新意法

第四节隧道岩土控制变形分析工法简介20世纪70年代中期，意大利的PietroLunardi教授开始对数百座隧道进行理论和现场试验研究，并逐步创立了岩土控制变形分析法(ADECO-RS法)，该方法用中文解释为“新意法”。在过去数十年内，“新意法”广泛应用于意大利的铁路和公路领域，并已纳入意大利的隧道设计和施工规范。“新意法”还应用于欧洲其它一些国家的隧道项目。PietroLunardi.DesignandConstructionofTunnels,Analysisofcontrolleddeformationinrocksandsoils(ADECO-RS),20082006年7月，铁道部有关领导考察了意大利高速铁路隧道施工现场。2006年10月，意大利特莱维集团(TreviGroup)组团来中国，考察了郑西客运专线黄土隧道施工现场，并与中国同行进行了学术交流。同年11月，在北京召开的“中国高速铁路隧道国际学术研讨会”上，意大利特莱维集团对“新意法”作了专题报告。在武广客运专线浏阳河隧道中，相关施工单位对“新意法”的部分要素进行了尝试性应用。截止目前，“新意法”还没有在我国得到真正的应用。一、基本原理隧道掘进时对隧道周边及前方一定范围的围岩产生扰动，改变了围岩原始应力状态。在开挖面周边区域内，围岩由三轴应力逐渐转变为平面应力状态，开挖面及前方一定范围内围岩应力重分布。开挖后围岩变形也在扰动区域内提前发生。当开挖面前方围岩的应力状态处于弹性范围内时，在开挖轮廓线附近产生弹性变形，称为“拱部效应”，这时开挖面处于稳定状态；图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应如果开挖后围岩处于弹~塑性状况，开挖轮廓四周及开挖面将朝隧道内产生塑性变形，“拱部效应”将从开挖轮廓周围往外移到地层中，但此“转移”只能通过足够的支护措施来实现和控制；图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应如果开挖后围岩产生破坏~滑移的应力状态，围岩大变形随之产生，围岩极不稳定，“拱部效应”难以形成，极易引起坍塌。这时必须采取人工支护措施协助围岩形成“拱部效应”。图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应因此，隧道“拱部效应”的形成及其位置取决于开挖后围岩的变形特征及其大小。基本术语1、超前核心土：是隧道掌子面前方一定体积的土体，呈圆柱形，圆柱体的高度和直径大致等于隧道直径。2、掌子面挤出变形：是开挖介质对隧道开挖产生的变形反应的主要表现形式，主要发生在超前核心土内；挤出变形的大小取决于超前核心土的强度、变形特征及其所处的原始应力场；挤出变形发生在掌子面表面，沿隧道水平轴线方向发展，其几何形状大概呈轴对称(掌子面鼓出)，或在掌子面形成螺旋状突出。3、隧道预收敛：是隧道掌子面前方的理论轮廓线的收敛变形，完全取决于超前核心土的强度及变形特性与其原始应力状态间的关系。开挖介质变形反应研究的三个阶段第一阶段：确定了隧道三种变形类型(掌子面挤出变形、预收敛变形及收敛变形)及相应的隧道不稳定的表现形式(围岩脱落、剥落、掌子面坍塌及隧道塌方)。第二阶段：试验证实所有变形及变形引起的不稳定现象均直接或间接与掌子面前方超前核心土的强度有关。第三阶段：进行了人为调节和改良超前核心土强度以调节隧道变形的试验，研究了如何将超前核心土作为稳定围岩的工具。开挖介质变形反应研究成果1、开挖介质对隧道开挖作业的变形反应预示着是否能够形成成拱效应及成拱效应的位置，即预示着隧道所能达到的稳定等级。2、变形反应从掌子面前方的超前核心土开始，逐步沿隧道向后发展；变形反应不仅包括收敛变形，而是由挤出变形、预收敛变形和收敛变形组成。收敛变形只是错综复杂的应力-应变过程的最后阶段。