張 磊
(中國土木工程集團(tuán)有限公司,北京 100038)
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新意法在國外隧道不良地質(zhì)中的應(yīng)用
張磊
(中國土木工程集團(tuán)有限公司,北京100038)
張磊(1985—),工程師,碩士,研究方向:隧道與地下工程。
摘要:新意法作為繼新奧法之后興起的一種隧道修建理念,為解決軟弱圍巖等復(fù)雜條件下新奧法無法施工或很難施工的技術(shù)難題提供了新的解決途徑,具有可全斷面機(jī)械開挖、安全質(zhì)量風(fēng)險可控等優(yōu)點(diǎn)。文章介紹了新意法的核心理論思想,并結(jié)合在國外實施的甘塔斯隧道工程實例,闡述了新意法理念獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:新意法;超前核心土;玻璃纖維錨桿;全斷面開挖法;膨脹性圍巖;侵限換拱
0引言
目前我國隧道建設(shè)主要采用新奧法,其理論精髓是“保護(hù)、利用和調(diào)動圍巖自承能力”,并通過超前預(yù)報、錨噴支護(hù)和監(jiān)控量測等系列手段來實現(xiàn),見下頁圖1。該方法已在國內(nèi)得到廣泛使用,并形成“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”等中國特色方法[1-2]。但在新奧法應(yīng)用過程中,由于其理論自身尚存不足以及眾人對其理解存在差異,有的還造成了慘痛的失敗和教訓(xùn)。
圖1 新奧法施工程序圖
20世紀(jì)70年代中期,意大利Pietro Lunardi教授在研究圍巖壓力拱理論和新奧法施工理論時,結(jié)合對數(shù)百座隧道理論研究和現(xiàn)場試驗研究,創(chuàng)立了新意法。該方法目前在意大利以及其他歐洲國家已得到較為廣泛的應(yīng)用,尤其是在復(fù)雜多變的不良地層環(huán)境中。雖然新意法在國內(nèi)已應(yīng)用于桃樹坪隧道、瀏陽河隧道等[3],但其核心理論思想仍未被廣大隧道建設(shè)者所熟知,而且可參考實例較少。本文將結(jié)合在國外施工的甘塔斯隧道遭遇的不良地質(zhì)實施過程中的教訓(xùn)經(jīng)驗,談?wù)剬π乱夥ɡ砟畹乃伎肌?/p>
1新意法核心理論思想
新意法是通過對隧道掌子面前方超前核心土的勘察、量測,預(yù)報圍巖的應(yīng)力-應(yīng)變形態(tài),并將其劃分為A、B、C三種拱效應(yīng)類型,同時據(jù)以信息化設(shè)計和施工措施,確保隧道安全穿越復(fù)雜不良地層和實現(xiàn)全斷面開挖的一種設(shè)計、施工理念[4]。
1.1新意法理論基礎(chǔ)
新意法理論認(rèn)為隧道掌子面前方存在超前核心土,其高度和長度與隧道輪廓的直徑有關(guān)。新意法將隧道變形分成三類,即預(yù)收斂變形、擠出變形和收斂變形,見圖2。隧道開挖后的變形過程為:從掌子面前方圍巖的擠出變形開始,逐漸向掌子面前方發(fā)展;掌子面前方地層向坑洞擠壓,引起前方圍巖松動,發(fā)生預(yù)收斂變形;再由于預(yù)收斂變形引動,在坑洞四周引起收斂變形。
圖2 超前核心土和隧道變形圖
新意法理論認(rèn)為:(1)超前核心土的強(qiáng)度和對變形的敏感性對隧道的長期和短期穩(wěn)定起決定性作用;(2)通過對超前核心土采取相應(yīng)防護(hù)和加固措施,以控制超前核心土變形(擠出變形及預(yù)收斂變形),從而達(dá)到控制隧道變形(收斂變形)的目的;(3)超前核心土變形取決于其自身的強(qiáng)度和剛度,可通過調(diào)節(jié)其強(qiáng)度和剛度來最終控制隧道變形,因此可把超前核心土視為一種新的工具用以控制隧道的長短期穩(wěn)定性。這些共同構(gòu)成了新意法理論基礎(chǔ)[5]。
