新意法隧道修建技术及其应用研究.doc

新意法隧道修建技术及其实践应用新意法隧道修建技术及其实践应用杨秀仁1王卓2（1、北京城建设计研究总院，北京，1000372、北京中铁瑞威基础工程有限公司，北京 100055）摘要：新意法作为继新奥法之后新兴的一种隧道修建技术，目前在国内的认知度和实践应用仍相当有限。为了使更多的从业人员熟悉了解这一先进的隧道修建技术，并将其推广应用到更广阔的工程建设领域，本文将在介绍新意法基本理论的基础上，特意选取新意法在国内的首个工程应用实例兰渝铁路桃树坪隧道出口工程，据此详细阐述其实践应用，并通过与传统隧道施工方法的对比，说明其独特的技术优势。关键词：岩土控制变形分析法；超前核心土；挤出变形；预收敛；约束作用；桃树坪；实践应用New Italian Tunneling Method (ADECO-RS) and Its Practical ApplicationYang Xiuren1 XXX2 Wang Zhuo2(1. Beijing Urban Engineering Design & Research Institute Co,.Ltd., Beijing 100372. Beijing Zhongtie Railway Soil Engineering Co,.Ltd., Beijing 100055)Abstract New Italian Tunneling Method (ADECO-RS) is a newly emerging tunneling method following NATM, which is not quite popular domestically till today. To make this advanced tunneling method known to more industry insiders and extend its application to more construction engineering fields, this paper introduces basic theories of ADECO-RS, and selects Tao Shuping Tunnel of Lan-Yu Railway as an example to illustrate its first successful practical application in China.Key words ADECO-RS; Advance core; Extruding distortion; pre-convergence; Restraint; Tao Shuping Tunnel; Practical application1 新意法简介新意法又称岩土控制变形分析法（ADECO-RS法），是上世纪70年代中期由意大利的Pietro Lunardi教授在研究围岩的压力拱理论和新奥法施工理论的基础上提出的。它是通过对隧道掌子面超前核心岩土体的勘察、量测，预报围岩的应力-应变形态，并将其划分为A、B、C三种类型，据以信息化设计支护措施，确保隧道安全穿越复杂地质层面和实现全断面开挖的一种设计施工指导原则。目前，该工法已被意大利公路及铁路领域纳入规范，并在主要欧洲国家的大型隧道项目施工中得到广泛应用。1.1 新意法的基本理念新意法将隧道的开挖过程分为三种变形类型，即预收敛变形、挤出变形和收敛变形1，如图1（a）所示。预收敛变形，是指掌子面前方未开挖的隧道理论轮廓线发生向隧道内的变形。挤出变形，是指开挖掌子面受地应力调整的影响向外水平挤出的变形。收敛变形，是指掌子面后方已经开挖的隧道轮廓向隧道内的变形。针对以上几种变形形式，如果不及时采取措施，可能会发生围岩掉块、地层剥落和隧道坍方等不稳定现象，影响隧道施工安全，如图1（b）所示。 （a）变形类型 （b）隧道不稳定的表现形式图1变形的种类与隧道不稳定的表现形式1.2 新意法隧道设计施工主要程序1.2.1隧道掌子面稳定性评价新意法的理论认为，地下洞室的稳定性与拱效应的形成是密切相关的。而拱效应能否形成以及形成拱效应的位置，决定了隧道的稳定情况。其中拱效应的形成和位置可以通过岩体开挖的变形响应来判断。新意法认为，隧道的成拱类型有3种，如图2所示。