新奧法原理在隧道施工中的應用

PAGE13-新奧法原理在隧道施工中的應用近十幾年來，新奧法作為隧道設計與施工的一項新技術在我國已經得到廣泛的應用，不僅僅在山嶺隧道中得到應用，而且在城市松軟地層中也得到應用，取得了顯著的成績和良好的社會效益及經濟效益。一、新奧法的概念新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，原為NewTunnellingMethod，縮寫為NATM，是奧地利學者L.V.Rabcewicy教授于20世紀50年代提出的，以既有隧道工程經驗和巖體力學理論為基礎，將噴射砼和錨桿、鋼架、鋼筋網等作為主要支護手段的一種設計、施工的新方法，它與法國稱收斂約束法或有些國家稱為動態(tài)監(jiān)測設計施工法的原則相同。新奧法就是應用巖體力學的理論，通過對隧道圍巖變形的監(jiān)控、量測，采用新型支護結構，利用、改善隧道圍巖的承載能力，促使圍巖形成環(huán)形封閉的承載結構。其特點是在開挖面附近及時施作密貼于圍巖的薄層柔性支護和錨桿支護，控制圍巖的變形和應力釋放，從而在圍巖和柔性支護的共同變形中調整圍巖內部應力分布，達到應力平衡，最大限度地保持圍巖固有強度和利用其自承能力。并通過施工監(jiān)控量測來指導隧道工程的設計與施工。新奧法不能只是單純地理解為隧道開挖與支護的方法，它是修建隧道的一種基本理論，它包含了隧道的設計與施工內容。二、支護機理根據巖體力學理論，著眼于隧道開挖后的二次應力重分布，而不拘泥于傳統(tǒng)的荷載概念。因此，它不是建立在坍落拱的支撐概念上，而是建立在對圍巖加固的基礎上，也就是說，過去視圍巖為荷載，建立在松散壓力基礎上，認為隧道開挖后圍巖壓力的形成主要是由于圍巖局部坍塌所致，而圍巖的穩(wěn)定主要靠坍塌致使隧道形態(tài)改變后自行取得，因而其作用是消極被動的；而新奧法認為只要采取適當的支護措施，圍巖不會失穩(wěn)且具有自承能力，圍巖作用在支護上的壓力不是松散壓力，而是阻止圍巖變形的形變壓力，其立足點是基于及時穩(wěn)定與加固圍巖，從而使圍巖作為承載之主體，其作用是積極的。如圖一所示隧道圍巖應力再分布和支護反力的關系曲線，在合理的臨界限度內，采用新奧法施工的隧道所需要的支護抗力Pi是與圍巖塑性區(qū)半徑R、隧道周邊位移Ur、圍巖的內聚力C、內磨擦角￠等參數成反比的，而支護能提供的抗力則與其剛度成正比。圖一隧道圍巖應力再分布和支護反力的關系曲線圖一隧道圍巖應力再分布和支護反力的關系曲線圖一中圍巖特征曲線1表明，若不允許圍巖壁面位移發(fā)展，洞壁徑向壓力非常大；若允許徑向應力發(fā)展，則徑向壓力減小，當位移達到某一數值時，圍巖徑向壓應力也即支護抗力為最小（Pimin）。如果接近隧道開挖面施作支護，則位移Ur較小，支護特性曲線2表明隨著Ur的增加，Pi也增加，并在與曲線1的交點處取得應力穩(wěn)定，此時的徑向壓力為Pi1；如果施作的支護剛性增大，則如曲線3所示，徑向壓應力增大為PiI。新奧法即根據上述理由，接近開挖面適時施做密貼圍巖的薄層柔性支護；如果施作支護時間過遲，則使圍巖位移過大而產生坍落荷載，即圖中斜線陰影部分所示，且使徑向壓力PiI增大，如曲線4所示。圖中曲線5表示由于圍巖應力重分布和襯砌之間互相作用而存在的四個顯著特征階段。第I階段是圍巖不受支護的約束而能向洞室內自由位移的時期；第Ⅱ階段是施做一次支護時由于支護抗力而使變形速度減小，并且這個抗力還和支護剛度有關；第Ⅲ階段是由于修筑了仰拱，支護剛度變大而使變形速度愈??；最后當仰拱完全受力，達到了第Ⅳ階段，變形則基本停止。三、新奧法基本要點新奧法原理指導的施工方法與過去的隧道修建方法相比,其基本要點可歸納為以下七條：1、隧道開挖作業(yè)應采用光面爆破，并盡量采用大斷面開挖，以減小對圍巖的擾動。2、隧道開挖后，盡量利用圍巖的自承能力，充分發(fā)揮圍巖本身的支護作用。