隧道工程新奧法施工技巧

1、第9章 新奧法一、新奧法的基本概念1.新奧法的由來及概念（1）由來 全稱為新奧地利的施工方法，New Austrain Tunneling Method(NATM)（2）產(chǎn)生背景錨桿在20世紀出現(xiàn)噴射混凝土在1940年末研制成功巖石力學的理論發(fā)展為新奧法提供了科學依據(jù)（3）新奧法的概念 用薄層支護手段保持圍巖強度、控制圍巖變形，以發(fā)揮圍巖自承載能力，并通過施工監(jiān)控量測指導隧道的設計與施工。（4）三大要素控制爆破噴錨支護監(jiān)控量測（5）三項作業(yè)開挖初次支護二次支護第9章 新奧法一、新奧法的基本概念2.新奧法原理要點（1）承載體系：支護圍巖（2）少擾動圍巖（3）既允許又限制圍巖變形（4）復合式襯砌（

2、初襯二襯）（5）初期支護應盡量做成柔性（6）二襯盡可能結構圓順、剛度大、整體性好（7）進行有效的監(jiān)控量測（8）通過“排堵措施“解決襯砌滲水第9章 新奧法三、施工過程中的力學解析與分析1.洞室開挖后的力學狀態(tài)（1）三種應力狀態(tài)初始應力狀態(tài)（原巖）二次應力狀態(tài)（開挖后）三次應力狀態(tài)（支護后）（2）基本假定圍巖為均質、各向同性、連續(xù)只考慮自重應力場隧道形狀以規(guī)則的圓形為主無限體中的孔洞問題（3）洞室開挖后的應力狀態(tài)彈性應力狀態(tài)：圍巖強度高、穩(wěn)定性好塑性應力狀態(tài)：圍巖屈服、塑性區(qū)有一定的承載力rr徑向應力切向應力2.圍巖穩(wěn)定性判據(jù)（1）巖體強度判據(jù)洞室周邊圍巖應力巖體強度極限 二次強度極限 （2）圍巖

3、變形判據(jù)：uu第9章 新奧法三、施工過程中的力學解析與分析3.圍巖特征曲線與支護曲線（1）圍巖特征曲線（2）支護特征曲線第9章 新奧法三、施工過程中的力學解析與分析3.圍巖特征曲線與支護曲線（3）圍巖與支護結構平衡狀態(tài)的建立第9章 新奧法收斂與約束支護剛度與時機圍巖和支護結構的相互作用彈塑性分界PauaPa圍巖徑向壓力Ua圍巖徑向位移支護時間相同，支護剛度不同支護剛度大，承受圍巖壓力大支護剛度小，承受圍巖壓力小支護剛度相同,支護時間不同支護過早，承受圍巖壓力大支護過晚，承受圍巖壓力大適中支護時間恰當，承受圍巖壓力小圍巖和支護結構的相互作用彈塑性分界PauaPa圍巖徑向壓力Ua圍巖徑向位移支護剛

4、度適中，承受圍巖壓力適中第9章 新奧法一、施工程序施工準備確定施工方案開挖初期支護監(jiān)控量測是否符合管理標準防水隔離層二次支護竣工修改支護參數(shù)修改開挖方法和順序修改施工方案是否必要時預支護以改良地層第9章 新奧法二、施工基本原則少擾動開挖時盡量減少擾動次數(shù)、擾動強度、擾動范圍及擾動持續(xù)時間。早支護開挖后及時施作初期錨噴支護，使圍巖變形受控。勤量測以直觀、可靠的量測方法和數(shù)據(jù)準確評價圍巖及支護的穩(wěn)定狀態(tài)，或判斷其動態(tài)發(fā)展趨勢，以及時調整支護及開挖方法。緊封閉（1）采取噴射混凝土等防護措施，避免因圍巖長時間暴露導致強度和穩(wěn)定性降低；（2）適時對圍巖封閉支護。第9章 新奧法三、噴射混凝土（1）噴射混凝

