新奥法设计施工概论讲座

新奥法设计施工概论讲座

XX2006.6.1、新奥法概念新奥法是奥地利隧道施工方法的简称（NewAustrianTunnelingMethod,简写NATM），应用岩体力学原理，以维护和利用围岩的自稳能力为基点，将锚杆和喷射混凝土集合在一起作为主要支护手段，控制围岩的变形与松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，形成锚杆、喷射混凝土和隧道围岩为三位一体的承载结构，以共同支承山体压力。通过对围岩与支护的现场量测，及时反馈围岩--支护复合体的力学动态及其变化状况，为二次支护提供合理的架设时机；通过监控量测及时反馈信息以指导隧道和地下工程的设计施工。2、新奥法理论的特点新奥法的理论建立在岩体力学特性和岩体变形特性以及莫尔学说的基础上；考虑到隧道掘进时的空间效应和时间效应对围岩应力与变形的影响；集中体现在支护结构种类、支护结构的构筑时机、岩体压力、围岩变形四者的关系上，贯穿在不断变更的设计与施工过程中。3、新奥法设计程序研究定测资料掌握围岩的各种性状和隧道的环境条件施工前预设计●断面形式及几何尺寸的拟定●衬砌类型及参数的选择●预留变形量●选择施工方法与施工顺序●现场监控量测设计●必要时作辅助施工设计●防排水设计信息反馈修正设计开挖根据需要做防水层围岩-支护体系是否稳定？支护是否合理？结束初期支护二次衬砌施工地质调查、现场监控量测4、新奥法施工的基本要点开挖作业多采用光面爆破和预裂爆破，并尽量采用大断面或较大断面开挖，以减少对围岩的扰动；隧道开挖后，尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用；根据围岩特征采用不同的支护类型和参数，及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆初期支护，以控制围岩的变形和松弛；在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体系的作用，保证隧道稳定；二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩与支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度；尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中；通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，合理安排施工程序，进行设计变更及日常的施工管理。综合以上，新奥法的施工精髓为：少扰动、短进尺、早喷锚、勤量测、严治水、紧封闭。5、新奥法组合锚杆的力学作用（1）悬吊作用认为锚杆的作用就是将不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上，以阻止围岩移动滑落。（2）减跨作用在隧道顶板岩层中打入锚杆，相当于在顶板上增加了支点，使隧道跨度减小，从而使顶板岩体的应力减小，起到维护隧道的作用。（3）组合梁作用在层状岩体中打入锚杆，把若干薄层岩层锚固在一起，类似于将叠置的板梁组成组合梁，从而提高了顶板岩层的自支承能力，起到维护隧道的作用。（4）挤压加固作用锚杆群锚入围岩后，随着围岩的变形其两端附近岩体形成圆锥形压缩区，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错并形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。6、目前正在研究发展的锚固支护作用理论⑴最大水平应力理论该理论认为，矿井、峒隧岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，在最大水平应力作用下，峒隧顶、底板岩层易于发生剪切破坏，锚杆的作用是约束围岩沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动。最大水平应力理论的三个特点：与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶、底板稳定性最好；与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶、底板变形破坏偏向巷道的某一帮；与最大水平应力垂直的巷道，顶、底板稳定性最差。

