公路隧道新奥法设计方法与施工范例

公路隧道新奥法设计方法与施工范例目录隧道工程常用术语新奥法的基本原理新奥法设计与施工新奥法施工监控量测公路隧道景观设计公路隧道技术的发展施工范例当地下结构为空间封闭结构形式，宽度在10m内时，通常称为“洞室”；当地下结构垂直地层表面时（α=90°），称为“竖井”；当倾斜角α>45°时称之为“斜井“；当人工建筑处于地表下，结构沿长度方向的尺寸大于宽度和高度并具有联通A、B两点的功能时，可称“地道”；当地道的横截面积较小时，通常认为截面积在30m2以内时，称为“坑道“(导坑、导洞)；当截面积较大时，称之为“隧道”。隧道工程术语隧道纵断面的构造形式隧道的进口外称为洞门洞门上被挖掉的原覆盖物体的部分称为“仰坡”隧道顶部至表面的距离称为“覆盖层厚”已建承重结构的部分，称为“安全部分”；兴建临时支撑结构的部分，称为“临时安全”部分；未建支撑结构的开挖工作面，称为“不安全”部分；从未支撑处正向前开挖的部分，称为“开挖工作面“(掌子面)隧道的横截面的构成

开挖孔洞上约1/3部分，称为“拱部”；约中部1/3的部分，称为“洞身”；约下1/3的部分，称为“洞底“；洞身及洞底的对称中心部分，称为“核心土”。开挖后对应于拱部的上边缘人工结构的弧线部分，称为“拱圈”；孔身对应的下边缘人工结构的弧线部分，称为“侧墙”；孔底边对应的下边缘人工结构的弧线部分，称为“仰拱”。隧道工程术语(道路)隧道tunnel——为使道路从地层内部或水底通过而修建的建筑物。由洞身、洞门等组成。洞门tunnelportal——为保持洞口上方及两侧路堑边坡的稳定，在隧道洞口修建的墙式构造物。衬砌tunnellining——为防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边用水泥混凝土等材料修建的永久性支护结构。明洞opencuttunnel——用明挖法修建的隧道。常用于地质不良路段或埋深较浅的隧道。隧道工程术语围岩surroundingrock——隧道周围一定范围内，对洞身的稳定有影响的岩(土)体。隧道建筑限界structuralapproachlimitoftunnel——在隧道洞身内应保持的道路建筑限界及设置其它设施的空间范围。隧道工程术语

明挖法opencutmethod——先将隧道部位的岩(土)体全部挖除，然后修建洞身、洞门、再进行回填的施工方法。矿山法minetunnelingmethod——主要用个钻眼爆破、构件支撑作业方式开挖坑道而修建隧道的施工方法。因借鉴矿山开拓巷道的方法而得名。新奥法NewAustrianTunnellingMethod——在软弱岩层中修建隧道时，开挖后立即喷射水泥混凝土作为临时支撑(必要时加锚杆)以稳定围岩，然后再进行衬砌的施工方法。

隧道工程术语喷锚支护lockboltsupportwithshotcrete——借高压喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用(根据地质情况也可分别单独采用)加固岩层，分为临时性支护结构和永久性支护结构。围岩偏压non-uniformrockpressure——由于地质构造作用或局部突变的地形以及施工的影响，在洞室衬砌上产生的不对称的岩石法向应力。岩爆rockburst——在地应力高度集中的岩层中开挖时，围岩应力因突然释放而引起的岩块爆裂向外抛射的现象。