新奥法原理在隧道施工中的应用

新奥法原理在隧道施工中的应用近十几年来，新奥法作为隧道设计与施工的一项新技术在我国已经得到广泛的应用，不仅仅在山岭隧道中得到应用，而且在城市松软地层中也得到应用，取得了显著的成绩和良好的社会效益及经济效益。一、新奥法的概念新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原为NewTunnellingMethod，缩写为NATM，是奥地利学者L.V.Rabcewicy教授于20世纪50年代提出的，以既有隧道工程经验和岩体力学理论为基础，将喷射砼和锚杆、钢架、钢筋网等作为主要支护手段的一种设计、施工的新方法，它与法国称收敛约束法或有些国家称为动态监测设计施工法的原则相同。新奥法就是应用岩体力学的理论，通过对隧道围岩变形的监控、量测，采用新型支护结构，利用、改善隧道围岩的承载能力，促使围岩形成环形封闭的承载结构。其特点是在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性支护和锚杆支护，控制围岩的变形和应力释放，从而在围岩和柔性支护的共同变形中调整围岩内部应力分布，达到应力平衡，最大限度地保持围岩固有强度和利用其自承能力。并通过施工监控量测来指导隧道工程的设计与施工。新奥法不能只是单纯地理解为隧道开挖与支护的方法，它是修建隧道的一种基本理论，它包含了隧道的设计与施工内容。二、支护机理根据岩体力学理论，着眼于隧道开挖后的二次应力重分布，而不拘泥于传统的荷载概念。因此，它不是建立在坍落拱的支撑概念上，而是建立在对围岩加固的基础上，也就是说，过去视围岩为荷载，建立在松散压力基础上，认为隧道开挖后围岩压力的形成主要是由于围岩局部坍塌所致，而围岩的稳定主要靠坍塌致使隧道形态改变后自行取得，因而其作用是消极被动的；而新奥法认为只要采取适当的支护措施，围岩不会失稳且具有自承能力，围岩作用在支护上的压力不是松散压力，而是阻止围岩变形的形变压力，其立足点是基于及时稳定与加固围岩，从而使围岩作为承载之主体，其作用是积极的。如图一所示隧道围岩应力再分布和支护反力的关系曲线，在合理的临界限度内，采用新奥法施工的隧道所需要的支护抗力Pi是与围岩塑性区半径R、隧道周边位移Ur、围岩的内聚力C、内磨擦角￠等参数成反比的，而支护能提供的抗力则与其刚度成正比。图一隧道围岩应力再分布和支护反力的关系曲线图一隧道围岩应力再分布和支护反力的关系曲线图一中围岩特征曲线1表明，若不允许围岩壁面位移发展，洞壁径向压力非常大；若允许径向应力发展，则径向压力减小，当位移达到某一数值时，围岩径向压应力也即支护抗力为最小（Pimin）。如果接近隧道开挖面施作支护，则位移Ur较小，支护特性曲线2表明随着Ur的增加，Pi也增加，并在与曲线1的交点处取得应力稳定，此时的径向压力为Pi1；如果施作的支护刚性增大，则如曲线3所示，径向压应力增大为PiI。新奥法即根据上述理由，接近开挖面适时施做密贴围岩的薄层柔性支护；如果施作支护时间过迟，则使围岩位移过大而产生坍落荷载，即图中斜线阴影部分所示，且使径向压力PiI增大，如曲线4所示。图中曲线5表示由于围岩应力重分布和衬砌之间互相作用而存在的四个显著特征阶段。第I阶段是围岩不受支护的约束而能向洞室内自由位移的时期；第Ⅱ阶段是施做一次支护时由于支护抗力而使变形速度减小，并且这个抗力还和支护刚度有关；第Ⅲ阶段是由于修筑了仰拱，支护刚度变大而使变形速度愈小；最后当仰拱完全受力，达到了第Ⅳ阶段，变形则基本停止。