新意法在隧道施工中的应用实践

雷斌

（中建路桥集团有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

新意法是岩土控制变形分析法的别称，由意大利学者Pietro Lunardi 在20 世纪70 年代提出，其间经历了大量实验分析与统计。进入新世纪以后，该方法在欧洲国家隧道建设中得到广泛应用，特别是意大利，已将该方法纳入到隧道工程相关规范。此后不久，一些工程师前往意大利考察后，首次将ADECO-RS 引入我国，并将其在很多实体工程中进行实践应用。这些实体工程的围岩等级达Ⅵ级，自稳性很差，采用新奥法进行施工时，围岩产生明显的变形与坍塌，导致隧道开挖施工中断，无法顺利进行。相关领域专家经过反复论证，决定引入新意法进行施工，通过对隧道出口处拱顶实际沉降量及边墙变形量的动态监控，得出新意法的应用能从根本上保证隧道安全与稳定的结论。本文对新意法的原理和实践进行分析，以验证新意法的优越性，如加快施工进度、保证工期、降低造价和提高安全性。

1 新意法原理

新意法提出，开挖是隧道结构所受应力达到最大的阶段，而非隧道施工结束后。隧道开挖过程中，围岩应力将在开挖轮廓线上产生一定拱部效应拱与应力增加带，在隧道不断沿径向产生压力拱的同时，还会形成很大纵向压力拱，且这一压力拱的高度还会受到前方岩体及后方支承两方面因素的影响；而压力拱的具体位置会由于隧道开挖与支护不断进行发生变化。如果拱部效应由于开挖轮廓的变化而改变，结构整体性和使用寿命受到施工过程中隧道强度的直接影响，则按照岩土强度变形及地应力大小可将压力拱分成以下三种状态：①在近部快速形成，相对稳定；②在与隧道相距较远的部位形成，短期稳定；③无法形成，不稳定[1]。

新意法实施隧道施工建设时，按照施工阶段可将隧道变形分成下列三类：①预收敛变形；②挤出变形；③收敛变形。隧道开挖时，因未能有效控制以上三种变形，会带来很多不利影响，包括围岩坍塌与地层变形，进而给隧道施工造成很大安全隐患。基于此，对新意法而言，其核心思想为隧道开挖时使变形保持稳定的关键在于掌子面超前核心土强度与刚度，对此，可采用适当的支护措施对超前核心围岩进行加固，以有效控制变形，最终减小围岩发生的收敛变形。

2 新意法流程

设计人员需通过详细且深入的勘探，确定超前核心土是否稳定，然后对隧道变形形态进行分类。在应力应变状态完全一致的隧道区段，采用新意法能确定对围岩变形予以有效控制的支护方法。除以上优势外，采用新意法还能根据掌子面稳定性与变形特征确定合理可行的断面形式及支护方法，最终确定每延米工程量完成需要的时间和成本预算，同时还能在得出各项断面参数后，实现动态监控量测的目标[2]。

新意法的第一阶段为勘察，而且地质勘查也是隧道建设首要步骤，需要对包含地层类型、水文特征、地质情况和岩性状态在内的信息进行采集，进而得出围岩主要设计参数。该阶段还可进一步分成以下两个阶段：第一，对隧道沿线范围内地质情况进行分析评估，形成宏观认识；第二，采集隧道沿线范围内的岩土样，同时通过试验分析确定隧道地质情况[3]。

新意法的第二阶段为诊断，即由设计人员根据勘查资料并充分结合新意法基本理论，对隧道开挖施工可能给围岩变形造成的影响进行预测，并将整个隧道的状态按以下方法进行划分：掌子面稳定的视为A 类，掌子面在短期保持稳定的视为B类，掌子面不稳定的视为C类[4]。

新意法的最终阶段为处置，以上一个阶段针对隧道进行的类别划分为依据，采用合理可行的方法进行加固，确保隧道变形处在相对稳定的状态。如果隧道变形状态属于A 类，则采用简单加固方法予以围护即可，使隧道处在稳定状态当中；如果隧道变形状态属于B类，则需要进行适当的超前加固约束，使隧道处在稳定状态当中；如果隧道变形状态属于C类，则要在简单加固基础上予以超前加固，确保隧道处在稳定状态[5]。

