创建时间:2020-05-10 12:49

 

新意法相关背景

20世纪80年代初,意大利Pietro Lunardi教授通过三维手段分析了隧道的开挖过程,打破了只考虑与隧道掘进方向正交平面变形分析的陈规,结合数百座隧道工程的经验及分析试验,提出了岩土控制变形分析法(Analysis of Controlled Deformation in Rock and Soils)

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1 Pietro Lunardi教授及岩土控制变形分析法著作

2006年,中国铁道部考察团预见了该方法对促进我国铁路隧道施工技术的积极意义,遂决定引进,将其中文解释为“新意法”,并在“关于印发《加强铁路隧道工程安全工作的若干意见》的通知”中强调了“对条件适宜的隧道要积极采用岩土控制变形分析法(新意法)等先进施工方法和施工工艺”。

新意法在复杂隧道工程中具有优势,大大提高了施工效率并保障了施工安全。目前,新意法已广泛应用于欧洲的大型隧道项目,实现了较多复杂地质条件下大断面隧道的全断面开挖,并逐渐在其他国家及国内隧道工程中得到应用。

2 新意法基本原理及特点

2.1 新意法基本原理

由于地下工程的设计及施工均地质条件的“不确定作为工作前提,尽管对岩土分类及支护方案的研究已十分完善,但仍然事故不断,其根本原因是复杂地质条件下“先开挖后支护”这一传统工作方式对掌子面及前方岩土体的约束作用不够,无法较好的控制隧道变形。

新意法的核心思想是通过超前加固核心土、增加结构性(强度和刚度),以达到改善掌子面自稳能力的意图可有效避免掌子面在大面积临空时因变形过大而失稳,从而为隧道全断面开挖创造条件。为便于理解新意法,需要掌握以下术语,如图2所示。

l     超前核心土:超前核心土是隧道掌子面前方一定范围的土体,呈圆柱体,圆柱体的长度和直径大致等于隧道直径;

l      挤出变形:掌子面挤出变形主要发生在超前核心土内,是开挖介质对隧道开挖产生的变形反应的主要变形形式;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初始应力场;挤出变形发生在隧道掌子面的表面,沿隧道水平轴线方向发展;

l     预收敛变形: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征及其初始应力状态之间的关系;

l       收敛变形:已经开挖的隧道轮廓发生的向隧道内的变形。

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2 新意法相关术语示意图

隧道开挖对隧道周边及超前核心岩土体产生了扰动,开挖面及前方一定范围内岩土体应力重分布,改变了初始应力状态,岩土体由三轴应力逐渐转变为平面应力状态。开挖后岩土体变形也在扰动区域内提前发生。若开挖后岩土体屈服,开挖轮廓四周及开挖面将朝隧道内产生塑性变形,“拱效应”将从开挖轮廓周围往岩土体深部转移,只能通过足够的支护措施来实现和控制。若开挖后岩土体产生破坏~滑移的应力状态,大变形随之产生,岩土体极不稳定,“拱效应”难以形成,极易引起坍塌,必须采取支护措施协助岩土体形成“拱效应”。根据施工经验,在具有弹-塑性变形特征的地层中开挖时,一定要保持较高、恒定的开挖速度,以减少超前核心土的变形时间,抑制掌子面的挤出变形和预收敛,减少因此带来的洞壁的收敛变形。

2.2 新意法特点

与新奥法相比,新意法不仅关注掌子面后方岩土体的变形反应,且更注重掌子面及前方岩土体的变形反应的控制Rebcewicz在新奥法的论文中也强调了“隧道应尽可能全断面开挖”,表示使用钢拱架可以扩大开挖断面,便于使用大型施工设备,分步、分层的开挖方式用于不利地质条件,仰拱及其施作时机控制支护闭环与掌子面的距离对限制围岩变形是非常必要的。限于施工设备及理念的限制,Rebcewicz没有意识到掌子面加固对隧道稳定的重要意义,因此未研究出对复杂地质条件下实现全断面开挖的方式。新法实现Rebcewicz复杂地质条件进行全断面开挖的理想。

新意法通过对隧道掌子面超前核心介质的勘察、监测、预测其稳定性,据以信息化设计支护措施,确保隧道安全穿越复杂地层和实现全断面开挖的一种动态设计施工指导原则。强调控制围岩变形、强调掌子面前方围岩的超前支护和加固,监测和控制掌子面前方的围岩变形响应,判断隧道开挖支护方案的合理性及进行开挖支护设计方案动态优化。新意法要求采用配套的机械化作业,以实现全断面开挖,有利于工业化施工,控制成本,缩短工期,创造安全舒适的施工环境。

