩隧道全断面施工需要大型机械设备和相关仪器设备（如预切槽机等）的支持，因此引进和研发相关机械设备和仪器是当前亟待解决的问题。（4）新意法与新奥法在工艺及设计理念上不尽相同，因此应用此方法时在隧道初期支护、仰供、二次衬砌的受力问题上应开展专门研究。（5）掌子面-超前核心土的强度和稳定性控制及监控是新意法的关键所在，除文中介绍的相关措施外，着力寻找和论证更多廉价可靠的控制对策，能够为新意法在国内的推广起到关键作用。（6）新意法有着先进的设计施工理念，然而结合当下国内的实际情况，完全照搬其设计施工方法进行推广具有很大的阻力。因此，在引进、学习、吸收和消化的基础上进行再创新，总结出一套适合中国基本国情的大跨度软弱围岩全断面机械化设计施工体系是所有从业者共同的责任和使命。4结语隧道工程的难易程度取决于设计和施工人员对围岩原有自然平衡状态的了解程度，并基于此采取正确的设计方法和合适的开挖工法及稳固措施。 新意法的出现使人们更加注重隧道开挖过程的三维力学行为，并逐渐认识到隧道开挖后变形反应的真正原因。基于新意法的全断面隧道施工方法为隧道施工机械化发展提出了新的思路，全面研究新意法的基本理论，学习其在施工方法上的各项创新，并结合中国具体国情对其进行发展和改进，必然能够为中国隧道建设带来新的革命。