新意法隧道岩土控制变形分析工法简介行业严选

1、 1一类特制 2一类特制3一类特制4一类特制5一类特制6一类特制7一类特制基本术语基本术语1、超前核心土、超前核心土：是隧道掌子面前方一定体积的土体，：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。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、掌子面挤出变形：是开挖介质对隧道开挖产生的变：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；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

2、，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(掌子面鼓出掌子面鼓出)，或在掌子面形成螺旋状突出。，或在掌子面形成螺旋状突出。3、隧道预收敛：、隧道预收敛：是隧道掌子面前方的理论轮廓线的收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。其原始应力状态间的关系。8一类特制开挖介质变形反应研究的三个阶段开挖介质变形反应研究的三个阶段 第一阶段第一阶段：确定了隧道三种变形类型：确定了隧道三种变形类型(掌子面

3、挤出变掌子面挤出变形、预收敛变形及收敛变形形、预收敛变形及收敛变形)及相应的隧道不稳定的表及相应的隧道不稳定的表现形式现形式(围岩脱落、剥落、掌子面坍塌及隧道塌方围岩脱落、剥落、掌子面坍塌及隧道塌方)。 第二阶段第二阶段：试验证实所有变形及变形引起的不稳定：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现象均直接或间接与掌子面前方超前核心土的强度有关。关。 第三阶段：第三阶段：进行了人为调节和改良超前核心土强度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。为稳定围

4、岩的工具。9一类特制10一类特制11一类特制12一类特制开挖介质变形反应研究成果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。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。收敛变形由挤出变形、预收敛变形和收敛变形组成。收敛变形只是

5、错综复杂的应力只是错综复杂的应力-应变过程的最后阶段。应变过程的最后阶段。3、掌子面掌子面超前核心土体系的变形反应与隧道洞身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，从而强调对掌子面强调对掌子面超前核心土体系的变形反应进行监测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。的重要性，而不仅仅只对隧道洞身的变形进行监测。13一类特制开挖介质变形反应研究成果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

6、以控制超前核心土的变形(挤出变形及预收敛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。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

7、对隧道的长期和短期稳定起决定作用。强度和变形特性对隧道的长期和短期稳定起决定作用。14一类特制工作程序表工作程序表时期时期阶段阶段概述概述设计设计勘测勘测诊断诊断处治处治自然平衡状态分析自然平衡状态分析无稳定措施时变形现象的分析与预测（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（采用稳定措施时变形现象控制（*）施工施工作业作业监控监控最终设最终设 计调整计调整运用稳定方法控制变形现象（运用稳定方法控制变形现象（*）变形现象的控制与监测（变形现象的控制与监测（*）,此变形现象被此变形现象被作为隧道掘进过程中围岩的反应（开挖处挤压作为隧道掘进过程中围岩的反应（开挖处挤压及隧道

8、轮廓处收敛监测，以及岩层内部的变化及隧道轮廓处收敛监测，以及岩层内部的变化监测）监测）变形现象解释（变形现象解释（*）开挖面和隧道支护体系稳定平衡开挖面和隧道支护体系稳定平衡15一类特制二、实施要点二、实施要点设计阶段设计阶段勘察勘察诊断诊断处治处治设计阶段设计阶段实施实施监测监测反馈反馈16一类特制1.1.设计阶段设计阶段(1)勘察阶段勘察阶段17一类特制(2)诊断阶段诊断阶段18一类特制(3)处治阶段处治阶段19一类特制20一类特制21一类特制22一类特制2.2.施工阶段施工阶段(1)实施阶段实施阶段 设计完成后，进入实施阶段。根据设计确定的典型设计完成后，进入实施阶段。根据设计确定的典型

9、纵、横断面，进行隧道开挖和支护。对于软弱不良地纵、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，进度可达开挖，进度可达50m/月。月。23一类特制(2)监控量测监控量测 监控和施工同时进行，目的是监测地层对开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。装合适的监测点。掌子面前方预收敛掌子面前方预收敛分层沉降监测仪分层沉降监测仪