5、土的特點 充填裂隙加固圍巖 封閉圍巖壁面防止風化 噴射混凝土與圍巖組成共同承載體系（2）噴射混凝土的優(yōu)缺點 優(yōu)點：柔性支護 支護及時 不用模板、拱架 施工工藝簡單缺點：回彈量大、止水性弱（3）噴射混凝土的噴射方式1）干噴2）濕噴3）潮噴第9章 新奧法三、噴射混凝土1）干噴 干噴是將砂、石、水泥按一定比例干拌均勻投入噴射機，同時加入速凝劑，用高壓空氣將混合料送到噴頭，最后與高壓水混合后以高速噴射到巖面上。（3）噴射混凝土的噴射方式干噴第9章 新奧法三、噴射混凝土2）濕噴 用濕噴機壓送拌和好的混凝土，在噴頭處添加液態(tài)速凝劑，再噴到巖壁上。濕噴（3）噴射混凝土的噴射方式3）潮噴 潮噴是將砂、石料預加

6、水，使其浸潤成潮濕狀，再加水泥攪拌均勻，從而降低上料和噴射時的粉塵，其工藝流程同干噴。 第9章 新奧法三、噴射混凝土2）噴射混凝土的配合比和水灰比 質量比水泥：中砂或中粗砂：石子 邊墻采用1:(22.5):(22.5) 拱部采用1:2:(1.52.0) 水灰比 ：一般為0.40.5 （4）噴射混凝土的材料及其組成（5）噴射混凝土的機械(具)設備 噴射作業(yè)的機械(具)設備主要包括：混凝土噴射機、上料機、攪拌機、機械手、混凝土運送攪拌車、混凝土噴射三聯(lián)機等。 第9章 新奧法四、噴射混凝土施工工藝（1）噴射混凝土的施工準備材料、機械(具)的準備 施噴場地準備 （2）施噴作業(yè)（指干式噴射）1）風、水壓

7、 風壓：風源風壓應穩(wěn)定在 0.40.65MPa。水壓：規(guī)定噴射作業(yè)區(qū)的系統(tǒng)水壓應 大于0.4MPa。 2）噴嘴與受噴巖面之間的距離和角度 距離：噴嘴與受噴巖面之間的距離以0.81.2m為宜角度：垂直向剛噴射過的混凝土部位傾斜不大于10 3）一次噴射厚度及各噴層之間間隔時間 厚度：根據(jù)噴射效率、回彈損失等因素確定間隔時間：當采用(紅星型)速凝劑時可在510min以后進行下一次噴射 第9章 新奧法四、噴射混凝土施工工藝（3）堵管問題的處理原因： 粗集料過大(粒徑大于25cm以上) 水泥硬塊或其它雜物 混合料(主要是砂)濕度過大(大于6%) 風壓偏低 另外若司機操作不對 混合料未吹完就停風 誤開放氣

8、閥而停風處理： 應立即關閉馬達，隨后關閉風源。 噴射手將軟管拉直，然后用手錘敲擊以尋找堵管處。 找到堵管部位后，可將風壓升到0.30.4Mpa(不超過0.5Mpa)，并用錘擊堵管部位，使其暢通。第9章 新奧法四、噴射混凝土施工工藝（5）鋼纖維噴射混凝土工藝（4）噴射混凝土的養(yǎng)護噴射混凝土終凝后2h起應始灑水養(yǎng)護，灑水次數(shù)以能保持混凝土具有足夠的濕潤狀態(tài)為定，養(yǎng)護期不得少于14晝夜。 （6）鋼筋網(wǎng)噴射混凝土鋼筋網(wǎng)分縱向鋼筋和環(huán)向鋼筋，直徑，網(wǎng)格尺寸鋼筋網(wǎng)應適應圍巖壁面，噴一層后再掛網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)與巖面間隙，鋼筋網(wǎng)保護層厚度將鋼筋網(wǎng)加工成網(wǎng)片，長寬可100200cm鋼筋網(wǎng)與錨桿應盡可能牢固連接初始噴射