拱效应类别变形响应稳定情况分类拱效应接近开挖轮廓稳定A类拱效应远离开挖轮廓短期稳定B类不能形成拱效应不稳定C类图2 拱效应与分类（1）接近开挖轮廓形成拱效应，这种情况下应力为弹性，围岩变形小，隧道是稳定的，判定为A类应力应变行为。（2）远离开挖轮廓形成拱效应，应力为弹塑性，围岩变形较大，短期内可以保持隧道稳定，判定为B类应力应变行为。（3）不能形成拱效应，围岩处于松弛状态，变形很大，隧道不稳定，将其定为C类应力应变行为。1.2.2处置措施的确定根据对掌子面稳定性的评价结论，参考表1选择确定具体的隧道稳定措施。对于应变处于稳定状态的A类可以采用简单的约束措施；对掌子面处于短期稳定状态的B类，可以根据隧道进尺，采取超前约束措施或简单的约束措施；对掌子面处于不稳定状态的C类隧道，除采取约束措施外，还必须采取有效的超前支护措施。表1 各种隧道稳定措施的适用范围隧道稳定措施掌子面稳定(A类)掌子面短期稳定(B类)掌子面不稳定(C类)A1A2B1B2B3C1C2C3C4C5径向洞顶锚杆加筋喷射混凝土玻璃纤维加固超前核心土玻璃纤维加固周围地层施做隧道仰拱机械预切槽从导洞内径向加固地层水平旋喷注浆超前注浆或冻结排水管排水管棚（超前小导管）1.2.3岩土控制变形的实施新意法施工的主要内容与常规方法一致，不同之处在于有些围岩在开挖之前要进行超前支护并安装监控设备。由于超前支护可以保证掌子面稳定，新意法要求尽量使用全断面法开挖，因为全断面开挖可以提高开挖效率，同时减少对围岩的扰动次数，且仰拱能及时闭合，掌子面的挤出位移和洞周收敛变形也比较小，有利于隧道的短期稳定。新意法还要求掌子面能保持为凹型状态，因为这样能使得超前核心围岩在纵向形成拱效应，从而保证其稳定性。2 新意法的实践应用2006年我国铁路系统相关施工单位开始接触新意法隧道施工技术，经过长达5年的基础理论学习研究与准备，在铁道部和兰渝铁路公司的支持下，2011年由中铁瑞威公司和意大利土力公司联合在兰渝铁路桃树坪隧道进行了中国首次隧道核心土加固变形控制法应用实验研究，并取得巨大成功，本文将详细介绍新意法在中国的首次实践应用情况2。2.1 桃树坪隧道工程概况桃树坪隧道位于新建兰州-重庆铁路LYS-7标段内，隧道起止里程为DK3+435DK6+655，全长3220米，设计为双线单洞隧道，隧道断面140余平方米。隧道穿行于黄河高阶地下部，地势上隧道进口低、出口高，地形起伏大，相对高差达200米以上，最小埋深处仅6米，地表上沟谷发育，下切较深，隧道下穿多个垃圾回填的浅埋沟谷、青兰高速、312国道、厂矿企业、密集的居民区3。为加快施工进度，后期新增了5个施工斜井，隧道整体平面布置图如图3所示：图3 桃树坪隧道平面布置图2.2 工程难点桃树坪隧道于2009年正式开工，目前在施的7个井口工区中有个的掌子面揭示地层为富水粉细砂层，尤其是隧道出口工区掘进至DK6+462时（进洞183米），地层转变为全断面承压饱和含水砂层，自2010年初多次出现塌方，数月不能进尺，后改采用六步CRD工法开挖也无法前进，坍塌严重，多次反复。鉴于桃树坪隧道的特殊地质条件，出于工程进度和安全方面的双重考虑，各方在充分论证的基础上，决定在桃树坪隧道出口工区引进新意法隧道修建技术4。2.3 技术设计方案从国外引进的任何先进技术，都不应生搬硬套，而需要建立在引进和消化吸收的基础上，新意法也不例外。为此，承建单位结合项目特点、国情和设备配套情况，对原有的新意法进行了改进、创新，并通过不断摸索创立了一套适合于我国国情的技术设计方案。该方案的核心理念是解决富水粉细砂层的地层固结和降水两大问题，以达到采用简单工法即可开挖的目的。新工法的方案可简单概括为“三加固、两降水、三步挖”九个字。2.3.1 “三加固”设计地层的固结主要采用PST-60摇臂钻机和SM-14钻机及其配套高压旋喷设备进行三方面的旋喷加固，即：周边大直径长悬臂水平旋喷桩加固；掌子面玻璃纤维锚杆旋喷桩加固；双排大直径锁脚旋喷桩加固。其体系如图4所示 图4 “三加固”体系示意图 图5 “两降水”体系示意图2.3.2 “两降水”设计降水是本工程需要解决的另一个重要问题，由于富水粉细砂层的渗透系数小，传统施作花管排水的降水方法效果不甚明显。经现场反复试验，最终确定采用超前真空降水和后续井点降水相结合的施工方案，并获得成功，即被称为“两降水”设计。其体系如图5所示2.4 工艺流程基于上述设计方案，实施过程中从国外引进了PST-60水平旋喷钻机、7T-505J高压泵站、SM-14多功能地质钻机等一批专业设备和配套施工技术。