3、掌子面—超前核心土体系的变形反应与隧道洞身变形之间存在直接联系，前者是因，后者是果，从而强调对掌子面—超前核心土体系的变形反应进行监测的重要性，而不仅仅只对隧道洞身的变形进行监测。开挖介质变形反应研究成果4、对超前核心土进行防护和加固，提高其刚度，可以控制超前核心土的变形(挤出变形及预收敛变形)，从而可控制隧道洞身的收敛变形。研究绪论证实：可以把超前核心土视作一种新的隧道长期和短期稳定的工具；超前核心土的强度及变形特性是隧道变形的真正原因；可以通过对超前核心土进行防护和加固，提高其强度，以达到控制超前核心土变形，并最终控制隧道变形的目的；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决定作用。工作程序表时期阶段概述设计——勘测——诊断——处治——自然平衡状态分析——无稳定措施时变形现象的分析与预测（*）——采用稳定措施时变形现象控制（*）施工——作业——监控——最终设计调整——运用稳定方法控制变形现象（*）——变形现象的控制与监测（*）,此变形现象被作为隧道掘进过程中围岩的反应（开挖处挤压及隧道轮廓处收敛监测，以及岩层内部的变化监测）——变形现象解释（*）——开挖面和隧道支护体系稳定平衡注：（*）变形现象是指，开挖面挤压及在岩层体内部一定的变化距离内的收敛。二、实施要点该工法分为两个实施阶段：在设计阶段完成地质勘察、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。设计阶段勘察诊断处治设计阶段实施监测反馈依据获取的信息，将隧道各地段围岩进行分级(A、B、C三级24个亚级)，每一分级条件下围岩具有相似的地质及地质力学特征。1.设计阶段(1)勘察阶段(2)诊断阶段(3)处治阶段在不采用隧道掘进机（TBM）开挖的情况下，可以依据下述原则：①尽量采用全断面掘进。②隧道开挖后，根据不同级别的围岩特性采取必要的预加固、预支护及初期支护措施以减小变形、防止塌方。③施作混凝土二次衬砌，必要时用钢筋混凝土二次衬砌，尽快浇注仰拱以阻止开挖产生的极速变形。2.施工阶段(1)实施阶段设计完成后，进入实施阶段。根据设计确定的典型纵、横断面，进行隧道开挖和支护。对于软弱不良地层，一般需要进行超前加固，然后进行全断面机械化开挖，进度可达50m/月。(2)监控量测监控和施工同时进行，目的是监测地层对开挖和稳定措施的真正反应。反应以变形现象表现出来。为此，在开挖面前方、开挖面上及后方安装合适的监测点。掌子面前方预收敛—分层沉降监测仪挤出变形—滑动式纵向测微计地表及地层收敛—杆式分层径向变形仪收敛变形—特制条带式变形计(3)设计调整通过监测结果的分析和解释，施工主管决定是否继续按设计的断面和施工方案进行施工，或对某些措施进行调整，以保证开挖面和洞周围岩之间的稳定平衡，确保隧道建成。隧道完工后，必须继续进行系统的监测，以保证隧道在整个寿命期的安全。1、地层变形反应的分析方式不同新奥法对地层变形反应的分析仅限于掌子面的后方，仅对隧道收敛进行分析；新意法不仅对掌子面后方的地层变形反应(收敛)进行分析，而且更注重对掌子面及掌子面前方地层的变形反应(掌子面挤出变形和预收敛)进行分析。三、与新奥法的比较2、地层变形反应的控制方式不同由于对地层变形反应的分析方式不同，新奥法与新意法对地层变形反应的控制方式也不同。新奥法采用锚杆、喷射混凝土、钢拱架、施作仰拱等手段，仅对掌子面后方的隧道施加约束作用；新意法不仅要求隧道的支护措施(包括二次衬砌和仰拱)要与掌子面保持适当距离，不能落后掌子面太远，对隧道提供连续的约束作用，而且要求对超前核心土采取适当的防护和加固措施，提高其强度和变形特性，对隧道提供超前约束作用。三、与新奥法的比较四、国外应用实例意大利罗马--那不勒斯高速铁路隧道工程意大利罗马--那不勒斯高速铁路线上共有隧道22座，总长为21.8km，均采用“新意法”进行设计和施工。隧道工程采用“一揽子”承包合同。该工程于1994年开工,全断面机械化开挖，施工进度很快(达到每工作面约100m/月)，且持续、稳定。