9、的距離宜短，角度調整適當（7）噴射混凝土的質量檢查原材料進庫檢查與驗收 噴射混凝土強度檢查 噴層與圍巖粘結情況的檢查 噴層厚度的檢查 第9章 新奧法五、鋼支撐 對于自穩(wěn)時間很短的、級圍巖隧道； 淺埋、偏壓隧道； 隧道處于粉細砂、大面積淋水等地段； 為了抑制圍巖過大的變形。（1）使用條件（1）架設后立即受力（2）強度和剛度均較大（3）可承受松動壓力鋼架最大特點：（2）鋼架類型型鋼鋼架格柵網(wǎng)構鋼架第9章 新奧法1）型鋼鋼架 常用：工字型鋼、H型鋼、槽鋼、U型鋼、鋼管及鋼軌等缺點： 鋼架較重，架設困難； 不便于加工制作； 鋼架與噴射混凝土結合不良，粘結力較小。2）格柵網(wǎng)構鋼架 特點： 質量輕，制作容

10、易，架設方便，省工省料 與噴射混凝土結合良好，能形成整體鋼筋混凝土結構 易與錨桿、超前小導管形成整體 鋼架縱向間距，視圍巖而定 一般為0.751.2m 兩榀鋼架之間設置直徑為2022mm縱向鋼拉桿 只有十分必要時才使用縱向拉桿五、鋼支撐第9章 新奧法機械式錨固錨桿楔縫式、脹殼式粘結式錨固錨桿靠粘結材料摩擦式錨固錨桿桿體與孔壁摩擦自進式中空注漿錨桿 當隧道通過軟弱圍巖等地段時：機械式錨桿錨固容易失效粘結式砂漿錨桿施工不便而采用摩擦式錨桿可以收到良好支護效果（2）錨桿類型六、錨桿第9章 新奧法粘結式錨固錨桿靠粘結材料機械式錨固錨桿楔縫式、脹殼式（2）錨桿類型六、錨桿第9章 新奧法六、錨桿（3）錨桿

11、的布置 1）局部布置拱腰以上部位錨桿方向應有利于錨桿的受拉。 拱腰以下及邊墻部位錨桿宜逆向不穩(wěn)定巖塊滑動方向。錨桿的間距： 2）系統(tǒng)布置錨桿宜垂直隧道周邊輪廓布置，對水平成層巖層，應盡可能與層面垂直布置 在巖面上錨桿宜成菱形排列，縱橫間距為0.61.5m。 系統(tǒng)錨桿間距不宜大于錨桿長度的1/2，在、級圍巖中，錨桿間距宜為0.51.2m。隧道軸向 第9章 新奧法（4）錨桿的尺寸 1）錨桿直徑 錨桿一般采用16Mn或5號鋼，條件不具備時可用3號鋼。對于端部錨固的錨桿，其抗拉力大于或等于設計錨固力，即： 錨桿直徑d：常用的錨桿直徑一般為1822mm。2）錨桿長度起懸吊作用的錨桿：長度須穿透不穩(wěn)定塊體

12、并在堅硬穩(wěn)定巖體內有一定錨固長度。 軟弱圍巖中系統(tǒng)布置的錨桿：巖體視為單一塑性體，錨桿的長度應穿過塑性區(qū)。 按施工經(jīng)驗來確定錨桿長度：中等以上硬質圍巖：軟弱圍巖：六、錨桿第9章 新奧法（5）鋼筋砂漿錨桿的安裝工藝 1) 材料及配合比 鋼筋：宜采用螺紋鋼筋； 水泥：選用不低于325號的普通硅酸鹽水泥； 砂子：嚴格過篩的粒徑不大于3mm的中、粗砂； 速凝劑：紅星型，摻量為水泥質量的2%4%； 骨料比：1：11：1.2； 水灰比：0.40.45。2）灌漿設備 孔徑應大于錨桿直徑1520mm，在灌漿前用高壓風將孔眼吹凈3）鉆孔及清孔 4）注漿及安裝錨桿 將注漿管插入到孔底，在注漿的同時，將注漿管徐徐向

13、外拔出，待注漿管口距鉆孔口2030cm時，停止注漿，然后將錨桿插入至孔底部將砂漿擠滿鉆孔。 六、錨桿第9章 新奧法鉆孔 安裝錨桿 連接注漿機 注漿 鋼筋砂漿錨桿的安裝六、錨桿（6）錨桿的質量檢查錨桿質量檢查：長度、間距、角度、方向、抗拔力等主要是抗拔力試驗，對于重要工程可增作灌漿密度試驗。如抗拔力不符合要求時，一般可用加密錨桿予以補強。 第9章 新奧法一、監(jiān)控量測目的（1）為設計和修正支護結構及參數(shù)提供依據(jù)；（2）正確選擇開挖豐富和支護施作時間；（3）為隧道施工和長期使用提供安全信息；（4）研究新奧法力學機理和設計理論的重要途徑。二、監(jiān)控量測的內容和方法（一）基本要求 盡快埋設測點； 進行一次