施工时，首先对隧道开挖轮廓周边进行旋喷加固，并施作大管棚形成超前预支护帷幕结构；同时对掌子面进行梅花跳孔施作水平旋喷桩，并在桩体内下入玻纤锚杆以稳定掌子面，从而在开挖前使被开挖体和围岩形成稳定的界面和结构，使开挖变得安全、可靠。还在开挖过程中增加了锁脚旋喷桩等辅助新工艺，代替了传统的锁脚锚杆，很好地解决了在软弱围岩下钢拱架没有着力点、沉降大等问题。具体流程如图8所示图6 水平旋喷加固流程图2.5 成桩效果水平旋喷加固为超前预支护，属于隐蔽工程，因此只有开挖时才能真正揭示出桩体的状态和成桩情况。成桩控制要点主要有以下几个方面：桩径是否符合设计要求（如图9）；临桩间咬合情况是否良好，桩体是否侵线（如图10）；是否出现断桩的情况，桩体是否缩径；桩体强度是否满足要求等。图7 水平旋喷桩的桩径效果图8 边墙与拱顶水平旋喷桩的咬合效果对成桩桩体进行的抗压强度试验表明，其抗压强度可达9.1MPa，完全高于传统注浆工艺通过注浆自然渗透而形成的胶结体强度，更为有效地控制了围岩的变形。在桩芯配以钢管后完全可以抵抗周边围岩的土压力、水压力、包括一些不良围岩的地应力等，从而创造一个安全、理想的施工空间。2.6 施工监测采用新意法对桃树坪隧道出口实施开挖后，承建单位对拱顶下沉和边墙收敛两项指标进行了持续监测，所有测点的月变化值均在10mm以内，说明经过超前预加固法加固后的粉细沙层隧道达到了安全可控的要求。图11、图12为桃树坪隧道出口某里程的监测数据5：图9 桃树坪隧道出口DK6+461测点拱顶下沉量监测曲线图图10 桃树坪隧道出口DK6+461上台阶水平收敛量监测曲线图2.7 新意法与传统工法的工效与成本对比分析桃树坪隧道出口采用新意法实施后不但实现了台阶法开挖，而且工效也大大提高，正常循环原状土段后进度可以达到25米/月，提高成洞效率可达3倍以上。初步成本核算结果显示，旋喷注浆工法每延米成洞的成本约在28万元左右，其中水平旋喷超前预加固的成本约占总成本的50%，为14万元左右。较传统工法40万的成本，体现了较大的经济优势。水平旋喷注浆加固又分为周边旋喷加固、掌子面旋喷加固、锁脚旋喷加固三道工序，其中每延米成洞成本分别为周边旋喷加固10万左右、掌子面旋喷加固3万左右、锁脚旋喷1万左右。 开挖又分为开挖、初期支护、降水、二次衬砌等工作，其中每延米成洞成本所占比例分别为开挖4万、初支3万、降水2万、衬砌3万左右，风水电2万。因此可以看出旋喷注浆工法在工效、安全性大大提高的情况下，在成本、造价方面也具有一定的优势。3 结论与展望（1）新意法隧道修建技术较之传统的隧道施工方法，在支护原理和结构上都有较大的进步和发展。它强调在设计阶段完成地质勘查、诊断及处理措施设计；施工阶段则边实施作业边监控量测，然后优化调整，使开挖面和洞身结构体系形成平衡，保持稳定，在隧道修建技术理念上实现了创新和突破。（2）桃树坪隧道出口是国内采用新意法施工的首例工程，承建单位结合项目特点、国情和设备配套情况，在新意法原有的基础上进行了改进和创新，并通过不断摸索逐步形成了一套符合中国国情的新工法，这对于此项技术在国内的实践应用和推广具有十分重要的意义。（3）新意法在桃树坪隧道项目的实践应用表明，无论是在施工安全、工效、开挖效果还是施工成本方面，新意法都有着传统隧道施工方法所无法比拟的优势，因此会在未来的各工程建设领域具有良好的发展应用前景。（4）方案设计应根据地质情况进行理念创新，并有针对性的进行方案优化。目前在预加固材料替代、初期支护形式二衬等方面都存在优化的空间和可能，但这需要进一步的深入研究和实践。（5）由于该工法在国内尚属首次应用，在实施的过程中仍存在一些亟待解决的问题，如大口降水井的回填处理、掌子面挤出位移的量测及曲线分析、旋喷过程中返浆处理等，这些问题的合理解决将有助于节省材料、保证质量以及维护后期运营的安全。参考文献1 Pietro Lunardi，岩土控制变形分析法(ADECO-RS). 中国铁道出版社，2011年10月1日2 彭峰，肖盛能，潘威，邹明波，软弱围岩隧道修建新方法核心土加固变形控制法J. 现代隧道技术，2012（已录用，尚未见刊）3 李世才，石光荣，伍军，桃树坪隧道富水未成岩粉细砂预加固施工技术J. 现代隧道技术，2011，（2）：116-1194 李斌，漆泰岳，高波，旷文涛，变形控制法（岩土控制变形工法）概述J. 公路隧道，2009，（2）：1-45 桃树坪隧道围岩监测报告，兰渝公司，2011年12月- 8 -