新意法理論認(rèn)為能否沿隧道開挖輪廓形成合適的成拱效應(yīng),將決定隧道結(jié)構(gòu)的整體性及壽命。根據(jù)掌子面-超前核心土應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、超前核心土穩(wěn)定狀態(tài)以及隧道變形情況等,把隧道拱效應(yīng)分為三種基本類型,見表1[6]。
表1 隧道拱效應(yīng)類型表
1.2新意法隧道設(shè)計施工程序
新意法隧道強(qiáng)調(diào)對超前核心土的加固和保護(hù),其流程分兩大過程、五大階段,設(shè)計施工程序見圖3,隧道穩(wěn)固措施作用類型見圖4[7],綜合考慮縱、橫斷面類型選擇穩(wěn)固措施見圖5。
圖3 新意法隧道設(shè)計施工程序圖
圖4 穩(wěn)固措施作用類型表截圖
圖5 綜合考慮縱橫斷面類型選擇穩(wěn)固措施表截圖
2新意法理念國外實踐應(yīng)用
近年來,越來越多的國內(nèi)建筑企業(yè)走出國門,尤其是國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施,國外隧道項目逐步增多,遇到的地質(zhì)情況更加復(fù)雜,新奧法和新意法理念碰撞將更突出。
2.1甘塔斯隧道工程概況
阿爾及利亞甘塔斯鐵路隧道全長7.3 km,為雙洞單線隧道(左線V1K102+086~V1K109+432,右線V2K102+074~V2K109+409),左、右線出口端線間距24 m。隧道最大埋深390 m,圓拱曲墻式襯砌,開挖斷面60~110 m2,襯砌內(nèi)輪廓凈空42 m2。
隧道地處阿爾卑斯褶皺帶,地應(yīng)力主方向與隧道走向近乎垂直,易造成圍巖的塑性變形。隧道圍巖以具膨脹性的泥灰?guī)r、頁巖等軟巖為主,單軸抗壓強(qiáng)度0.75~7.57 kPa。隧道出口圍巖主要為全、強(qiáng)風(fēng)化第三系泥灰?guī)r,巖質(zhì)軟,巖體破碎多呈土狀,穩(wěn)定性差,具膨脹性,拱部易掉塊、坍塌[8]。
2.2隧道出口不良地質(zhì)段技術(shù)難題
從2013年7月,隧道出口遭遇不良地質(zhì)段(高地應(yīng)力、強(qiáng)膨脹性泥灰?guī)r,埋深80~150 m),采用傳統(tǒng)新奧法施工的初期支護(hù)變形嚴(yán)重,侵入二襯界限。雖在當(dāng)時已有設(shè)計支護(hù)類型內(nèi),不斷改善施工工藝、加強(qiáng)支護(hù)形式,但未能有效控制,并導(dǎo)致多次換拱作業(yè)。因項目業(yè)主監(jiān)理基于降低工程造價、洞內(nèi)地勘資料不足以及圍巖巖性待驗證等原因,設(shè)計施工支護(hù)方法較長時間內(nèi)都在嘗試摸索、反復(fù)試驗。不僅嚴(yán)重拖延了工程進(jìn)度,也提高了工程造價,安全、質(zhì)量無法得到保證。
2014年9月份,采用新意法理念設(shè)計的支護(hù)后,才順利通過該不良地質(zhì)段??紤]隧道出口兩洞地質(zhì)情況相差不大,左洞較右洞超前實施,以更有代表性的左洞為例對不良地質(zhì)段施工情況進(jìn)行闡述。
隧道支護(hù)類型參數(shù)見下頁圖6,左洞施工采用的初支和換拱支護(hù)類型見下頁圖7。
圖6 隧道支護(hù)類型參數(shù)表截圖
圖7 隧道出口左洞初支和換拱支護(hù)類型圖
2.2.1不良地質(zhì)段施工狀況
(1)第一次侵限
2013年7月13日至9月9日,里程V1K108+703~V1K108+618,采用預(yù)留核心土三臺階法(見圖5),開挖支護(hù)類型由A3(間距1.2 m)→A3(間距1 m)→A1(間距1 m)→A1(間距0.8 m)→A1(間距0.6 m)逐步加強(qiáng),但未能控制初支沉降、收斂變形,導(dǎo)致該施工段侵限最大值達(dá)33 cm,掌子面停止掘進(jìn)。隨后對侵限段落上導(dǎo)加設(shè)鋼管橫撐加固,并回填土封閉以確保洞內(nèi)安全,見圖8~10。
圖8 預(yù)留核心土三臺階法施工圖
圖9 混凝土開裂拱架變形施工圖
圖10 上導(dǎo)加設(shè)橫撐并填土施工圖
(2)第一次換拱和第二次侵限