2.3 法设计施工流程

根据Pietro Lunardi教授的研究,新意法进行隧道设计、施工主要分为5个阶段:(1)勘查阶段;(2)诊断阶段;(3)处置阶段;(4)实施阶段;(5)监测阶段。

对于诊断阶段,强调使用数学方法预测隧道开挖掌子面超前核心土体的稳定性,综合隧道开挖过程中岩土体强度与隧道稳定关系、拱部效应形成位置、围岩变形范围、掌子面稳定性、隧道受地下水影响情况、支护方式6个方面,将隧道的变形类型分为三类状态,如图3所示A类:掌子面稳定,岩石型;B类:掌子面短期稳定,粘性土型;C类别:掌子面不稳定,松散地质型。

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3 掌子面稳定状态

对于处置阶段,对不同的隧道变形类型进一步进行了细分,分别给出了建议的支护方式,如图4所示。玻璃纤维锚杆具有抗拉强度高,抗剪强度低,易挖除的特征,对于掌子面等临时工程加固可提高施工效率,保证施工安全。

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4 隧洞开挖支护建议方式

对于监测阶段,强调对隧道掘进引起的开挖介质的变形反应进行分析,检验诊断阶段和处置阶段预测的准确性平衡开挖面与洞身之间的支护措施,调整最终设计在隧道的寿命期内对其安全性进行监测。

3 新意法在发达国家某水电项目中的应用

发达国家水电项目引水隧洞前段及尾水隧洞段均位于土体中,隧洞直径约9 m,最大埋深约60 m。引水隧洞段为含碎石粘土,粘聚力较低;尾水隧洞段为粘土及含碎石粘土,受到地下水的影响。对于粘聚力较低含碎石,同时受到地下水的影响,掌子面稳定性较差,存在较大的风险,威胁施工安全及项目工期。

由于土性较差,预留核心方案需设置较缓的坡度才能维持稳定,同时,隧洞分为多个区域推进十分不利于施工组织及机械化施工,施工风险仍然较高,工期难以控制。因此,决定采用新意法设计理念,利用玻璃纤维锚杆进行掌子面加固,以全断面方式开挖,并结合解析分析及数值模拟方法对掌子面稳定和支护方案进行了研究分析。尾水隧洞全段全面开挖掌子面支护施工照片如5所示。

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5 尾水隧洞掌子面玻璃纤维锚杆施加

引水隧洞同样可通过玻璃纤维锚杆加固实现全断面开挖,由于部分砾石直径较大,甚至达到1 m,玻璃纤维锚杆钻孔安装过程占据了较多时间,调整为台阶开挖的方式,对上台阶进行玻璃纤维锚杆加固,减少玻璃纤维锚杆数量以节省钻孔时间,同时加大开挖进尺掌子面现场照片如图6所示。

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6 引水隧洞掌子面现场照片

ITASCA中国公司承担了该项目的设计咨询工作结合对新意法的理解及FLAC3D灵活强大的功能,进行隧洞掌子面稳定分析及支护确定解析方法数值方法的对照研究,两种方法相关差异对比如表1所示

1 解析方法及数值方法主要差异

 

解析方法

数值方法

分析维度

2.5 D

3 D

地质条件

均质土

分层土

应力状态

静水应力状态

实际应力状态

破坏状态

极限平衡条件

强度折减法降载法

断面形态

通常为圆形、矩形

任意形状

稳定描述

掌子面支护压力、安全系数

掌子面支护压力、安全系数

支护确定

考虑支护分布特征的影响

考虑支护分布特征的影响

如表1所示,数值方法较解析方法更能反映实际条件,更全面研究洞身支护、超前支护开挖进尺、土层分布、支护分布等对掌子面稳定特性的影响。在进行支护确定时,先依据解析方法评估掌子面稳定并初拟支护参数,再利用数值方法复核掌子面安全性,确定玻璃纤维锚杆支护参数,并确定相关的监测布置以评估优化支护设计据此利用新意法完成设计,引水及尾水隧洞土洞段均未发生任何事故,引水隧洞已按时完成,尾水隧洞剩余不足100 m

(掌子面稳定特性评估玻璃纤维锚杆支护参数确定及监测设置等将在后续的推文中进一步介绍。)

 

参考文献:

[1]  Pietro Lunardi. Design and Construction of Tunnels-Analysis of controlled deformation in rocks and soils[M]. Springer Berlin Heidelberg, 2008.

[2]     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.

[3] Rabcewicz, L., 1964. The new Austrian tunnelling method. Part one. Water Power (November), 453–457. Part two. Water Power (December), 511–515

[4]   Tonon F. Sequential excavation, NATM and ADECO: What they have in common and how they differ[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2010, 25(3): 245-265.

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