新意法概述及其应用建议

李开庆 唐天龙

(1.中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东济南 250000;2.中交二航局第三工程有限公司，江苏镇江 212050)

新意法(NITM)即 New Italian Tunneling Method，是20世纪70年代中期意大利的Pietro Lunardi教授在研究围岩压力拱理论和新奥法理论的基础上，通过对上百座隧道的理论分析和现场试验所创立［1］。其强调利用掌子面—超前核心土的稳定性来控制隧道变形，并以此为基础对施工方法进行选择。

该工法被意大利公路及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，如罗马外环高速公路Appia Antica隧道［2］等。其应用于国内的卧龙隧道［3］、浏阳河隧道［4］、桃树坪隧道［5］等并取得了预期的施工效果。

1 新意法核心思想

新意法将隧道的变形分成三种:收敛变形、预收敛变形和超前核心土的挤出变形，其变形如图1所示。

图1 新意法变形图

通过现场测试和实验研究证明，超前核心土的强度和变形特性对隧道的长期和短期稳定起着决定性作用，隧道施工中可把超前核心土视作一种新的控制隧道围岩变形的工具［6］。由此得出了以下结论，也是新意法的核心思想:

1)超前核心土的变形特性对所有隧道变形的发生发展起着关键性作用，而隧道塌方一般是由超前核心土的滑动引起，因此可以通过改变或控制超前核心土的变形特性来对隧道变形进行调整。2)超前核心土的变形特性取决于其自身的刚度和强度，因此可以通过调节超前核心土强度和刚度来控制隧道变形(主要是收敛变形)，从而保证隧道的长期稳定。

2 新意法工作流程

新意法强调对超前核心土的保护和利用，重视地质勘察、理论分析和方法比选，要求动态的监控量测反分析。其主要分为勘察阶段、诊断阶段、处治阶段、实施阶段和监测阶段，流程如图2所示。

图2 新意法流程图

2.1 勘察阶段

勘察阶段是在现场利用既有的技术资源对隧道穿越地层进行调查、分析和判释的阶段。其获取的信息资料将为以后的设计工作提供必要条件，因此，详细可靠的实地勘察工作是必不可少的。该阶段常采用表面勘察查勘、深度勘察和导洞勘察等方式，以充分获取岩土体的应力状态、物理特性和强度等参数，并应以量化或半量化的形式表现。

2.2 诊断阶段

新意法将掌子面—超前核心土的稳定性作为隧道变形行为的参考条件，并根据其三种基本应力—应变状态把隧道变形分为三种基本类型:A类(掌子面—超前核心土稳定)、B类(掌子面—超前核心土短期稳定)和C类(掌子面—超前核心土不稳定)。

根据勘察阶段所获取的相关参数，采用可行的解析或数值计算系统对无加固措施情况下的隧道开挖变形行为进行预测，依变形响应情况将其分成不同类别，如表1所示。

表1 隧道变形分类表

为便于后期分段处治和实施支护参数设计，常以相同的应力 应变行为将隧道线路划分为不同区段，其效果如图3所示。

图3 隧道区段划分图

确定好分类标准，针对具体隧道需采用实验室试验、软件数值模拟和现场测试等手段对掌子面的挤出变形Ex和约束反力Pi的关系做出归纳并绘制成曲线，据此初步判定围岩类别并指导后续工作。以挤出试验为例，典型超前核心土变形响应与围岩类别关系见图4。

图4 围岩类别判释图

2.3 处治阶段

该阶段的主要任务是在对隧道开挖产生可能变形类型和大小进行预测的基础上，根据既有的施工机具和加固手段确定施工和支护参数。针对诊断阶段确定的围岩类别，分别选择不同的支护形式:A类可采用常规支护方式;B类可根据隧道掘进速度在预支护和常规支护之间选择;C类除常规支护外，需采用加强型支护。