随着对锚固技术的应用与发展，目前又提出了几种新理论：6、目前正在研究发展的锚固支护作用理论锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成的锚固体形成统一的承载结构；锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，改善被锚固岩体的力学性能；巷道、峒隧围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内岩体的峰值强度和峰后强度、残余强度均能得到强化；锚杆支护改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承载力，改善围岩稳定状况；巷道、峒隧围岩锚固体强度提高以后，可减小峒内周围围岩的破碎区、塑性区的范围和峒室内空断面的位移变形，控制围岩破碎区、塑性区的发展，有利于围岩稳定。⑵锚杆支护围岩强度强化理论

该理论要点为：

6、目前正在研究发展的锚固支护作用理论⑶围岩松动圈理论该理论认为，由于巷道的掘进，破坏了原岩应力的平衡，改变了原岩应力状态，从而使围岩应力升高范围的岩体强度低于其应力时，发生屈服破坏。这种破坏将由巷道周边向深部发展，由此在巷道周围形成了不利于围岩稳定的岩体松动圈，把松动圈的范围作为锚杆支护设计的依据。7、地下工程的锚固设计方法(1)分析方法分析方法分为弹塑性分析和极限分析。弹塑性分析包括基于弹塑性力学的解析解和数值解。数值解包括有限差分法、有限单元法、边界单元法。极限分析包括基于剪切楔体滑移理论的分析方法和基于关键块体理论的极限分析。弹塑性分析方法就是借助于理论或数值方法，进行开挖洞室围岩的应力和位移计算，根据应力和位移进行锚固参数的设计。极限分析是根据关键块体或工程经验，进行潜在滑移块体的识别和分析，并基于潜在滑移块体的稳定状态和安全要求，进行潜在滑移体的加固设计。7、地下工程的锚锚固设计方法(2)经验法经验法包括两方面面内容基于工程类比的经经验设计法基于专家经验的锚锚固设计法7、地下工程的锚锚固设计方法经验法--基于工程类比的经经验设计法直接类比法:将待锚固设计工程程与已建的相似工工程（地质条件和和工程类型相近或或相似）进行类比比，确定支护参数数和施工工艺。间接类比法:是建立在工程围岩岩分类的基础上，，首先对锚固工程程围岩进行稳定性性分类，然后根据据围岩类别，进行行支护设计参数设设计。7、地下工程的锚锚固设计方法间接类比法确定喷喷锚支护类型与参参数时，应体现如如下原则：a.根据不同的围围岩压力特点，对对拱墙采用相应的的支护参数对稳定和中等稳定定围岩，主要承受受松动压力，支护护参数的选定贯彻彻“拱是重点，拱拱、墙有别”的原原则；不稳定围岩岩，它主要承受变变形地压，拱、墙墙采用相同的支护护参数。b.要体现支护类类型的灵活性及允允许进行局部加固固围岩对不同的岩体和围围岩的不同部位采采用不同的支护类类型与参数。对于于局部不稳定块体体和局部不稳定部部位，原则上应采采用局部加固，用用锚杆进行局部加加固，而不必配备备系统锚杆或降低低围岩级别。c.认真参考规规范给定的经验验设计参数B≤55＜B≤1010＜B≤1515＜B≤2020＜B≤25Ⅰ不支护50㎜厚喷射混凝土⑴80～100㎜厚喷射混凝土⑵50㎜厚喷射混凝土，设置2.0～2.5m长的锚杆100～150㎜厚喷射混凝土，设置2.5～3.0长的锚杆，必要时，配置钢筋网120～150㎜厚钢筋网喷射混凝土，设置3.0～4.0长的锚杆Ⅱ50㎜厚喷射混凝土⑴80～100㎜厚喷射混凝土⑵50㎜厚喷射混凝土，设置1.5～2.0m长的锚杆⑴120～150㎜厚喷射混凝土，必要时，配置钢筋网⑵80～100厚喷射混凝土，设置2.0～2.5m长的锚杆，必要时，配置钢筋网120～150㎜厚钢筋网喷射混凝土，设置3.0～4.0长的锚杆150～200㎜厚钢筋网喷射混凝土，设置