三、新奥法基本要点新奥法原理指导的施工方法与过去的隧道修建方法相比,其基本要点可归纳为以下七条：1、隧道开挖作业应采用光面爆破，并尽量采用大断面开挖，以减小对围岩的扰动。2、隧道开挖后，尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩本身的支护作用。3、根据围岩特征采用不同的支护类型和参数，及时施做密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆作为初期支护，以控制围岩的变形和松驰。4、在软弱破碎围岩地段，应使隧道断面及早闭合，即及时封闭仰拱，以有效地发挥支护体系的作用，保证隧道的稳定。百5养、二次衬溜砌原则上尼是在围岩梅与初期支遮护变形基装本稳定的不条件下构悠筑的，围分岩的支护踏形成一个俭整体，因滥而提高了嚷支护体系珠的安全度唇，并且增钟加治了衬砌厚铸度。漏6修、尽量使位隧道断面刃周边轮廓知圆顺，避堡免棱角突疏变处应力糟集中。说7功、搞好施定工中对围口岩和支护漆的动态观每察、监控晕量测，合斩理安排施眨工程序、备进行设计迈变更及日员常的施工撞管理。煮四、推广赔应用新奥闭法原理修看建隧道，皆必须做到灯科研、设投计、施工泽三结合通新奥法原把理指导隧继道施工，呀通过对隧浴道开挖中牌围岩的动吩态观测采飘取合理支引护体系进扒而达到隧坡道稳定的点方法，同父时应用岩蹈体动态性秒质的完整复的力学概怒念，因而棒其较过去仿的隧道修仪建方法更能具高。曲采用新奥果法原理指碍导修建隧歌道与地下额工程，其抱设计与施绢工程序不蹈同于以往遭的方法，句它非常注耽重调查研盾究，做好里预设计，策同时更注物重信息反额馈修正设栏计，也即拜在隧道开三挖后，根丘据施工观浓察、现场触地质调查肝、现场监议控量测等填信息，对榨施工前预造设计所确篮定的结构伍形式、支狂护参数、会预留变形械量、施工甲工艺、施逆工方法以源及各工序逢施作时间拿等进行检壶验和修正校。这些工栋作贯穿于罚整个施工头的全过程随。判采用新奥叫法原理指皂导隧道施涨工时，科母研先行，印设计、施栋工紧密配底合，共同蚕研究，综酬合分析各浅项信息，对最后确定然和修改设抬计参数，斤使隧道设割计与施工仔做到技术堵先进、经遥济合理、版安全适用足、确保质赛量。以这里强调仙一下，推违广应用新蛙奥法原理盟，一定要碗做好地质序工作。地详质工作分六为施工前萝地质调查厘（其任务绢是确定围暮岩分类，揭为设计、总施工提供遣可靠的地葱质资料）晓和施工中爹地质调查遍（其任务柴是紧跟隧液道开挖及暮时调查围吴岩地质状端态，进行播超前地质沙预报，为即保证施工创安全，变尚更设计和可施工计划孕提供依据恐）。幸新奥法设傍计程序见估图二，施谅工程序见浸图三。愚五、新奥腰法施工的命两大要点随：光面爆举破与喷锚裳支护额1刑、光面爆拜破五为减轻隧挂道开挖对贼围岩的扰揭动，当采泛用钻爆开渐挖法时，旺应采用光线面爆破、歪预裂爆破征技术（隧手道开挖有领钻爆开挖带法、机械瘦开挖法、她人工和机翅械的合开逼挖法等）洗。光面爆么破和预裂穗爆破技术踢能使隧道茫开挖轮廓葵线符合设乖计要求，危减少对围慢岩的扰动掠破坏，同猾时还减少瓦超挖，有匠利于施工右安全和降衫低工程造刃价，加快悼工程进度迟。光面爆所破和预裂酒爆破技术滤是隧道采刮用喷锚支责护的一项盗基本技术葡，采用喷杰锚支护必竿须以光面普爆破为前姻提。研究定测资料研究定测资料掌握围岩各种性状和隧道的环境条件断面尺寸及几何尺寸拟定衬砌类型及参数的选择预留形变数量选择施工方法与施工顺序现场监控量测设计必要时的辅助施工措施设计防排水设计施工前与设计主要内容开挖初期支护施工地质调查现场监控量测稳定性判据围岩、支护体是否稳定？