隧道工程术语导洞(导坑)pilottunnel——在开挖隧洞过程中为探明地质情况或进行原位测试或导向作用，沿预定洞轴线某一高程平行开挖的小断面坑道。又称地坑。全断面法fullfacemethod——每一掘进循环将整个断面向前推进的开挖洞室的方法。隧道工程程术语上导坑法法topheadingmethod———用导坑先先开挖洞洞室上部部并将其其扩大砌砌拱，再再开挖下下部，衬衬砌边墙墙的洞室室开挖方方法。侧导坑法法sidedriftmethod———沿洞室两两侧周边边自下而而上小断断面分块块开挖，，并衬砌砌边墙，，然后进进行拱部部开挖和和砌拱，，最后清清除核心心部分岩岩土，砌砌筑仰拱拱的一种种开挖洞洞室的方方法。隧道工程程术语台阶法(分层开挖挖法)benchingtunnelingmethod———将整个隧隧道断面面分为几几层，由由上向下下或由下下向上分分部进行行开挖的的施工方方法。前前者称正正台阶法法，后者者称反台台阶法。。多导坑法法mulit-driftmethod———联合运用用上导坑坑法和侧侧导坑法法开挖洞洞室的方方法。隧道工程程术语超挖overbreak———洞室掘进进中起出出设计断断面的部部分。欠挖underbreak——隧道实际际开挖断断面小于于设计开开挖断面面的部分分。仰拱invert,invertedarch———地下洞室室凹面向向上的拱拱形底板板。边墙sidewall———带有拱顶顶的地下下洞室拱拱脚以下下的墙体体。隧道工程程术语衬砌lining———防止洞室室围岩松松动、坍坍塌的永永久性支支护层。。喷锚联合合支护combinedboltingandshotcreting———在洞室岩岩壁配置置锚杆系系统和钢钢筋网，，并在其其上喷射射一定厚厚度的混混凝土层层，以加加固围岩岩的技术术。开挖面excavatedsurface———隧道掘进进方向最最前端的的开挖作作业面。。隧道工程程术语整体式衬衬砌integrallining———用模筑混混凝土或或砌体施施作的衬衬砌。初期支护护primarysupport———隧道开挖挖后即行行施作的的支护结结构。二次衬砌砌secondarylining——初期支护护完成后后施作的的衬砌。。复合衬砌砌compoundlining———由初期支支护和二二次衬砌砌组合而而成的一一种衬砌砌。喷锚衬砌砌shotcreteandboltlining——用喷射混混凝土、、锚杆喷喷射混凝凝土或锚锚杆钢筋筋网喷射射混凝土土施作的的衬砌。。隧道工程程术语管棚pipe-shedsupport———沿隧道开开挖轮廓廓，按一一定间距距及外倾倾角打入入钢管、、压注浆浆液，形形成的棚棚式支护护结构。。预留变形形量reserveddeformation———为充分发发挥围岩岩自承作作用，容容许初期期支护和和围岩有有一定量量的变形形，而将将设计开开挖断面面作适当当扩大的的预留量量。新奥法(NATM)——NewAustrianTunnellingMethod应用岩体体力学的的理论，，通过对对隧道围围岩变形形的量测测、监控控，采用用新型的的支护结结构，尽尽量利用用围岩自自承能力力指导隧隧道设计计和施工工的方法法。其特特点是在在开挖面面附近及及时施作作密贴于于围岩的的薄层柔柔性喷射射混凝土土和锚杆杆支护，，以便控控制围岩岩的变形形和应力力释放，，从而在在支护和和围岩的的共同变变形过程程中，调调整围岩岩应力重重分布而而达到新新的平衡衡，以求求最大限限度地保保持围岩岩的固有有强度和和利用其其自承能能力。新奥法的的三大要要素新奥法的的原理虽虽然可用用于各种种类型的的支护,但是,最为适用用的是喷喷锚支护护。