14、量測的時間宜盡量短； 傳感元件要有較好的防震、防沖擊波的能力，且能長期有效； 測設的數(shù)據(jù)要求直觀、正確、可靠； 測試儀器要有足夠的精度。第9章 新奧法二、監(jiān)控量測的內容和方法（二）量測元件及儀器1. 百分表，千分表，撓度計 其表盤最小刻度值為0.01mm的稱為百分表，為0.001mm的稱千分表，為0.05mm并可連續(xù)讀數(shù)，量程無限大的稱為撓度計。 2. 收斂計 坑道開挖后，隨著圍巖應力重分布，坑道相對側壁的距離將產(chǎn)生變化，當圍巖應力趨于平衡時，這種變化將逐漸趨于穩(wěn)定，這一變化過程稱為“收斂”，這種相對距離的量測稱為“收斂量測”。 有：重錘型收斂計、彈簧張力型收斂計、鋼絲扭距平衡型收斂計第9章

15、新奧法彈簧式收斂計二、監(jiān)控量測的內容和方法（二）量測元件及儀器第9章 新奧法二、監(jiān)控量測的內容和方法（二）量測元件及儀器3. 位移計 位移計有兩種類型，一類是機械式，另一類是電測式。其構造是由定位裝置、位移傳遞裝置、孔口固定裝置、百分表或讀數(shù)儀等部分組成。4. 錨桿拉力計 錨桿拉力計主要用作錨桿拉拔實驗，由手動油泵和空心千斤頂，壓力表，油管組成。拉力計最大拉拔力可達400kN，上面可安裝百分表測千斤頂行程。5. 鋼筋計 長期埋設在混凝土建筑物內，測量結構內部的鋼筋應力。電磁感應式鋼筋計又稱鋼弦式（振弦式）鋼筋計應用廣泛。第9章 新奧法二、監(jiān)控量測的內容和方法（二）量測元件及儀器鋼弦式量測錨桿第

16、9章 新奧法6. 巖土壓力盒 對支護的內應力及其與圍巖接觸應力的量測可采用盒式壓力傳感器(稱壓力盒)進行測試。將壓力盒埋設于混凝土內的測試部位及支護一圍巖接觸面的測試部位，壓力盒所受壓力即為該部位(測點)應力。 壓力盒有兩種傳感方式，一種是變磁阻調頻式，另一種是液壓式。7. 隧道激光斷面測量儀 目前國內應用較多的此類儀器有鐵二局的非接觸自動坐標（TAPS）激光斷面儀，鐵道部的SJC1型激光斷面儀，地礦部探礦工藝所的DMYI激光斷面儀，北京光電技術研究所的BJSD-2激光隧道限界檢測儀。二、監(jiān)控量測的內容和方法（二）量測元件及儀器第9章 新奧法二、監(jiān)控量測的內容和方法（二）量測元件及儀器壓力盒混

17、凝土襯砌壓力盒第9章 新奧法混凝土鋼筋計混凝土鋼筋計二、監(jiān)控量測的內容和方法（二）量測元件及儀器第9章 新奧法（三）現(xiàn)場監(jiān)控量測設計包括：選擇和確定量測手段和項目；測點布置；量測頻率；制定實施計劃等。1. 現(xiàn)場監(jiān)控量測的項目及選擇各類圍巖條件下量測項目的重要性 項目圍壓條件應測項目選測項目洞內觀察凈空變位拱頂下沉地表/圍巖內下沉圍巖內部位移錨桿軸力襯砌內力錨桿拉拔試驗圍壓試件試驗洞內測彈性波速硬巖(斷層等破碎帶除外)* *軟巖(不發(fā)生強大塑性地壓) * * *軟巖(發(fā)生強大塑性地壓)土砂 * *土質試驗二、監(jiān)控量測的內容和方法說明： -必測項目； -應測項目； -必要時進行的項目； *-量測結