是否合理？二次衬砌结束施作防水层是信息反馈修正设计图二新奥法设计程序施工准备确定施工方法开挖现场监控量测施工准备确定施工方法开挖现场监控量测初期支护是否符合管理标准及围岩变形基准参数防水隔离层防水设施锚喷衬砌二次衬砌结束图三新奥法施工顺序俘所谓光面洋爆破，系惭指爆破后比断面整齐把，超欠挖陵少，岩面残上保棚留限50矿%绵以上的孔炒痕，并无涉明显的爆赛震裂缝。削实施光面哭爆破，就陶是要使周梦边孔起爆径后优先沿牢边孔的中即心边线形知成连通裂交缝，然后书由于爆破奴气体的作渡用使已与陆围岩裂缝梁裂解的岩释体向洞内筹抛散。其犁中心是要咸使岩体沿斧周边孔的匹中心连线驻破裂。只诸有能控制寒破岩裂缝祸的方向与纯发展，才枕能控制爆帝破的轮廓肌。副预裂爆破磨技术是实质施光面爆秒破的一项访有效措施医，也可以电说是光面称爆破的另嘱一种形式劳；预裂爆睡破是先起悔爆破控制体轮廓的周窃边孔，形涨成沿开裂茶轮廓的连政通裂缝，贿然后再行铁掏槽开挖挽主体部分朗。预裂爆恐破对围岩奔的破坏较详轻。午2柏、喷锚支佳护蛾喷锚支护碑是用喷射部混凝土和纽锚杆单独申使用或组牺合而成的胳一种支护辛形式。族喷锚混凝蜘土支护是框以压缩空滑气为动力蓝，通过混尾凝土喷射蜓机。将掺协有速凝剂霸的混凝土模拌和料直介接喷喷射扩到岩面上黄，使之迅沃速凝结硬虾化而成，村喷射混凝庄土所掺速翻凝剂可使抬普通硅酸时盐水泥鞠在档2乔～弃5mi警n紫内初凝笔，苏10mi换n窗内终凝。程喷射混凝垃土施工使起混凝土的幼运输、浇穷筑和捣实嗓三者合为购一道工序仅，不用模千板，施工卖工艺大为狠简化，操蕉作简单，造施工速度梨快，地质丽条件变化摘时，也能超灵活地改央变喷射厚抛度及调整液喷射混凝妇土硬化时俭间，保证概施工安全蹲，因而喷匆射混凝土巨是新奥法帽三大支柱撞之一。爷锚杆支护典是在围岩掘钻孔并插恨入锚杆，屈用以锚岩雕。碍锚杆的种尸类很多，门根据不同岔的地质重艘要条件及太应用场合垒来选用全题适的锚杆酸，我国常镜用的锚杆点有如下几赢种：焦⑴卸端头锚固幻式（内锚傍头式），附包括：机殖械式内锚傍头锚杆（小索），分屡为楔缝式材锚杆、楔聋头式锚杆伏、胀壳式腐锚杆；粘武结式内锚参头锚杆（指索），又遍分水泥砂意浆内锚头应锚杆（索拼）、快硬姐水泥卷内上锚杆头、闹树脂内锚在头杆。荐⑵潮全粘结式谣，包括水沃泥浆全粘洁结式锚杆后、水泥砂薄浆全粘结明式锚杆、代树脂全粘级结式锚杆梨。哀⑶辉摩擦式锚伸杆，包括邀缝管式锚昼杆、水力凑膨胀锚杆闻。块⑷草预应力式蝴，包括先妄张拉后灌幸浆预应力乱锚杆（素绪）、先灌币浆和张拉丢预应力锚绒杆（素）悉。津⑸宅混合式，呈包括同时梨具有上述忙四种型式摧中两种以古上功能的公锚杆（素唱）。请通过一定膀的施工操构作，将锚张杆（素）狠安装在遂炸道或地下窝工程围岩枯中，即能召形成承受累荷载、阻听止围岩的字变形，因仗而锚杆成犬为新奥法漠施工的三库大之柱之输一。储喷锚支护可之所以比目传统支护逃优越，主果要是由于景其作用机币理和工艺差具有澡一些独特凑的工作特淘点。其主阳要特点具梢有及时性氧、粘贴性侵、柔性、去深入性、借灵活性和上密封性。起上述特性醉是构成喷耳锚支护作家用机理的挣基本要素料。在实际我工作中，本能否根据庸不同类型滋的围岩，冠正确运用造这些特性径，乃是能弊否发挥围而岩自承能幻力和喷锚目经济效果形好坏的关雄键。现牙对滑6拴种特性分展述如下：渗及时性。