因此此喷混凝土土、锚杆杆、量测测被认为是是新奥法法的三大大要素。。它产生生和发展展的历史史与这三三者密切切相关，，不能把把喷锚支支护误解解为新奥奥法的同同义语。。新奥法的的基本要要点①洞室开挖挖后，应应使围岩岩自身承承担主要要的支护护作用，，而衬砌砌只是对对围岩进进行加固固，使成成为一个个整体而而共同发发生作用用。因此，，须最大大限度地地保持围围岩的固固有强度度，以发发挥围岩岩的自承承能力。。如及时时喷混凝凝土封闭闭岩壁，，就能有有效地防防止围岩岩松弛，，而不使使其强度度大幅度度降低，，同时也也不存在在因顶替替支撑而而使围岩岩变形松松弛。总总之应使使围岩经经常处于于三轴应应力约束束状态，，最为理理想。新奥法的的基本要要点②预计围岩岩有较大大变形和和松弛时时，应对对开挖面面施作保保护层，，而且应应在恰当当的时候候敷设，，过早或或过迟均均不利。。其刚度度不能太太大或太太小，又又必须是是能与围围岩密贴贴，而要要做成薄薄层柔性性，允许许有一定定变形，，以使围围岩释放放应力时时起卸载载作用，，尽量不不使其有有弯矩破破坏的可可能。新奥法的的基本要要点③衬砌需要要加强的的区段,不是增大大混凝土土的厚度度,而是加钢钢筋网、、钢支撑撑和锚杆杆，使隧隧道全长长范围采采用大致致相同的的开挖断断面。此外，，因为新新奥法不不在坑道道内架设设杆件支支撑，空空间宽敞敞，从而而提高了了安全性性和作业业效率。。新奥法的基本要要点④为正确掌握和评评价围岩与支护护的时间特性，，可在进行室内内试验的同时，，在现场进行量量测。量测内容为衬衬砌内的应力、、围岩与衬砌间间的接触应力以以及围岩的变位位，据以确定围围岩的稳定时间间、变形速度和和围岩分类等最最重要的参数，，以便适应地质质情况的变化，，及时变更设计计和施工。新奥法的基本要要点⑤隧道支护在力学学上可看作厚壁壁圆筒。它是由由围岩支承环和和衬砌环组成的的结构，且两者者存在共同作用用。圆筒只有在在闭合后才能在在力学上起圆筒筒作用，所以除除在坚硬岩层之之外，设置仰拱使衬砌砌闭合是特别重重要的。新奥法的基本要要点⑥围岩的时间因素素还受开挖和衬衬砌等施工方法法的影响，它对对结构的安全性性起着决定的作作用。考虑掘进进循环周期、衬衬砌中仰拱的闭闭合时间、拱部部导坑的长度以以及衬砌强度等等变化因素，把把围岩和支护作作为一个整体来来谋求稳定。从从应力重分布角角度去考虑，全断面一次开挖挖是最有利的；；分部开挖会使使应力反复分布布而造成围岩受受损。⑦岩层内的渗透水水压力，必须采采取排水措施来来降低。新奥法的现状新奥法的支护结结构至今仍处于于经验设计的阶阶段，它的前提提是要科学地进行围围岩分类，并根据已经修修建的类似工程的经验验，提出支护设计参参数或标准设计计模式。这种工程类比比法目前还只考考虑了岩体结构构、岩块单轴抗抗压强度、弱面面特性等工程地地质性质、坑道道的跨度以及围围岩自稳时间等等主要因素，需需在各种设计与与施工规程的实实施过程中，依据量测数据加加以修正。现场监控设计计，一般分成预先设计阶段和最后设计阶段，后者是根据现现场监控量测数数据，经分析比比较或计算后，，最后提出设计计。理论解析和有限限元数值计算，，至今还不能得得出充分可靠和和满意的结果，必须由上述两两种方法即经验验和量测加以验验证。新奥法施工监控控量测新奥法的施工作作业必须根据事事前的调查决定定下列4个问题：①开挖方法；②支护布置及进行行支护的最适宜宜时机；③是否设置仰拱及及设置的时间和和方法；④是否采用辅助施施工方法及其种种类等。