10、挤出变形挤出变形滑动式纵向测微计滑动式纵向测微计地表及地层收敛地表及地层收敛杆式分层径向变形仪杆式分层径向变形仪收敛变形收敛变形特制条带式变形计特制条带式变形计24一类特制(3)设计调整设计调整 通过监测结果的分析和解释，施工主管决定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。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

11、的安全。证隧道在整个寿命期的安全。25一类特制1、地层变形反应的分析方式不同、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，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地层变形反应(收敛收敛)进行分析，而且更注重对掌子面及进行分析，而且更注重对掌子面及掌子面前掌子面前方地层的变形方地层的变形反应反应(掌子面挤掌子面挤出变形和预收出变形和预收敛敛)进行分析。进行分析。26一类特制2、地层变形反应的控制方式不同、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

12、式不同，新奥法与新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。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法不仅要求隧道的支护措施(包括二次衬砌和仰拱包括二次衬砌和仰拱)要与要与掌子面保持适当距离，不能落后掌子面太远，对隧道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提供连续的约束作用，而且要求对超前核心土采取适当

13、的防护和加固措施，提高其强度和变形特性，对隧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。道提供超前约束作用。 27一类特制28一类特制29一类特制四、国外应用实例四、国外应用实例30一类特制意大利罗马意大利罗马-那不勒斯高速铁路隧道工程那不勒斯高速铁路隧道工程 意大利罗马意大利罗马-那不勒斯高速铁路线上共有隧道那不勒斯高速铁路线上共有隧道22座，座，总长为总长为21.8 km，均采用，均采用“新意法新意法”进行设计和施工。进行设计和施工。隧道工程采用隧道工程采用“一揽子一揽子”承包合同。该工程于承包合同。该工程于1994年年开工开工,全断面机械化开挖，施工进度很快全断面机

14、械化开挖，施工进度很快(达到每工作达到每工作面约面约100 m/月月)，且持续、稳定。施工工期、造价、安，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。全、质量等都得到了很好的控制。“新意法新意法”在该工在该工程中的应用取得了成功。程中的应用取得了成功。 31一类特制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隧道工程意大利博洛尼亚一佛罗伦萨高速铁路全长约意大利博洛尼亚一佛罗伦萨高速铁路全长约92km，其，其中隧道总长中隧道总长84.5 km。隧道穿越复杂多变的、极差的地。隧道穿越复杂多变的、极差的地层，断面面积约层，断面面积约140 m2 。该项目

15、采用。该项目采用“新意法新意法” 编制编制设计规范，并以此为基础进行工程招标和施工设计。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，由于按该工程地质条件虽很差，但是，由于按“新意法新意法” 进进行设计和施工，把风险降到了最低，因此仍以行设计和施工，把风险降到了最低，因此仍以“交钥交钥匙匙”合同方式发包。该工程于合同方式发包。该工程于1998年开工，全断面开年开工，全断面开挖，机械化程度很高。工程进展顺利，每个工作面平挖，机械化程度很高。工程进展顺利，每个工作面平均月成洞均月成洞50m。“新意法新意法”在该工程中的应用取得了在该工程中的应用取得了巨大成功。巨大成功。

16、 32一类特制 vasto隧道全长约隧道全长约6 200 m，最大埋深约，最大埋深约135 m，直径约，直径约12 m，位于意大利，位于意大利ancona-bari铁路线上。除靠近洞口段外，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。对断层极为敏感。 1984年，从北洞口开始年，从北洞口开始vasto隧道的开挖作业。隧道的开挖作业。 开挖作开挖作业一直接续到业一直接续到1990年，期间不断发生严重事故，进度缓慢。年，期间不断发生严重事故，进度缓慢。 33一类特制 该隧道原设计情况为台阶法开挖，开

