浅谈新意法隧道施工理念及主要施工方法

宋 迪

(辽宁省交通建设管理有限责任公司 沈阳市 110000)

新意法(NITM)即New Italian Tunneling Method，是40多年前意大利的Pietro Lunardi 教授在围岩压力拱理论及新奥法理论研究的基础上，通过数百座隧道的结构分析和研究逐步创建出的岩土控制变形分析(ADECO-RS)法，它强调通过调节超前核心土的稳定性来控制隧道变形。该工法被意大利公路、铁路领域广泛采用并纳入规范，且在欧洲许多国家的大型隧道施工项目中得到应用[1]。国内的卧龙隧道口、浏阳河隧道、桃树坪隧道等对新意法的部分要素进行了尝试，并取得了不错的效果[2]。

1 新意法概述

1.1 几个重点概念的介绍

(1)超前核心土：隧道掌子面前方，范围大致等于隧道直径的圆柱形土体。

(2)掌子面挤出变形：隧道开挖时因超前核心土变形，产生的掌子面鼓出等变形现象。

(3)隧道预收敛：超前核心土外轮廓围岩的收敛变形，取决于超前核心土的变形特性。

1.2 新意法核心理念

新意法认为隧道围岩的变形分为收敛变形、预收敛变形及掌子面挤出变形，如图1。因预收敛变形及掌子面挤出变形均取决于超前核心土的强度及变形特性，进而得出超前核心土的特性对整个隧道的围岩变形起关键作用。新意法通过对隧道掌子面超前核心土岩体结构特性、岩体坚硬程度等特征判定将超前核心土稳定类型分为A、B、C三类，并将每种稳定类型与隧道整体变形情况对应关联,见表1。

图1 隧道围岩变形种类

当预测判定超前核心土为不稳定类型时，为了确保隧道安全穿越复杂地层，可以通过辅助手段将超前核心土加固至稳定类型，甚至依赖超前核心土，将其视为控制隧道围岩变形和稳定的重要工具，即提高超前核心土的刚度和强度就能够调整围岩预收敛及掌子面挤出变形的程度，达到围岩稳定的目的。

1.3 新意法的工作内容

新意法主要分为勘察阶段、诊断阶段、处治阶段、实施阶段及监测阶段。

(1)勘察阶段：采用既有技术对隧道线路地质进行调查、收集，充分获取岩体物理性质、应力状态等所需资料，为后续工作奠定基础。

(2)诊断阶段：根据勘察阶段数据，通过数值模拟、有限元分析等方法，依据既定划分标准将超前核心土及隧道围岩稳定情况分类。

(3)处治阶段：根据诊断类别，针对既有施工机具及加固手段确定施工方案及支护方法和参数。新意法提倡对超前核心土不稳定状况采取预加固措施。

(4)实施阶段：按处治方案施工，并按设计要求安装监控设备，根据监控数据，可对施工方案及支护参数等进行动态调整。

(5)监测阶段：按设计对掌子面挤出变形量、围岩收敛变形量进行监测，实时向设计反馈，优化隧道施工方案。

2 新意法与新奥法比较

2.1 新奥法特点

新奥法是目前山岭隧道施工最常用的方法。它的主要理念是最大限度地保护隧道围岩，充分发挥围岩的自支撑能力；当判定围岩状态不稳定时，所采取的喷锚、钢拱架等辅助初期支护措施都视为与围岩共同抵抗变形；同时新奥法同样强调监控量测的实施及作用，通过对隧道拱顶沉降、周边收敛等监测来判定隧洞的实际状态。