用新奥法施施工的绝大多数数工程均采用各各种台阶法进行行开挖，其次是是采用全断面法法。新奥法要求求保证光面爆破破的质量，避免免凹凸不平而引引起应力集中和和减少超挖，从从而节约为填平平表面所需的大大量混凝土。新奥法监控量测测新奥法的量测十十分重要。在应应力应变、接触触应力、位移等等三大类量测项项目中，新奥法法应以位移的量量测为主。通常常是用收敛计量量测收敛变形，，用多点杆式位位移计量测围岩岩在不同半径处处的变形和获得得围岩动态的范范围，用高精度度水准仪量测围围岩表面垂直位位移和地表沉降降。此外，还可可用量测锚杆测测得锚杆的轴向向应力，用压力力盒测定接触应应力，用应变计计测定支撑和衬衬砌应力等。新奥法的实际应应用情况经40多年的实践和推推广，新奥法已已在奥地利、德国、、瑞典、瑞士、、法国等的山岭隧道中中普遍使用(占70～80％)，并已用于地下下铁道，且取得得沉降量特别小小的显著成果。。日本从1976年以来，已有近近100座隧道采用了新新奥法。中国从60年代初开始推广广喷锚支护新技技术，在普济、、下坑、大瑶山山等铁路隧道采采用新奥法进行行施工，取得了了成功。在公路路隧道建设中，，已大量采用了了新奥法。新奥法的实际应应用情况1997年正在修建的秦秦岭隧道(长19.45km),引进德国WIRTH公司TB880E型隧道掘进机，，预计2000年贯通新奥法的局限在下列情况下，，一般都应采取取适当的辅助措措施才能施工：①涌水量大的地地层；②因涌水产生流流沙现象的地层层；③围岩破碎使锚锚杆钻孔和插入入都极为困难场场合；④开挖面不能自自稳的围岩。①矿山法——钻眼爆破法位于各类岩石地地层内的隧道，，均可采用钻眼眼、装药、爆破破的方法开挖。。在硬岩中开挖挖隧道可采用凿凿岩台车钻眼，，进行全断面开开挖。钻眼爆破法优缺缺点比较优点：适用范围广，，不受隧道断面面尺寸和形状限限制；对各类围围岩均适用；施施工工艺可随地地质条件变化；；施工设备组装装和工地之间的的转移简单方便便，重复利用率率高；施工单位位已积累了丰富富经验钻眼爆破法优缺缺点比较缺点：施工工序多，，各工序干扰大大，开挖速度低低，超(欠)挖严重，爆破时时对地层扰动大大，施工安全性性较差，作业场场所环境差隧道凿岩台车掘进机开挖法利用安装在机轴轴转盘上的刀具具直接切削岩层层。隧道出渣施工机机械梭式矿车槽式矿车隧道掘进机的优优缺点比较优点：施工快速、连连续作业、机械械化程度高，安安全、劳动强度度小、对地层扰扰动小、衬砌支支护质量好、减减少了辅助作业业缺点：对地质条件的的依赖性大，设设备型号一旦确确定，开挖断面面尺寸不可改变变；一次性投资资大新奥法的展望要进一步研制初期和长期强度度都高、回弹少少、粉尘低、生生产率高的喷射射混凝土系统，，并和高效能的的集尘器、自动动喷射装置、周周期短的材料供供应系统配套。。研究能缩短喷敷时间间，又无公害的的新喷射方法。。研究不需用临时堆放放场地、易于运运输的喷射材料料和新的施工工工艺,如钢纤维加强强喷射混凝土土、光面爆破破和深孔爆破破技术、液压压凿岩台车（（兼作安装锚锚杆用）、喷喷射车组（包包括机械手））、各种混凝凝土喷射机、、液体速凝剂剂、粉尘防止止剂、树脂锚锚杆等。隧道施工新技技术隧道施工机械械化(开挖、出渣作作业线；喷混混凝土作业线线；模筑混凝凝土衬砌作业业线)；在长大隧道道中采用全断断面TBM；开发更有效的的爆破器材；；优化爆破设设计，经计算算机编程控制制钻孔；应用用GPS、激光测距等等测设技术；；加强公路隧道道预制拼装式式衬砌的研究究和应用；进一步完善注注浆技术(设备、材料、、工艺、检验验)辅助工法的研研究加强非接触监监控量测手段段的开发和研研究。