2014年10月12日,采用D1支護(hù)類型對侵限V1K108+703~V1K108+618進(jìn)行換拱施工。
V1K108+703~V1K108+624里程換拱前初支封閉成環(huán),只對仰拱以上換拱,見圖11。
V1K108+624~V1K108+618里程換拱前只施工了上導(dǎo)及中導(dǎo)(未封閉),換拱施工采用增設(shè)臨時仰拱方式進(jìn)行,并且在施工最后三榀拱架時進(jìn)行掌子面鋼筋錨桿加固,見圖12。在拆除臨時仰拱施工初支仰拱過程中收斂顯著加快,此段再次發(fā)生侵限需要二次換拱,同時已換拱V1K108+630~V1K108+624里程受其影響也再次發(fā)生侵限,見圖13。
圖11 V1K108+703-V1K108+624里程換拱施工圖
圖12 掌子面鋼筋錨桿加固施工圖
圖13 V1K108+634-V1K108+624換拱后再次侵限示例圖
(3)重新設(shè)計支護(hù)類型E1,掌子面恢復(fù)開挖,第三次侵限
對V1K108+703~V1K108+618侵限段進(jìn)行換拱的同時,根據(jù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)侵限最大區(qū)域多為臺階法中拱架連接處,故認(rèn)為導(dǎo)致侵限的主要原因是不能夠及時拱架閉合成環(huán),因此重新設(shè)計E1支護(hù)類型。
2014年12月21日采用E1類型恢復(fù)掌子面開挖施工V1K108+618~V1K108+605,但量測數(shù)據(jù)仍表明初支沉降、收斂速率較快,同時出現(xiàn)掌子面外鼓突出(多達(dá)1 m)、初支混凝土開裂、臨時仰拱失效(向上鼓起)現(xiàn)象,最終該段全部侵限?,F(xiàn)場隨即對已失效臨時仰拱進(jìn)行了拆除及重新安裝,并加設(shè)型鋼斜撐于重新施做的臨時仰拱上,見圖14~16。
圖14 施工上中導(dǎo)后掌子面外鼓突出示例圖
圖15 臨時仰拱上鼓失效,重新架設(shè)施工圖
圖16 重新架設(shè)臨時仰拱,加設(shè)型鋼斜撐施工圖
(4)重新設(shè)計支護(hù)類型E1R,掌子面恢復(fù)開挖,第二次換拱,第三次侵限
考慮到E1支護(hù)類型未能滿足隧道當(dāng)前地質(zhì),重新設(shè)計了E1R支護(hù)類型,見圖17。2014年1月14~26日按照此支護(hù)類型施工了V1K108+605~V1K108+598里程,但未拆除臨時仰拱施工初支仰拱。
圖17 E1R支護(hù)類型示意圖
由于已采用E1支護(hù)施工及原換拱的段落變形嚴(yán)重,拱架存在失穩(wěn)風(fēng)險,暫停了掌子面掘進(jìn)。2014年1月27日~3月8日對再次侵限段落V1K108+630~V1K108+605換拱,換拱方案為在E1R支護(hù)類型基礎(chǔ)上,拆除臨時仰拱前,在中導(dǎo)與下導(dǎo)連接部位兩側(cè)各增3根6 m長錨桿。
2014年3月繼續(xù)采用E1R支護(hù)恢復(fù)掌子面施工,掘進(jìn)施工至V1K108+584里程。雖支護(hù)變形收斂較之前有所減緩,但在拆除臨時仰拱施工初支仰拱后,收斂變形仍未能控制住,導(dǎo)致V1K108+605~V1K108+584初支出現(xiàn)侵限。
(5)小導(dǎo)洞提前釋放應(yīng)力方案,第四次侵限
2014年4月份,項目嘗試通過小導(dǎo)洞(斷面42 m2,從V1K108+584起小里程方向)方式先行掘進(jìn),待圍巖情況好轉(zhuǎn)后,再恢復(fù)正常斷面施工,見圖18。
圖18 隧道小導(dǎo)洞先行施工圖
2014年8月底,按照小導(dǎo)洞方案開挖支護(hù)252 m后,突遇掌子面出現(xiàn)較大股狀水流,浸泡了已經(jīng)完成的后方初期支護(hù)段,導(dǎo)致仰拱突然向上隆起,仰拱拱架斷裂,項目上采用了回填土封閉和加設(shè)橫撐加固(見圖19)。V1K108+651~V1K108+605里程受到小導(dǎo)洞強(qiáng)烈收斂變形延伸影響,變形侵限嚴(yán)重,掌子面小導(dǎo)洞終止掘進(jìn)。