5.0～6.0长的锚杆，必要时，设置长度大于6.0m的预应力或非预应力锚杆Ⅲ⑴80～100㎜厚喷射混凝土⑵50㎜厚喷射混凝土，设置1.5～2.0m长的锚杆⑴120～150㎜厚喷射混凝土，必要时，配置钢筋网⑵80～100厚喷射混凝土，设置2.0～2.5m长的锚杆，必要时，配置钢筋网120～150㎜厚钢筋网喷射混凝土，设置3.0～4.0长的锚杆150～200㎜厚钢筋网喷射混凝土，设置4.0～5.0长的锚杆，必要时，设置长度大于5.0m的预应力或非预应力或非预应力锚杆——Ⅳ80～100厚钢筋喷射混凝土，设置1.5～2.0m长的锚杆100～150㎜厚钢筋网喷射混凝土，设置2.0～2.5长的锚杆，必要时，采用仰拱150～200㎜厚钢筋网喷射混凝土，设置3.0～4.0长的锚杆，必要时，采用仰拱并设置长度大于4.0的锚杆————Ⅴ120～150㎜厚钢筋网喷射混凝土，设置1.5～2.0长的锚杆，必要时，采用仰拱150～200㎜厚钢筋网喷射混凝土，设置2.0～3.0长的锚杆，采用仰拱，必要时，加设钢架——————毛硐跨度围岩级别(m)隧道和斜井的锚锚固支护类型和和设计参数（GB50086—2001)《公路隧道设计计规范》(JTGD70-2004)围岩级别初期支护二次衬砌厚度（m）喷射混凝土厚度（㎝）锚杆（m）钢筋网钢架拱、墙混凝土仰拱混凝土拱部、边墙仰拱位置长度间距Ⅰ5——局部2.0——————30——Ⅱ5～8——局部2.0～2.5——————30——Ⅲ8～12——拱、墙2.0～3.01.0～1.5局部＠25×25——35——Ⅳ12～15——拱、墙2.5～3.01.0～1.2拱、墙＠25×25拱、墙3535Ⅴ15～25——拱、墙3.0～4.00.8～1.2拱、墙＠20×20拱、墙仰拱4545Ⅵ通过试验、计算确定围岩级别初期支护二次衬砌厚度（m）喷射混凝土厚度（㎝）锚杆（m）钢筋网钢架拱、墙混凝土仰拱混凝土拱部、边墙仰拱位置长度间距Ⅰ8——局部2.5——局部——35——Ⅱ8～10——局部2.5～3.5——局部——40——Ⅲ10～15——拱、墙3.0～3.51.0～1.5拱、墙＠25×25拱、墙4545Ⅳ15～20——拱、墙3.0～4.00.8～1.0拱、墙＠20×20拱、墙仰拱50，钢筋混凝土50Ⅴ20～30——拱、墙3.5～5.00.5～1.0拱、墙（双层）＠20×20拱、墙仰拱60，钢筋混凝土60钢筋混凝土Ⅵ通过试验、计算确定两车道隧道复合合式衬砌的设计计参数三车道隧道复合合式衬砌的设计计参数7、地下工程的的锚固设计方法法经验法--基于专家经验知知识的锚固设计计在欧洲Rabcewicz等等学者认为锚杆杆的有效长度应应等于或大于开开挖宽度的1/3，并且锚杆杆间距不应超过过锚杆有效长度度的1/2，锚锚杆的预应力应应大致等于被加加固的岩层重量量。美国陆军工兵部部队制定的经验验法项目参数锚杆最小长度锚杆间距的2倍；不稳定岩块宽度的3倍；对于顶部的锚杆，跨度在6m以内取跨度的1/2；跨度在6～18m范围内，取3～4.5m；对于帮壁的锚杆，高度在8m以内，其长度与③中确定的相同，高度大于18m取高度的1/5。锚杆最大间距锚杆长度的1/2；不稳定岩块宽度的1.5倍；1.8m（因间距大于1.8m，很难连接表面的连环式钢筋网）。预应力顶部锚杆压力等于垂直厚度为0.2倍孔洞宽度的岩石重力；压力为42kpa；侧壁锚杆压力等于垂直厚度为0.1倍孔洞高度的岩石重力；压力为42kpa。7、地下工程的的锚固设计方法法(3)现场监控控法以工程经验为基基础，以现场监监测为反馈信息息的隧道支护设设计和施工方法法。从掘进方法法看，它并不新新颖，主要的革革新之处在于锚锚杆的稳定作用用来保证安全开开挖。由于开挖挖而受损坏和松松散的硐室围岩岩，可用常规的的锚杆系统进行行加固，使其成成为即能自承又又具有柔性（可可让性）的顶拱拱。8、喷层混凝土土的力学理论⑴防护加固围岩岩，提高围岩强强度隧道开挖后，立立即喷射混凝土土，及时封闭围围岩暴露面，由由于喷层与岩壁壁密贴，故能有有效地隔绝水和和空气，防止围围岩因潮解风化化产生剥落或膨膨胀，避免裂隙隙中充填物流失失，防止围岩强强度降低。此外外，高压高速喷喷射混凝土时，，可使一部分混混凝土浆液渗入入张开的裂隙或或节理中，起胶胶结和加固作用用，提高围岩强强度。