18、果對判斷是增強還是減弱支護有參考價值第9章 新奧法2. 監(jiān)控量測計劃的制定（1）地質和支護狀態(tài)觀察 地質和支護狀態(tài)觀察包括工作面觀察和支護結構的支護效果觀察。（2）測試斷面、測線、測點、測孔的布設 測試斷面有兩種，一是單一測試斷面，二是綜合測試斷面。 1)拱頂下沉和周邊位移一般布設在同一斷面，其測試斷面間距可按錨噴支護技術規(guī)范(GBJ8685)規(guī)定。 2)地表下沉量測與埋深關系很大，其測試斷面間距可參照表6-12執(zhí)行。 3)其它量測項目一般都可布置在綜合測試斷面上，常稱為代表性測試斷面，其斷面間距和數(shù)量視具體需要而定。在一般圍巖條件下，200m500m設一個斷面。 （三）現(xiàn)場監(jiān)控量測設計二、監(jiān)

19、控量測的內容和方法第9章 新奧法（三）現(xiàn)場監(jiān)控量測設計二、監(jiān)控量測的內容和方法拱頂下沉、周邊位移測試斷面間距地表下沉測試斷面間距2. 監(jiān)控量測計劃的制定條件洞口附近施工進展200m前施工進展200m后斷面間距(m)1020(土砂圍巖減小到10)30(圍巖變化1次至少設1斷面)埋深與洞室跨度B的關系h2BBh2Bh10mm/日(0-1)D1-2次/日10-5mm/日(1-2)D1次/日5-1mm/日(2-5)D1/2日5D1次/周第9章 新奧法（三）現(xiàn)場監(jiān)控量測設計二、監(jiān)控量測的內容和方法5. 原始記錄及量測資料整理6. 數(shù)據(jù)處理 每次收斂量測后，均應對量測斷面內每條測線分別回歸分析，求出各自回

20、歸精度最高的收斂時間回歸方程和收斂距開挖面距離回歸方程。以推算最終位移和掌握位移變化規(guī)律。7. 用收斂量測結果判斷隧道的穩(wěn)定性 地下結構的穩(wěn)定性判斷有二個方面： *初期支護后的穩(wěn)定性判斷，據(jù)此確定二次支護施工時間； *洞周總收斂量，在規(guī)定允許值之內，且不大于預留變形量，據(jù)此判斷結構不會侵入限界。第9章 新奧法（三）現(xiàn)場監(jiān)控量測設計二、監(jiān)控量測的內容和方法隧道周邊允許相對位移值（%）注：相對位移值系指實測值與可測點距離之比，或拱頂位移 實測值與隧道寬度之比。 脆性圍巖取表中較小值，塑性圍巖取表中較大值。 、類圍巖可按工程類比原理選定允許值范圍。圍 巖類 別 覆 蓋 厚 度（m）類.類.類.第9章

21、 新奧法二、監(jiān)控量測的內容和方法（四）量測數(shù)據(jù)的反饋 信息反饋的目的，就是進行施工管理和調整支護設計，以確保施工的安全性和設計的經(jīng)濟性。 1. 施工管理 量測的動態(tài)管理分為“量”和“質”2個方面，凡可以用數(shù)字大小表述的量測項目，歸結為“量”的管理，如周邊位移、拱頂下沉、錨桿軸力等。 2. 信息反饋修正設計 信息反饋修正設計的內容：施工方法變更的建議；施工工序的更改；預留變形量的修改或確認；設計參數(shù)的修改或確認；采用輔助施工措施的建議。3. 反分析計算第9章 新奧法一、基本原理1.拱部效應：開挖面前方圍巖的應力狀態(tài)處于彈性范圍內時，開挖面輪 廓線附近產(chǎn)生彈性變形 此時開挖面處于穩(wěn)定狀態(tài)。第9章 新奧法2.轉移拱部效應：開挖后圍巖處于彈塑性狀態(tài)，開挖輪廓四周及開挖面將向隧道內產(chǎn)生塑性變形，“拱部效應”從開挖輪廓周圍外移到地層中。此轉移只能通過足夠的支護措施來實現(xiàn)和控制。3.無拱部效應：開挖后圍巖產(chǎn)生破壞滑移的應力狀態(tài)，圍巖大變形隨之產(chǎn)生，圍巖極