新意法强调的是对超前核心土的保护，常采用玻璃纤维锚杆加固超前核心土。不同围岩类别中其锚杆密度、锚杆长度以及搭接长度不尽相同。此外，隧道的开挖步骤、开挖步长、断面形状、掘进速度、开挖系统等因素也对支护参数的设计有一定影响。

这个阶段所选择的支护措施还是比较粗糙的，而且需对其实施效果进行验算，即通过相关的计算方法进行有效性验证。在正式施工后需根据动态监测反馈设计，对支护参数提出修改和变更。

该阶段还需完成的一项重要任务就是根据诊断阶段的分析工作事先制定监控程序，以系统比较预测的变形反应和实际发生的变形。

2.4 实施阶段

按照新意法的理论，对掌子面稳定的围岩，可按照常规施工方法进行;对掌子面不能保持稳定的围岩，需要对超前核心土采取预加固措施。此外，需按照处治阶段设计要求安设监控设备。根据超前核心土的挤出变形和预收敛变形判断围岩变形反应，分析预加固措施的有效性，进而确定隧道开挖进尺、掘进速度以及下一循环支护措施的施作时间等。

在断面形式的选择上，新意法要求尽量采用全断面开挖，不能采用全断面的围岩要采取预加固和加固措施创造有利条件。因为全断面开挖可减少对围岩的扰动次数、提高施工效率，及时封闭衬砌及早发挥支护效果，从而限制围岩收敛变形。

2.5 监测阶段

理论上讲，监测阶段与实施阶段是同时开始的。该阶段是对诊断阶段和处治阶段所预测的围岩变形反应的准确性进行检验，也可验证实施阶段所采用的干预措施的正确性及施工作业是否符合设计规范，同时以实时监控反馈设计，优化干预措施及其强度、精细调整隧道掘进速率和开挖步骤。

施工阶段的监测主要包括掌子面挤出变形量测、预收敛量测和收敛量测，根据埋深不同可能会增加量测深度范围。在具体监测过程中，常用到滑动式纵向测微计、杆式分层径向变形计和条带式变形计等设备［7］。

针对某些具有重要意义或特殊功能的隧道，应建立长期系统的监测以保证隧道施工后在其使用寿命周期内的安全稳定。

3 新意法与新奥法的比较

通过大量试验研究、计算分析及现场验证，新意法提出了自有的理论框架和工程措施。其与新奥法的区别主要体现在以下几点［1，7-9］:1)对隧道静力学分析模式不同。新意法强调对隧道超前核心土的变形进行分析和控制，将隧道周边围岩的力学行为视作三维状态，关注隧道在纵向的变形影响，而新奥法将隧道近似看作平面问题，只关注收敛变形，主要强调径向支护措施的作用效果。2)对隧道变形反馈数据的利用度不同。新意法的处治阶段和实施阶段各参数都要受到监测数据的影响，以弥补勘察阶段的认识不足。新奥法主要是对掌子面后方的收敛变形进行监测，判断围岩收敛与否并确定二衬施作时间，但信息化施工程度不够。此外，隧道收敛变形的监测工作实施困难，且其滞后性的缺陷也难以克服。而超前核心土的挤出变形和预收敛变形有较强的预见性，采用既有设备进行监测可做到信息化施工。3)对隧道变形的响应不同。新意法多采取预加固措施，主动限制围岩的预收敛和收敛变形，同时要求仰拱紧跟掌子面、支护及早封闭等，是“主动”式支护。新奥法一般是待围岩变形收敛才施作二次衬砌，强调发挥围岩的自承能力，是一种“被动”式支护。4)对隧道开挖方式要求不同。新意法主张全断面、快施工，针对软弱岩层采用预加固措施改良围岩特性，创造条件使用大断面甚至全断面;而新奥法使用较多的是台阶法等分步开挖方式。5)对隧道修建过程中各环节的侧重不同。新意法的设计环节包括勘察阶段、诊断阶段和处治阶段，施工环节包括实施阶段和监测阶段，其对设计环节投入较多以保证施工环节的顺利进行，而新奥法应用到复杂地层时，施工环节易耗费较多工期和人物财力。