8、喷层混凝土的力力学理论⑵改善围岩和支支护的受力状态态含有速凝剂的混混凝土喷射液，，可在喷射后2～10min内凝固，及时时向围岩提供支支护抗力（径向向力），使围岩岩表层岩体由未未支护时的二向向受力状态变为为三向受力状态态，提高了围岩岩强度。喷层是一种柔性性支架，它允许许围岩寻求新的的平衡所产生的的有限位移，并并可发挥自身对对变形的调节作作用，逐渐与围围岩变形协调，，从而改善围岩岩的应力状态，，降低围岩应力力，充分发挥围围岩的自承能力力。喷射混凝土能使使混凝土与围岩岩紧密均匀接触触，并可通过调调整喷层厚度，，调整围岩变形形，使应力均匀匀分布，避免应应力集中。有关关实验证明，分分层喷射比一次次喷射不同厚度度混凝土的承载载能力高。8、喷层混凝土土的力学理论(3)喷射混凝凝土厚度的计算算①冲切破坏理理论I、II级围岩岩中的喷射混凝凝土对局部不稳稳定块体的抗冲冲切承载力，按按下式验算：KG≤0.6ftumh当喷层内配置钢钢筋网时，则其其抗冲切承载力力按下式计算：：KG≤0.3ftumh+0.8fyvAsvu式中：G——不不稳定岩面块体体重力，N；ft——喷射混混凝土抗拉强度度设计值，MPa;fyv——钢筋筋抗剪强度设计计值，MPa；；h——喷射混凝凝土厚度，㎜；；当h＞100㎜时，仍以100㎜计算；；um——不稳定定块体出露面的的周边长度，㎜㎜；Asvu—与冲冲切破坏锥体斜斜截面相交的全全部钢筋界面面面积，㎜2;K——安全系数数，取2.0。。②剪切破坏理论论支护软弱围岩的的喷射混凝土的的破坏是剪切破破坏，其表层几几乎不出现拉应应力，计算公式式为：Pih/2≤tгB/sina1,即喷层厚t≥≥Pihsina1/2гB式中：Pi--作用在喷层层上的变形地压压；h--锥形剪切切体底宽，圆形形隧道为2Dcosa1,D为隧道半径径，a1为围岩的剪切角角，拱形隧道取取洞高；гB—喷层材料的抗抗剪强度，可取取抗压强度的20%；a1—喷层材料的剪剪切角，等于450-φ1/2，其中φ1为喷层材料内摩摩擦角。9、监控量测（1）必测项目目是为了在设计施施工中确保围岩岩稳定、判断支支护结构工作状状态、指导设计计施工的经常性性量测，主要包包括：①隧道内内目测观观察；②隧道内内空变位位量测；；③拱顶下下沉量测测；④锚杆拉拉拔力量量测。（2）选选测项目目对有特殊殊意义和和具有代代表性的的区段进进行补充充测试，，以求更更深入地地了解围围岩的松松动范围围和稳定定状态及及喷锚支支护的效效果，为为未开挖挖区段的的设计与与施工积积累现场场资料。。主要包包括：①地表下下沉（在在埋深厚厚度小于于40m时为必必测）②围岩体体内位移移③围岩与与初支压压力④初支与与二衬压压力⑤钢支撑撑压力⑥初支砼砼内压力力⑦二衬砼砼压力表1监监控量量测的方方法与目目的表2监监控量测测的方法法与目的的表3监监控量量测的方方法与目目的10、利利用量测测结果修修改设计计指导施施工（1）根根据内空空变位速速度预报报险情①岩质软软弱破碎碎，开挖挖工作面面自稳时时间比较较短时，，应当先先用3～～5㎝的的薄层喷喷射混凝凝土封闭闭开挖工工作面，，必要时时还应打打设水平平超前锚锚杆先加加固开挖挖工作面面，然后后再进行行开挖。。②如发现现初衬混混凝土的的喷层已已经开裂裂，应马马上做第第二次喷喷混凝土土层，喷喷层要逐逐步加厚厚。③增加锚锚杆数量量或加大大锚杆长长度对危危险面进进行加固固，一般般增加锚锚杆数量量不如加加大锚杆杆长度效效果好，，锚杆数数量和长长度要参参考锚杆杆拉拔力力、轴向向力、围围岩内变变位等量量测资料料确定。。④如果是是全断面面开挖，，可改为为台阶法法开挖，，若已是是台阶法法开挖，，可缩短短台阶长长度，由由长台阶阶改为短短台阶或或小台阶阶，亦可可改为多多台阶开开挖。⑤用仰拱拱或临时时仰拱及及时使断断面闭合合，形成成闭合支支承环对对内空变变位收敛敛有显著著效果，，即使是是用3～～5㎝厚厚的喷射射混凝土土做临时时仰拱，，效果也也很明显显，所以以在台阶阶式开挖挖法施工工中可把把每个台台阶都用用临时仰仰拱进行行封闭。。⑥在开挖挖工作前前上方拱拱顶设置置超前斜斜锚杆进进行预支支护后再再开挖，，斜锚杆杆对促使使变位速速度收敛敛和对减减少最终终变位量量有显著著效果。。