施工工期、造价、安全、质量等都得到了很好的控制。“新意法”在该工程中的应用取得了成功。意大利博洛尼亚一佛罗伦萨高速铁路隧道工程意大利博洛尼亚一佛罗伦萨高速铁路全长约92km，其中隧道总长84.5km。隧道穿越复杂多变的、极差的地层，断面面积约140m2。该项目采用“新意法”编制设计规范，并以此为基础进行工程招标和施工设计。该工程地质条件虽很差，但是，由于按“新意法”进行设计和施工，把风险降到了最低，因此仍以“交钥匙”合同方式发包。该工程于1998年开工，全断面开挖，机械化程度很高。工程进展顺利，每个工作面平均月成洞50m。“新意法”在该工程中的应用取得了巨大成功。Vasto隧道全长约6200m，最大埋深约135m，直径约12m，位于意大利Ancona-Bari铁路线上。除靠近洞口段外，Vasto隧道全部穿越黏土地层。在隧道深度处，地层饱水且对断层极为敏感。1984年，从北洞口开始Vasto隧道的开挖作业。开挖作业一直接续到1990年，期间不断发生严重事故，进度缓慢。该隧道原设计情况为台阶法开挖，开挖后立即进行喷射混凝土、钢拱架和钢筋网初期支护；二次衬砌采用1m厚的钢筋混凝土，二次衬砌紧跟掌子面，并在保留核心土的情况下进行浇筑，随后浇筑隧道边墙混凝土，最后浇筑仰拱混凝土。隧道第1次发生严重变形后，施工单位采取了许多措施，企图恢复隧道掘进，但是这些措施最终都没有发挥作用，最终在km38+075里程处(覆盖层厚度为38m)发生了严重坍方，波及隧道掌子面及其后方大约40m范围。同时，隧道二次衬砌结构产生严重变形(大于1m)，致使无法继续施工。Vasto隧道出现上述问题后，PietroLunardi教授应邀为该工程提供解决方案，使隧道恢复施工，并完成隧道剩余工作量。PietroLunardi教授遂对该隧道提出了基于“新意法”原理的设计、施工方案，其基本原则是对掌子面前方的超前核心土进行超前约束和加固，以控制其变形。采用特性线法和三维挤出试验法这2种方法对隧道线路的应力一应变特性进行预测(见图2)。这2种方法对低、中、高应力状态都有效。特性线法较为直接，以特性线理论为基础，根据实际情况运用分析法或数值法进行计算；三维挤出试验法相对较为繁琐，以三维挤出试验为基础。在Vasto隧道中，除了洞口附近很短区段外，运用上述2种方法均预测到可能会发生相当大的挤出变形，导致掌子面不稳定，并最终导致巨大的预收敛及收敛变形(径向收敛超过100cm)。预测的变形值很高，可能会导致严重的失稳现象，如掌子面坍塌，并最终导致隧道坍方。决定采取复合防护技术，即既在超前核心土的周围形成超前约束效应(保护作用)，并对超前核心土进行直接加固(加固作用)，之后进行全断面开挖。根据隧道开挖过程中将遇到的不同地质类型，设计了3种不同的隧道断面并采用了不同的超前支护措施，见图3。对于上述3种隧道断面形式，均在隧道掌子面后方施作初期支护(包括钢支撑和喷射混凝土)，并施作仰拱使隧道封闭成环，最后施作二次混凝土衬砌。一旦确定了隧道的断面类型，就可以进行玻璃纤维锚杆超前核心土的加固设计。加固设计包括确定需要施作的玻璃纤维锚杆的数量、长度以及在掌子面的几何布置形状。1992年，2个洞口的施工同时恢复，北洞口主要是对隧道坍方段进行治理，而南洞口则开始隧道开挖。每周工作7d，平均进度为月成洞约50m。现场图片Excavation:thecore-facewiththechargessetbeforedetonation(newhighspeed/highcapacityrailwaylinebetweenBolognaandFlorenceonthePianorotunnel,1999,ground:weaklycementedsandstone,overburden:~70m)Excavation:therockfaceafterdetonationofthecharges(Gen