笨由于喷锚熔施作及时掌，能使围丰岩强度不脂因开挖暴烤露风化而争过度降低熄，且能迅牧速给围岩览提供支护眼抗力，从偏而改善围怜岩应力状善态；同时愚，由于喷袋锚支护能浓及时加固岔围岩，从腾而提高了润加固围岩每的柱C它、俱φ捕值，岩体外的抗剪强雾度增大，含因而提高暴了岩体的艘稳定性。抖粘贴性。意喷射混凝菊土同围岩捎能全面密您贴地粘结货，黏结力姓一般可达亭到丘700胖N淋／兆cm然2垦。这种粘点贴性能把坊被裂隙分乎割的岩体刃粘贴在一桌起，保持软了岩块的图咬合镶嵌昂，还能使他围岩与支送护结成一锹个复合整抱体，有利霞于围岩和圈支护承载寒能力的发代挥；由于慢喷射混凝两土射入围盾岩裂隙，键充填围岩侮凹穴，并庭于围岩紧灰密粘结，改不经提高籍了围岩强价度，而且窝减少了围凭岩应力集蚕中。抵柔性。由亏于喷射混练凝土与岩秒体密贴粘枝结，且喷认得较薄，横因而呈现欠一定柔性慕；锚杆也进属柔性支凝护。因此艳，喷锚支适护容易调川节围岩变进形，能有浪效地控制宅充许围岩么塑性区有临适度的发日展，以发榜挥围岩自锈承力和改叼善支护结躁构的受力压状态是十熟分有效的释。粗深入性。稀由于锚杆精具有深入胜岩体内部错一定深度填而加固围姥岩的特性伟，因而按昌一定方式蚀、间距布除置的锚杆怕群，可以乞提高围岩开锚固区的耍强度及整采体性，改穿善围岩应夺力状态，阳制止围岩渣松弛，同贤时与围岩唉相结合形特成承载圈闷。柳灵活性。国由于喷射悦混凝土及酬锚杆施工屈工艺可随留时调整及炭可分次数只完成，因班而具有相疼当大的灵脑活性，这堪对于加固免围岩，提屡高承载力葛非常有利帜。订封闭性。糠由于喷射榆混凝土及跌时施作，转而且是全答面密贴支吉护，因而壶能及时阻滴止地下水齐的渗流，盛抑制岩体珍的潮解和顺强度损失信。尤其是如对于在软蝶弱围岩或鸟膨胀性围记岩体的潮耍解是特别左有效的。惨六、新奥惹法在修建概隧道中的些应用赚1标、基本原馋则盛采用新奥荒法修建隧打道施工，滑要做到少转扰动围岩冻，尽快施伙作初期支植护，及时铜量测和反装馈，并使币隧道断面锐及早闭合享。上述几收点可概括贷为少扰动牲、早喷锚仙、勤量测酸、快封闭膜。申198另6亲年援8纺月北京地闯铁复兴门粒折返线隧掩道采用浅戒埋暗挖法欧修建，创挨造性地提捎出饮“侵管超前、角严开挖、易强支护、掘快封闭、形勤量让测迟”谅1亏8般字施工原灿则，实践谅证明是十僵分有效的繁。恼此外，在绿软弱、含塑水围岩或涛浅埋等不铺易自稳的墨地段施工插时，应采塘用辅助施卸工措施或喜进行预先眼加固处理傻。根据我冷国隧道施项工经验，点常用的辅旺助措施有晃：超前支泛护（超前煎锚杆、超痛前小导管看、管棚等耐），正面桨锚杆、喷伸射砼封闭稿掌子面、鸦临时仰拱耳、井点降即水、辐射崇井点降水友、周边劈寸裂注浆、董填充注浆装等。闻2裕、施工方愿法谣施工方法塌是根据施悠工条件、锡围岩类型凳、埋深、纹断面大小环、环境等冈条件，结同合考虑安巴全、经济赞、工期等亦因素综合汁选定。料新奥法指勾导施工，衫采用的施崇工方法有意三类。舟⑴总全断面法摆：用于坚觉硬围岩，极利于组织右大型机械漫化作业，喝速度快。舞⑵督台阶法：帖用于软弱驳、节理发窄育围岩。捐⑶园分部开挖穷法：用于泳软弱围岩质，跨度较居大、地表并沉陷难于侦控制时采鞠用分部开载挖法。成七、新奥钻法中隧道装采用复合饱式衬砌零复合式衬吗砌系分内瞎外两层先右后施作做鞋的隧道衬大砌。隧道版开挖后，辨采用喷锚烂作为初期考支护待围脊岩及初期输支护基本革稳定后再塞施做内层刑衬砌，内解层衬砌一崇般现场浇蚁注模筑混演凝土，视碧需要在两发层之间设榴防水层。酒复合式衬窑砌与新奥拴法密切相振关。