公路隧道技术术的发展开展隧道和地地下结构的理理论研究，包括有限元元法在地下结结构设计计算算中的应用；；岩土材料试试验工作；以以及工地现场场量测和信息息监控技术等等，使理论能能更好地结合合实际。在长大隧道和和重点地下工工程中，推行行施工综合机机械化。在软土地层层中，采用适适合地层条件件的盾构、顶顶管、沉管和和连续墙施工工方案；在硬硬岩中采用新新型掘进机或或高效水钻台台车，以及光光面爆破和预预裂爆破等先先进技术。以以喷锚支护为为基础的新奥奥法施工，可可大力推广。。隧道的信息化化施工信息反馈修正正设计的内容容：1.施工方法变更更的建议；2.施工工序的更更改；3.预留变形量的的修正；4.设计参数修改改或确认；5.采用辅助施工工措施的建议议。隧道的信息化化施工增强初期支护护可用降低围围岩类别的办办法，改用相相应的设计参参数，或选用用如下加强措措施：1.增设钢筋网或或改用钢纤维维喷射混凝土土；2.加密或加长锚锚杆；3.增加喷射混凝凝上厚度；4.改用早强喷射射混凝土或早早强砂浆锚杆杆；5.采用或加密钢钢架；6.增设临时仰供供及时形成支支护封闭环。。公路隧道景观观设计景观设计美学学标准的总原原则：均衡稳定、比例和谐、韵律生动、简洁明快、连续流畅及与周围环境的的协调。技术与隧道美美学的关系限于经济发展展水平，过去去人们只重视视隧道的实用用、经济的一一面，而对其其美学则很少少关心，特别是铁路隧隧道，洞门造造型平庸呆板板，缺少风格格。高等级公路的的建设方兴未未艾，加上经经济发展迅猛猛的时代，急功近利而忽忽视美学要求求，更容易产产生“污染””环境、令人遗憾的设设计作品。公路隧道景观观设计——洞门洞门型式应适适用、经济、、美观。设在城镇、旅旅游区附近及及高速公路、、一级公路的的隧道，尤应应注意与环境境相协调，有有条件时，洞洞门周围应植植树绿化。洞门也是标标志隧道的建建筑物，要与与隧道规模、、使用特性以以及周围建筑筑物、地形条条件等相协调调。洞门型式应美美观醒目，这是因为洞洞门的造价只只占隧道总造造价的较小部部分，隧道的的标志在洞门门，洞门美观观合理与否直直接影响对隧隧道工程的评评价。洞门的形式1.端墙式洞门或称为一字式式洞门。2.翼墙式洞门3.柱式洞门4.台阶式洞门。。5.环框式洞门：：隧道洞门端墙式洞门北京八达岭公公路隧道九龙—香港海底隧道道洞门设计明洞的形式洞门的色彩形、色、质是视觉印象的的三大信息，，材质与色感感又常常是一一体的。二衬由钢筋混混凝土或混凝凝土建造，淡淡灰色基调显显得朴素端庄庄与深沉稳重重，但大面积积的单一色彩彩又显得单调调而缺乏生气气，致使总体体印象不够清清晰。为使隧隧道形象更加加优美并强调调其存在，可可对洞门、拱拱部、边墙、、路面、防撞撞护栏、设备备洞室、风机机、人行横洞洞等构造进行行着色处理，，特别是洞门的的着色处理。洞门着色时必必须注意1)与洞门形态性性格相协调2)与周围环境相相协调3)各功能构件或或单元色彩要要统一和谐4)考虑地域的风风土人情以及及季节气候对对色彩的影响响照明的景观设设计1.进入隧道前的的视觉问题(白天)：黑洞(长隧道)及黑框(短隧道)现象。2.进人隧道立即即出现的视觉觉问题(白天):“适应的滞后现现象”3.隧道内部的视视觉问题(白天、夜间)4.隧道出口处的的视觉问题夜间与白天正正好相反照明的景观设设计洞口外地段应应尽量保持低低亮度，可采取在路路旁及洞口附附近铺草坪和和植树，洞外外路面采用反反射系数低的的的路面材料料；洞口设遮遮阳棚或减光光格棚等措施施。