4 新意法的优点

1)新意法具有更广的应用范围。由于强调了对隧道超前核心土的加固和保护，并在设计施工中采取了相应的强度和刚度控制措施，新意法能更好地解决软弱围岩、膨胀性挤压地层等新奥法无法施工或很难施工的复杂地段的施工难题。2)在复杂地质条件下新意法具有较快的施工进度。对超前核心土采取预加固措施后，为大型机械化作业提供了便利条件，采用大断面甚至全断面施工后提高了施工进度。3)新意法的造价和工期具有可控性。由于新意法的设计环节做了大量工作，岩层特性分析和措施处理较充分，保证了后续施工的可持续性，因而可以较准确地预计工期和总造价，也避免了由工期等问题引发的纠纷。4)新意法具有更高的安全性。对超前核心土的监控和加固、仰拱紧跟掌子面等措施的应用可以减少一些地质灾害(塌方等)的发生。5)新意法可以降低隧道后期维护成本。新意法强调利用超前核心土来限制围岩的预收敛，使得原岩应力重分布的波及范围及塑性区范围减小，更好地保持了原岩状态，减小运营期隧道病害发生的可能性，可以降低后期维护成本。

5 建议与展望

国内对新意法的研究尚处于起步阶段，同时受机械化程度低等条件限制，我们对新意法的实际应用不能照搬国外做法，应结合我国实际情况探索新意法中国化的发展道路。在探索的过程中，我们主要应解决以下几方面的问题:

1)着力培养技术人才。目前国内施工技术人员对新意法的理论认知还不够详细，相关资料的获取有一点困难。在今后工程实例中，应更多地将新意法理念运用到相应隧道设计施工过程中，着力培养一批掌握新意法核心理念的专业人才。

2)加快施工机械自主研发。新意法的高效率是依托双臂管棚钻机、全断面钢拱架架设机、混凝土自动喷射机等配套设备。我们要对国外先进施工工艺和设备通过引进、消化、吸收、创新，逐步更新自己的施工机械。

3)建立隧道施工案例数据库。随着新意法隧道施工实例的增加，应收录典型工程形成案例数据库，为以后设计施工提供借鉴。

随着我国经济的快速发展，将会修建越来越多的穿越复杂软弱地层的隧道，特别是客专的双线大断面隧道。新意法在国外复杂隧道施工中的成功案例，为我们解决此类问题提供了参考，可以预见新意法将逐步得到推广并发挥积极作用。与既有施工方法整合过程中，我们应致力于寻求一条融合新意法核心理念和既有设计施工体系的道路，逐步探索新意法在国内的应用和推广。

［1］ 朱平安，杨龙伟.谈岩土控制变形分析法［J］.山西建筑，2012，38(17):75-77.

［2］ 翟进营，杨会军，王莉莉.“新意法”在国外隧道工程中的应用［J］.隧道建设，2008，28(4):469-475.

［3］ 李玉平.新意法在黄土隧道工程中的应用［J］.山西建筑，2010，36(11):318-320.

［4］ 旷文涛，漆泰岳，周 捷，等.新意法在浏阳河隧道施工中的应用［J］.公路隧道，2010，69(1):18-21.

［5］ 关宝树，赵 勇.软弱围岩隧道施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［6］ Pietro Lunardi.隧道设计与施工——岩土控制变形分析法(ADECO-RS)［M］.北京:中国铁道出版社，2011.

［7］ 翟进营，杨会军，王莉莉.新意法隧道设计施工概述［J］.隧道建设，2008，28(1):46-50.

［8］ 王朝国.隧道失稳机理与双层钢拱架支护动力分析［D］.长春:吉林大学，2012.

［9］ 王正松，孙铁成，高 波.全断面预加固隧道施工工法(新意法)［J］.铁道标准设计，2007(sup1):170-172.