17、挖后立即进行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；二次衬砌采喷射混凝土、钢拱架和钢筋网初期支护；二次衬砌采用用1 m厚的钢筋混凝土，二次衬砌紧跟掌子面，并在保厚的钢筋混凝土，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。土，最后浇筑仰拱混凝土。 隧道第隧道第1次发生严重变形后，施工单位采取了许多措次发生严重变形后，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，最终在挥作用，最终在km3

18、8+075里程处里程处(覆盖层厚度为覆盖层厚度为 38 m)发生了严重坍方，波及隧道掌子面及其后方大约发生了严重坍方，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范围。同时，隧道二次衬砌结构产生严重变形(大于大于1m) ，致使无法继续施工。，致使无法继续施工。 34一类特制 vasto隧道出现上述问题后，隧道出现上述问题后，pietro lunardi教授应教授应邀为该工程提供解决方案，使隧道恢复施工，并完成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。隧道剩余工作量。pietro lunardi教授遂对该隧道提教授遂对该隧道提出了基于出了基于“新意

19、法新意法”原理的设计、施工方案，其基本原理的设计、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。固，以控制其变形。 采用特性线法和三维挤出试验法这采用特性线法和三维挤出试验法这2种方法对隧道种方法对隧道线路的应力一应变特性进行预测线路的应力一应变特性进行预测(见图见图2)。这。这2种方法种方法对低、中、高应力状态都有效。特性线法较为直接，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，

20、以三值法进行计算；三维挤出试验法相对较为繁琐，以三维挤出试验为基础。维挤出试验为基础。 35一类特制36一类特制 在在vasto隧道中，除了洞口附近很短区段外，运用隧道中，除了洞口附近很短区段外，运用上述上述2种方法均预测到可能会发生相当大的挤出变形，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导致掌子面不稳定，并最终导致巨大的预收敛及收敛变形敛变形(径向收敛超过径向收敛超过100 cm)。预测的变形值很高，。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。终导致隧道坍方。 决定

21、采取复合防护技术，即既在超前核心土的周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围形成超前约束效应(保护作用保护作用)，并对超前核心土进，并对超前核心土进行直接加固行直接加固(加固作用加固作用)，之后进行全断面开挖。，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，设根据隧道开挖过程中将遇到的不同地质类型，设计了计了3种不同的隧道断面并采用了不同的超前支护措种不同的隧道断面并采用了不同的超前支护措施，见图施，见图3。 37一类特制38一类特制 对于上述对于上述3种隧道断面形式，均在隧道掌子面后方种隧道断面形式，均在隧道掌子面后方施作初期支护施作初期支护(包括钢支

22、撑和喷射混凝土包括钢支撑和喷射混凝土)，并施作，并施作仰拱使隧道封闭成环，最后施作二次混凝土衬砌。仰拱使隧道封闭成环，最后施作二次混凝土衬砌。 39一类特制 一旦确定了隧道的断面类型，就可以进行玻璃纤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。面的几何布置形状。 1992年，年，2个洞口的施工同时恢复，北洞口主要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是对隧道坍方段进行

23、治理，而南洞口则开始隧道开挖。每周工作挖。每周工作7 d，平均进度为月成洞约，平均进度为月成洞约50 m。 40一类特制41一类特制现场图片现场图片42一类特制43一类特制44一类特制45一类特制46一类特制excavation: the core-face with the charges set before detonation (new highspeed/high capacity railway line between bologna and florence on thepianoro tunnel, 1999, ground: weakly cemented sandston

24、e, overburden: 70 m)47一类特制excavation: the rock face after detonation of the charges (genoa- ventimigliarailway, s. stefano tunnel,1984, ground: clayey sandy-schists, overburden:120 m)48一类特制excavation: mechanical excavation of the core-face using a ripper(rome motorway ring road, appia antica tunnel, 1999, ground: granularpyroclastite