圖19 小導(dǎo)洞仰拱隆起,加設(shè)橫撐變形施工圖
2.2.2不良地質(zhì)段技術(shù)難題解決
在按照小導(dǎo)洞方案施工的同時,為證實施工過程中所遇到的破壞現(xiàn)象與圍巖膨脹性有關(guān),委托當(dāng)?shù)睾蛧鴥?nèi)有關(guān)單位進(jìn)行了巖石膨脹性實驗,證實隧道出口不良地質(zhì)段有側(cè)限膨脹力最高可達(dá)518 kPa,屬于強(qiáng)膨脹性圍巖。根據(jù)此結(jié)論并經(jīng)過計算驗證,最終形成按照新意法全面段開挖、玻璃纖維錨桿注漿加固超前核心土、多層剛性支護(hù)的設(shè)計理念,并設(shè)計了F1(三層)、F2(二層)、F3(一層)三種支護(hù)類型。
F1三層支護(hù)類型最早在隧道出口右洞嘗試應(yīng)用,2014年9月21日至2014年11月11日試驗了15 m,其支護(hù)示意圖和施工照片見圖20~21。經(jīng)過量測,初支內(nèi)應(yīng)力及位移和地層壓力都得到了很好的抑制,沒有出現(xiàn)之前的邊墻破壞及仰拱隆起現(xiàn)象。隨后出口右洞開挖支護(hù)從F1、F2逐步過渡到F3支護(hù)類型。
圖20 隧道出口右洞F1三層支護(hù)示意圖
圖21 隧道出口右洞F1三層支護(hù)掌子面施工圖
2015年2月26日至10月10日采用F2支護(hù)類型施工左洞V1K108+651~V1K108+417侵限段,2015年10月11日至12月6日采用F1支護(hù)類型施工左洞V1K108+418~V1K108+584侵限段,2015年12月7日起掌子面采用F3支護(hù)類型施工。
經(jīng)長時間監(jiān)控量測,換拱段和掌子面新開挖支護(hù)段均未再發(fā)生失穩(wěn)及侵限。
2.3不良地質(zhì)段技術(shù)難題總結(jié)
從2013年7月隧道出口遭遇不良地質(zhì)、頻繁侵限換拱算起,到右洞2014年9月嘗試按F1支護(hù)試驗成功已有1年2個月時間,再到左洞2015年12月采用F3支護(hù)類型恢復(fù)掌子面正常開挖共有2年半時間,項目承受了巨大的工期、安全、成本等壓力。
為找到可行開挖支護(hù)方法,項目多次組織隧道專家組會診,從傳統(tǒng)新奧法包括預(yù)留核心土平衡掌子面土壓力、施作超前支護(hù)(超前錨桿、小導(dǎo)管、大管棚)注漿加固后分部開挖或者幾種方法綜合,最終在新意法理念中找到突破。
3結(jié)語
(1)隧道設(shè)計過程中,要重視地質(zhì)勘察,只有獲取準(zhǔn)確的地勘資料和進(jìn)行圍巖巖性分析,才能為隧道設(shè)計施工提供最基礎(chǔ)可靠的依據(jù),減少盲目性和純經(jīng)驗性。
(2)隧道施工過程中,要做好超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測,及時反饋隧道坑洞周邊地層和支護(hù)效果,為設(shè)計施工提供有力決策數(shù)據(jù)。
(3)新奧法施工忽視超前核心土的重要性,僅把注意力集中在隧道開挖后的變形收斂上,而沒有關(guān)注造成隧道失穩(wěn)的根本性原因。
(4)新奧法使用較多的是臺階法等分步開挖方式,結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)換頻繁,而新意法理念主張全斷面、快施工,不僅可以有效控制工程進(jìn)度、工程質(zhì)量和施工安全,還可以降低工程風(fēng)險和工程造價。
(5)新意法具有更廣的應(yīng)用范圍,其強(qiáng)調(diào)對隧道超前核心土加固和保護(hù),并在設(shè)計施工中采取相應(yīng)強(qiáng)度和剛度措施,能更好解決軟弱圍巖、膨脹性擠壓地層等新奧法無法施工或很難施工的復(fù)雜地段的施工難題。