3 新意法应用

3.1 案例一

某双线单洞隧道总长度约3 225m，其围岩以粉细砂为主，含有大量水分，是线路范围内技术要求最高、工艺最复杂的隧道。经前期地质勘察可知，该隧道地质条件较为复杂，围岩以富水粉细砂为主，整条隧道的围岩均属于Ⅵ级围岩，自稳性很差，且相对高差也较大，可达200m。另外，该隧道还从居民区、高速路及省道下部穿越。

随着隧道开挖不断进行，地层从粉细砂变为含水砂层，特别是在掘进至183m 后，隧道围岩全部变为含水砂层，原设计参数与施工工艺已经无法达到要求，导致施工中多次产生塌方，使隧道施工中断。经过专家论证，综合考虑隧道施工情况与地质条件，最终决定在隧道建设中引入新意法。

按照新意法进行隧道施工时，对隧道出口处拱顶实际沉降量与边墙实际变形予以动态监控，从监控结果可知测点变化量小于1cm，表明采用新意法后该隧道整体安全性及稳定性得到显著提升，新意法的应用对保证隧道施工安全与质量有利。

3.2 案例二

某隧道为线路范围内的控制性工程，也是我国较少应用的需要从高速路、城市及河流中穿越的隧道，最大开挖宽度可以达到16m以上，最大开挖高度可以达到13m 以上，埋深为30～50m，长度与断面面积均很大。隧道设计有20%的最大纵坡，所穿越的地层以软弱围岩为主，如泥岩和泥质砂岩，工程地质条件相对复杂，隧道围岩级别很低，容易在施工中发生坍塌。

通过前期专家论证，考虑到该隧道施工难度极大，故决定在施工中引入新意法，具体措施为采用伞状式旋喷注浆管棚技术进行超前预加固，并进行超前地质预报，同时对隧道的特殊段落所用该施工方法予以优化与过程监控，为实际施工奠定良好基础。实践表明，新意法的引入能有效确保该隧道施工顺利完成，防止各类安全问题的发生。

旋喷注浆指的是采用喷浆将水泥混合物压入需改良的地层当中，充分利用浆液喷射具有的力学特性使待加固部位的地层达到劈裂，进而通过搅拌、压实与固结对地层予以加固。采用该方法完成改良处理后，能有效提高地层强度与渗透性。采用该方法进行施工时要特别注意隧道拱部与边墙部位改良土相互连接，即管棚搭接，使管棚能延伸至洞室水平面下部，进而在加固拱作用下使压力传递至地层当中。相较于传统的注浆加固技术，该技术的参数并非由土层自身渗透性决定，需通过严格现场试验来确定，需要经试验确定的参数包括：注浆压力大小、喷嘴数量、喷嘴直径、浆液水灰比、注浆时间。这项技术的关键是管棚搭接和确保钻孔深度大于隧道的直径，在钻杆尾部需配置对注浆过程进行跟踪的装置，在将钻杆取出的同时，借助跟踪装置设定适宜的注浆速度。这项技术有较强的适用性，但要注意土体抗剪强度会在高压作用下被喷射出的混合物冲破。目前这项技术在我国的应用并不多，还处在试验阶段，在该隧道中的成功应用可为此类隧道建设提供技术参考[6]。

4 新意法前景

4.1 新奥法分析

新奥法将岩体力学理论作为基础，要求最大限度利用围岩自身具有的承载力，在隧道开挖的同时进行支护，确保支护施作及时性与围岩结构稳定性，通过对围岩变形的有效控制促进其内部应力逐步释放，从而使围岩形成完整支护体系。

新奥法只分析掌子面背后地层产生的变形，将静力学问题视作二维问题考虑，将大部分注意力都集中于收敛方面，未能对如何充分利用核心土保证隧道结构稳定性引起足够重视。基于此，以新奥法与将其作为基础的其他方法具有下列局限性：①新奥法无法适用于所有类型的地层及应力应变条件，为不全面分类系统；②新奥法未能对超前核心土具有的作用引起重视，超前核心土可作为不利应力应变条件下有效稳定工具；③新奥法主要借助简单约束措施使隧道结构保持稳定，对新技术的应用较少；④新奥法未能重视隧道设计与施工阶段存在的差别；⑤新奥法主要通过围岩类型分析及地层变形情况对比选择适宜的支护措施，实际上该方法是不合理的[7]。由此可见，新奥法虽然在我国得到较长时间的应用，但面临越来越复杂的地质条件，采用新意法已经成为必然趋势，必须引起相关人员的高度重视。