复合睛式衬砌是驴以新奥法罩为依据进利行设计和棚施工的，玩新奥法施赚工又需要申复合式衬带砌作为维切持围岩稳伏定最理想矮的支护手委段。复合寇式衬砌是凤一项先进秤技术，具第有明显的膏社会效益沾和经济效理益，因此贩在国内外架隧道与地尚下工程得站到广泛应什用。隧道沉复合式衬崇砌结构见竖图四。封图递四阶阅乏复合式衬赢砌恰复合式衬绞砌的优点恰及经济效节益优点脱能充分发这挥围岩自浩承作用，豆把围岩支喷护衬砌做掀统一承载仆结构，改续善衬砌受棍力条件，待提高围岩郊材料强度祖，衬砌断硬面由大偏票必过渡到蜻小偏必受聚力，能更巧好地发挥皱混凝土的俯抗压强度魄，从而提遭高了衬砌沫的承载能眯力，衬砌厚减薄，节喜省圬工。丢在初期支宫护保护下催，安全方秋便地施做丘防水层及指二次衬砌售，施工安姥全，工程沾质量能得艳到保证。剩在硬岩中始修建隧道猾采用复合倍式衬砌，誓可全断面扑开挖，拱亲顶勿须超贤挖，一次桑衬砌喷射屈混凝土可鹅实行全部活机械化作淋业，二次蜂衬砌模筑顺脱模时间纯短，因此涂减少了开团挖石方量蛛，加快了处进度。复但合衬砌系宋分层施做猜，根据监慨控量测取质得信息可精及时调整呜隧道衬砌贪厚度，尤箭其在软弱瑞地层中修甲建隧道更缘为适用。跑二次衬砌腐表面光滑届，利于通误风和修饰狗隧道面层吨。经济效益脉从国内外售使用新奥盘法，复合财式衬砌修晚建隧道以广来，基社品会效益与尾经济效益之十分明显屠。尤其是元过去认为关不能修建槐隧道的地铅层，现在各可以修了浸；过去处片理塌方十倡分危险，跌而采用了亿新奥法及壤复合式衬朝砌，塌方雅大减少，都从而人员窑伤亡也大纯幅度降低妙，可以说珍只要管理陡得好，技策术措施得勤当，隧道幕施工可以终做到不死涨人。夺根据铁道醒部对南岭灶、望岭、写下坑和虎互形坳四座挠铁路隧道唇用传统矿导山法和新全奥法复合收式衬砌施引工的实际仁统计资料铸分析如下烟：采用新华奥法复合嫂衬砌施工乖传统矿山碎法可节省制木必材樱68讯%韵～窑93被%脖，混凝土冻圬工（支采护、衬砌普和回填等名）节岂省欣21劣%脂～猴31懒%歪，每米工痛日节洞省励36冻%搅～婶57钟%等，成本节造省逮19.7判%健～孙25.5哲%公，施工进阵度可提分高押27稿%踢～淡57竭%泰，塌方很球少。南岭碗、望岭、懂虎形坳隧箩道试验段掏用矿山法龄施工都发涛生近大塌骄方瘦4棵～反6凳次，塌方慕量统达迁15肠1本～瑞1309俘m蚊3究，而新奥踢法复合式呜衬砌段未遗发生塌方市，且拱顶游不再超挖串和进行回掌填作业；字采用新奥婚法复合衬越砌每延米逃铁路双线煮隧道多用按钢喂材织19介5普～杰221k奉g拒。但从总仓体上看，步复合式衬睬砌具有明壤显的技术难先进、经辞济合理和垫安全可靠窜等优点。傍复合式衬誉砌设计原黄则裳视围岩与点支护衬砌骄构成统一梢的承载结渡构。过去紫地下结构桨设计都把山衬砌与围醉岩看成是拐矛盾的对汁立双方，鲁围岩产生色松动压力御，而衬砌秩只是消极柿的承载结袖构，而采鉴用新奥法兆复合式衬释砌，初期涛支护做到套及时、密孔贴、柔性凳与围尤岩共同变巾形，故复还合式衬砌钓与围岩为闸统一承载塑结构。网复合式衬剥砌分层施兼做，二次图衬砌一般载在初期变录形基本稳例定后放了奖做，初期峰支护与二魔次衬砌的乐承载能力欺是相互依竞赖和影响蝇的。初期哗支护过刚潜，二次衬慰砌则薄，说两层衬砌级的强度应伶综合考虑融。僻初期支护给的主要作绢用在于保恳护施工过辱程围岩的受稳定和安茎全，而二朵次衬砌主拼要作用是凑承担后期饱变形所产凳生的压力保，保护使蜓用期间安感全、防水稻及装修。吨两层衬砌柏按不同受稀力状态及愧安全度设辣计，初期沿支护变形