洞门设计计应有利于隧隧道照明。灯光效果一是是来自隧道外外部的照明，二是平自隧道道本身的照明明设施。前者如对洞洞门、翼墙、、标志物的聚聚光灯照明，，使其浮现于于周围夜色之之中，成为景景观重点，后后者如沿洞门门两侧布置的的装饰灯，将将大大增加人人们对隧道的的亲近感。景观设计的技技术措施充分运用视觉觉辅助手段进进行隧道景观观设计。做成各种景景观效果图，，并努力使其其具备良好的的视觉性、真真实性、操作作性和定量性性除了传统的绘绘画方法外，，使用计算机绘绘图可以使数数据资料的处处理、图形的的变换、绘图图功能更加高高效和直观。香港东区海底底隧道施工中中(1986-1989)试验室中隧道道衬砌试验世界上最长的的铁路与公路路隧道(截止1999年)隧道名称所在国家用途完成年份长度(km)世界排名Seikan日R198853.91ChannelTunnel英-法R199450.02Daishimizu日R198222.23SimplonII意-瑞士R192219.84SimplonI意-瑞士R190619.85世界上最长的的铁路与公路路隧道世界上最长的的铁路与公路路隧道Shin-Kanmon日R197518.76Apennine意R193418.57SaintGotthard瑞士H198016.38Rokko日R197116.39Henderson美R197515.810Haruna日R198215.411隧道名称所在国家用途完成年份长度(km)世界排名世界上最长的的铁路与公路路隧道Furka瑞士R198115.312SaintGotthard瑞士R188215.013Nakayama日R198214.914Lötschberg瑞士R191314.615MountMacDonald加R198814.616Ta-yaoShan(大瑶山)中R198814.317隧道名称所在国家用途完成年份长度(km)世界排名Arlberg澳H197814.018Hokuriku日R196213.919MontCenis法-意R187113.720Shin-Shimizu日R196713.521Aki日R197313.022Fréjus法-意H198012.923PinglinHighway台湾H1999*12.924世界上最长的的铁路与公路路隧道隧道名称所在国家用途完成年份长度(km)世界排名隧道工程实例例瑞士圣哥达公公路隧道中国大瑶山铁铁路隧道日本青函隧道道圣哥达公路隧隧道圣哥达(Sankt-Gotthard)公路隧道隧道中每隔800米加宽一段断断面,为出故障汽车车提供避车道道。设两个竖竖井和两个斜斜井作通风井井，最深的一一个有893米。在离隧道道一侧30米处,开挖平行导坑坑，每隔250米设一横向联联络通道,以加快正洞施施工进度并供供施工中遇到到特殊困难时时使用，以后后还可利用它它修建第二线线隧道。圣哥达(Sankt-Gotthard)公路隧道通过隧道的车车速限制在每每小时80公里以内。隧隧道两端设有有电子计算机机控制站，通通过电视录像像机和传感器器提供数据，，以监视和控控制流量，并并对空气清洁洁度变化、失失火以及照明明亮度也能及及时察觉、报报警。大瑶山铁路隧隧道洞门大瑶山铁路隧隧道中国修建的第第一座长度超超过10公里的双线电电气化铁路隧隧道。位于广广东省坪石至至乐昌市之间间的瑶山山区区和武水峡谷谷。隧道全长长14.295公里。大瑶山隧道从从1978年初