4.2 新意法优势及局限性

如前所述，新奥法只针对掌子面背后地层产生的变形予以分析，但新意法将新奥法作为基础，对隧道掌子面预期超前地层产生的变形进行分析和预判，主要具有以下几方面优势：

（1）新意法有比新奥法更广泛的使用范围。如前所述，新意法能充分利用超前核心土具有的保护作用，能在设计与施工阶段采取有效措施控制超前核心土变形，在这种情况下，借助新意法可有效解决不利应力应变条件下的问题，这是传统新奥法无法达到的[8]。

（2）针对复杂程度较高的地质条件，新意法有更大优势。一方面，新意法由于能良好保证掌子面稳定性与超前核心土可靠性，因此，采用新意法能有效加快实际施工进度；另一方面，由于超前核心土被加固后表现出良好稳定性，能为隧道的机械化作业提供良好条件，为各类机械设备在隧道建设中的使用奠定坚实基础。

（3）在隧道施工中引入新意法能更好地控制工程造价与工期。在施工中引入新意法后，能在前期勘察设计工作中进行大量准备工作，能根据岩层特性分析结果，充分考虑后续措施，使后续施工有良好可持续性，保证工程造价与工期都的良好可控性，这已在上述两条隧道建设中得到很好的体现。

（4）相较于其他施工工法，新意法施工安全性更高，其原因为采用新意法施工时会用到很多安全措施，如仰拱紧跟掌子面和对超前核心土进行加固与实时监控，如此，能显著减少或避免地质灾害，如塌方等[9]。

（5）采用新意法施工能减少后期维护成本，如前所述，新意法核心思想为最大限度利用超前核心土对围岩预收敛予以限制，以减小由于应力重新分布造成的不利影响，使围岩保持在原始状态，防止运营过程中隧道产生病害，进而减少后期用于维护方面的成本。

当前我国隧道工程建设正处于高速发展状态，大量实践表明，在隧道施工中引入新意法，会导致工程工期不同程度的延长，且与采用传统施工方法相比，应用新意法施工明显增加了工程的造价。另外，新意法对施工人员自身技术要求也较高，这些都是限制新意法在工程中广泛应用的因素。从目前实际情况看，我国对新意法的研究与试验还处在起步阶段，实际操作过程中依然存在很多亟需发现与有效解决的问题。

5 结论

（1）目前我国大多数隧道工程建设所用方法都将新奥法作为基础，由此衍生出很多方法，如台阶法、全断面法、双侧壁导坑法和CRD 法等，如果从保证施工安全的角度考虑，则以上几种常用方法的排序为：双侧壁导坑法＞CRD 法＞CD 法＞台阶法＞全断面法；如果从保证工程造价与工期的角度考虑，则以上几种常用方法的排序为：全断面法＞台阶法＞CD 法＞CRD法＞双侧壁导坑法。由此可见，将新奥法作为核心思想的隧道施工方法，无法兼顾工程的安全、速度与造价。

（2）相较于新奥法，新意法对隧道支护体系进行了很大改进。新意法对设计与施工阶段重视度很高，要求在设计与施工过程中分步实施地质勘查工作、诊断工作与确定处理措施，在作业的同时加强监控量测，对设计进行适当地优化调整，使开挖施工时的围岩保持稳定，充分体现出新意法自身优势与特点。

（3）在隧道施工中引入新意法后，能使隧道工程建设造价与工期均得到有效控制，且能更好地保证施工安全。但从当前实际情况看，该方法的应用并不广泛，无论是研究还是试验都处在起步的阶段，在实际应用中依然存在很多亟需发现和解决的问题。随着更多工作者的不断研究与实践，相信新意法将成为隧道工程，尤其是地质条件复杂、技术难度较高的隧道工程的主流施工方法。