(6)由于甘塔斯隧道是在遇到傳統(tǒng)新奧法很難通過時,才逐步嘗試摸索按照新意法理念重新設(shè)計支護(hù)類型,因此沒有完全按照新意法設(shè)計施工流程進(jìn)行,但從整個隧道出口不良地質(zhì)段最終能順利解決的情形來看,仍能很好表明新意法具有傳統(tǒng)隧道施工方法所無法比擬的優(yōu)勢,因此未來有很好的發(fā)展應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1]王效良,景詩庭.漫話隧道[M].北京:中國鐵道出版社,2011.
[2]楊新安,姚永勤,喻渝.鐵路隧道[M].北京:中國鐵道出版社,2009.
[3]李世才,石光榮,伍軍.桃樹坪隧道富水未成巖粉細(xì)砂預(yù)加固施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2011(2):116-119.
[4]Pietro Lunardi,巖土控制變形分析法(ADECO-RS)[M].北京:中國鐵道出版社,2011.
[5]李斌,漆泰岳,高波,等.新意法(巖土控制變形工法)概述[J].公路隧道,2009(2):1-4.
[6]李開慶,唐天龍.新意法概述及其應(yīng)用建議[J].山西建筑,2013(10):171-173.
[7]翟進(jìn)營,楊會軍,王莉莉.“新意法”在國外隧道工程中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè),2008,28(4):469-475.
[8]李明華.玻璃纖維錨桿預(yù)加固技術(shù)在隧道中的應(yīng)用研究[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2015,8(22).
Application of ADECO-RS Method in Foreign Tunnel Adverse Geology
ZHANG Lei
(China Civil Engineering Construction Corporation,Beijing,100038)
Abstract:As a new tunnel construction concept after NATM,ADECO-RS provides a new solution for the technical problems that NATM can not be implemented or the construction is difficult under weak sur-rounding rock and other complex conditions,which has the advantages such as full-section mechanical excavation,and controllable safety and quality risks.This article introduced the core theoretical ideas of ADECO-RS method,and combined with the Gan Tasman Tunnel project example implemented in for-eign country,it described the unique technology advantages and application prospects of ADECO-RS concept.
Keywords:ADECO-RS;Advance core soil;Glass fiber bolt;Full-section excavation method;Swelling surrounding rocks;Limit-invasion arch replacement
收稿日期:2016-01-28
文章編號:1673-4874(2016)02-0063-07
中圖分類號:U455.4
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
DOI:10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.015
作者簡介