2.2 新意法与新奥法比较

新意法与新奥法相比较，其实两种方法并不矛盾，新意法可以看做新奥法的发展及延伸。很多新奥法的理论新意法也是支持和赞同的，只是新意法更侧重超前核心土对围岩稳定的影响，而新奥法对这一部分却完全忽视了。从空间上来看，新意法能够在三维空间做足功课，而新奥法大多还在平面上解决问题。同时，新意法提倡预支护后采用全断面施工来避免对围岩的多次扰动，而新奥法为了适应各种围岩情况需要采用台阶法、CD或CRD等等分部施工方法，从工程工期和造价上来说，新意法均比新奥法更加容易控制，两种方法的比较详见表2。

3 新意法隧道掌子面预支护的主要方法

3.1 三种稳定状态超前核心土的预支护方法

新意法在处治阶段会根据勘察及诊断得出的超前核心土类别选择不同的预支护方式。对于A类掌子面长期稳定的状态，会采用与新奥法类似的洞身喷锚支护，及时对洞身围岩进行封闭，防止围岩弱化、掉块等；对于B类掌子面短期稳定的状态，会结合具体的施工速度，除采用上述洞身支护外，对超前核心土会采用掌子面喷锚支护或玻璃纤维锚杆全断面预加固支护，使超前核心土B类状态转化为A类状态，达到掌子面长期稳定的状态；对于C类掌子面即将坍塌的状态，因应变失效，超前核心土区域无法形成拱效应，需要在超前核心土上部区域及核心土区域进行预加固，一般上部区域可采用管棚、水平旋喷桩等支护方式，核心土区域采取玻璃纤维锚杆全断面支护方式，下面重点介绍一下玻璃纤维锚杆及水平旋喷桩预加固措施。

3.2 玻璃纤维锚杆加固

(1)加固原理：在隧道掌子面上按设计参数钻些分布均匀且与隧道轴线平行的孔道，向孔内插入玻璃纤维并进行注浆，浆液固结后玻璃纤维组将对超前核心土提供约束反力，可以对核心土区域形成改良及强化。采用玻璃纤维材料是该项技术成功应用的关键，因为超前核心土区域既是待加固区域，还是待挖除区域，如果采用锚杆、超前导管等方式进行加固会对下一步开挖带来很大的困难，甚至难以实现。玻璃纤维材料有极高的强度和及大的脆性，在土方开挖时容易被切割，当开挖掌子面后的剩余加固长度不能足以对超前核心土区域提供足够约束时，再进行新一循环玻璃纤维布设。

(2)设计参数：主要包括长度、密度、规格、搭接长度、横截面积以及待加固的几何区域等。

3.3 水平旋喷桩加固

3.3.1加固原理

采用水平定向钻机钻孔，钻至设计深度后，边回撤钻杆边通过高压泵将配好的浆液喷射至孔内及孔周一定范围的土体中，通过喷嘴旋转切割土体，使土体及浆液搅拌均匀，待浆液固结，即形成圆柱状水泥沙土固结体即水平旋喷桩，当旋喷桩咬合成拱后便形成超前核心土外围的加固拱棚，能起到承担隧道预收敛变形及防渗漏等作用。

3.3.2设计参数

设计参数主要包括桩径、桩长、相邻咬合厚度、前后搭接长度及外插角等。

3.3.3主要施工机械及施工要求

(1)水平旋喷机，要求钻机设备根据岩体进行配套选型，确保钻机转速、顶进力和扭矩满足成桩要求。

(2)高压注浆泵,需选用压力达标并能进行流量控制的机型。

(3)因旋喷桩注浆压力较大，实施水平旋喷桩的掌子面需进行喷混凝土封堵，封堵厚度在20cm以上。

(4)为满足旋喷桩施作空间，需距离掌子面10m开始延隧道轮廓线外扩80cm左右空间，便于搭设施工平台。

4 结语

目前，我国对新意法隧道施工理念的研究和应用尚处于起步阶段，受机械化程度等的限制将新意法技术迅速进行推广也很难实现。但新意法对超前核心土的认识及应用应受到广大隧道设计、施工技术人员的关注和重视，能否将新意法元素合理地融合至已有隧道设计施工理念中，是当前的主要工作。