根据初期期变位速速度预计计最终变变位量可可能超出出容许变变位数值值时，或或发现内内空变位位速度持持续增长长，特别别是开挖挖面已距距量测断断面1～～2倍隧隧道直径径时，量量测断面面的内空空变位速速度仍持持续地维维持一个个常量或或持续增增长。可可判定这这是危险险的征兆兆，这时时，首先先应当立立即停止止开挖。。然后根根据情况况尽快采采取如下下一种或或几种加加强支护护的措施施。10、利利用量测测结果修修改设计计指导施施工（2）根根据内空空变位速速度修改改设计施工中，，如果内内空变位位速度收收敛很快快，可以以预计出出最终变变位很少少时，可可认为原原设计偏偏于保守守，为了了节省人人力、物物力、财财力，应应当减少少支护结结构参数数，但在在确定减减少设计计参数之之前要构构筑2～～3个施施工过渡渡段进行行试验施施工，每每一施工工过渡段段的长度度为1～～2倍隧隧道的直直径，每每一施工工过渡段段所要修修改的支支护结构构设计参参数应当当逐渐减减少，在在每一过过渡段中中都要增增设量测测断面，，记录减减少支护护结构设设计参数数后内空空位速度度的收敛敛情况，，并预计计出最终终变位，，当结合合目测观观察和其其他量测测资料的的分析，，认为减减少支护护参数后后隧道确确实安全全可靠时时，方可可决定采采用新的的设计参参数进行行施工。。10、利利用量测测结果修修改设计计指导施施工（3）根根据最终终变位量量修改开开挖断面面尺寸隧道的开开挖断面面尺寸是是隧道断断面净尺尺寸和预预订的容容许变位位量之和和，一次次衬砌施施工完毕毕的内空空变位已已达到稳稳定的隧隧道，其其最终变变位量可可能大于于或小于于预订的的容许变变位量，，岩质较较好时，，变位量量并不很很大，对对隧道断断面尺寸寸影响很很小，一一般不做做任何修修改。但但膨胀性性地层变变位量变变化范围围大，如如果最终终变位量量小于预预定容许许变位量量时，应应当减少少开挖断断面尺寸寸，相反反，则要要考虑加加大开挖挖面尺寸寸，或改改变支护护方式和和支护参参数，控控制最终终变位，，使它不不超过预预订的容容许定位位量。10、利利用量测测结果修修改设计计指导施施工（4）根根据内空空变位速速度确定定二衬浇浇筑时机机做好初衬衬后，当当内空变变位速度度等于零零时是浇浇筑二次次衬砌最最理想的的时机，，因为只只要围岩岩变位没没有终结结，所构构筑二次次衬砌上上就作用用有荷载载。新奥法构构筑隧道道时，一一次衬砌砌的变位位应当稳稳定，二二次衬砌砌不应当当承担荷荷载，只只起装饰饰作用和和提高安安全度的的作用。。在实际施施工当中中，对于于岩质条条件好的的隧道，，围岩变变位速度度收敛很很快。这这种情况况下，可可以在围围岩内空空变位速速度等于于零后再再构筑二二次衬砌砌是最好好的。对于岩质质条件不不好，围围岩变位位收敛很很慢的隧隧道如果果也等到到内空变变位速度度等于零零时再构构筑二次次衬砌，，就会造造成施工工速度太太慢而不不经济，，这种情情况下，，可以在在围岩变变位趋于于稳定、、变位速速度收敛敛到一个个恰当小小的数值值时就构构筑二次次衬砌。。在欧洲一一般规定定当变位位速度降降到每月月几毫米米时开始始构筑二二次衬砌砌混凝土土，但所所使用的的混凝土土的强度度应根据据平均内内空变位位来确定定。月内空变位量/㎜平均内空速度/（㎜/d）混凝土强度/（98kpa）0～10～0.032501～30.03～0.103003～50.10～0.17400我国《公公路隧道道施工技技术规范范》（JTJ042——94））规定隧隧道周边边任意点点的实测测相对位位移值应应小于下下表数值值。隧道周边边允许相相对位移移值（%）<5050～300>300备注IV(新规范III级)0.10～0.300.20～0.500.40～1.20相对位移值指实测位移值与两测点间距离之比，或拱顶位移实测值与隧道宽度之比；脆性围岩取表中较小值，塑性围岩取表中较大值。III(新规范IV级)0.15～0.500.40～1.200.80～2.00Ⅱ(新规范V级)0.20～0.800.60～1.601.00～3.00覆盖层厚厚度许允围岩类别对值移相位并规定二二次衬砌砌的施作作应满足足:已产生的的各项位位移已达达预计总总位移量量的80%～90%；各测试项项目的位位移速率率明显收收敛,围岩基本本稳定；；周边位移移速率小小于