3、根據圍巖特征采用不同的支護類型和參數，及時施做密貼于圍巖的柔性噴射混凝土和錨桿作為初期支護，以控制圍巖的變形和松馳。4、在軟弱破碎圍巖地段，應使隧道斷面及早閉合，即及時封閉仰拱，以有效地發(fā)揮支護體系的作用，保證隧道的穩(wěn)定。5、二次襯砌原則上是在圍巖與初期支護變形基本穩(wěn)定的條件下構筑的，圍巖的支護形成一個整體，因而提高了支護體系的安全度，并且增加了襯砌厚度。6、盡量使隧道斷面周邊輪廓圓順，避免棱角突變處應力集中。7、搞好施工中對圍巖和支護的動態(tài)觀察、監(jiān)控量測，合理安排施工程序、進行設計變更及日常的施工管理。四、推廣應用新奧法原理修建隧道，必須做到科研、設計、施工三結合新奧法原理指導隧道施工，通過對隧道開挖中圍巖的動態(tài)觀測采取合理支護體系進而達到隧道穩(wěn)定的方法，同時應用巖體動態(tài)性質的完整的力學概念，因而其較過去的隧道修建方法更具高。采用新奧法原理指導修建隧道與地下工程，其設計與施工程序不同于以往的方法，它非常注重調查研究，做好預設計，同時更注重信息反饋修正設計，也即在隧道開挖后，根據施工觀察、現場地質調查、現場監(jiān)控量測等信息，對施工前預設計所確定的結構形式、支護參數、預留變形量、施工工藝、施工方法以及各工序施作時間等進行檢驗和修正。這些工作貫穿于整個施工的全過程。采用新奧法原理指導隧道施工時，科研先行，設計、施工緊密配合，共同研究，綜合分析各項信息，最后確定和修改設計參數，使隧道設計與施工做到技術先進、經濟合理、安全適用、確保質量。這里強調一下，推廣應用新奧法原理，一定要做好地質工作。地質工作分為施工前地質調查（其任務是確定圍巖分類，為設計、施工提供可靠的地質資料）和施工中地質調查（其任務是緊跟隧道開挖及時調查圍巖地質狀態(tài)，進行超前地質預報，為保證施工安全，變更設計和施工計劃提供依據）。新奧法設計程序見圖二，施工程序見圖三。五、新奧法施工的兩大要點：光面爆破與噴錨支護1、光面爆破為減輕隧道開挖對圍巖的擾動，當采用鉆爆開挖法時，應采用光面爆破、預裂爆破技術（隧道開挖有鉆爆開挖法、機械開挖法、人工和機械的合開挖法等）。光面爆破和預裂爆破技術能使隧道開挖輪廓線符合設計要求，減少對圍巖的擾動破壞，同時還減少超挖，有利于施工安全和降低工程造價，加快工程進度。光面爆破和預裂爆破技術是隧道采用噴錨支護的一項基本技術，采用噴錨支護必須以光面爆破為前提。研究定測資料研究定測資料掌握圍巖各種性狀和隧道的環(huán)境條件斷面尺寸及幾何尺寸擬定襯砌類型及參數的選擇預留形變數量選擇施工方法與施工順序現場監(jiān)控量測設計必要時的輔助施工措施設計防排水設計施工前與設計主要內容開挖初期支護施工地質調查現場監(jiān)控量測穩(wěn)定性判據圍巖、支護體是否穩(wěn)定？是否合理？二次襯砌結束施作防水層是信息反饋修正設計圖二新奧法設計程序施工準備確定施工方法開挖現場監(jiān)控量測施工準備確定施工方法開挖現場監(jiān)控量測初期支護是否符合管理標準及圍巖變形基準參數防水隔離層防水設施錨噴襯砌二次襯砌結束圖三新奧法施工順序所謂光面爆破，系指爆破后斷面整齊，超欠挖少，巖面上保留50%以上的孔痕，并無明顯的爆震裂縫。實施光面爆破，就是要使周邊孔起爆后優(yōu)先沿邊孔的中心邊線形成連通裂縫，然后由于爆破氣體的作用使已與圍巖裂縫裂解的巖體向洞內拋散。其中心是要使巖體沿周邊孔的中心連線破裂。只有能控制破巖裂縫的方向與發(fā)展，才能控制爆破的輪廓。預裂爆破技術是實施光面爆破的一項有效措施，也可以說是光面爆破的另一種形式；預裂爆破是先起爆破控制輪廓的周邊孔，形成沿開裂輪廓的連通裂縫，然后再行掏槽開挖主體部分。預裂爆破對圍巖的破壞較輕。2、噴錨支護噴錨支護是用噴射混凝土和錨桿單獨使用或組合而成的一種支護形式。噴錨混凝土支護是以壓縮空氣為動力，通過混凝土噴射機。將摻有速凝劑的混凝土拌和料直接噴噴射到巖面上，使之迅速凝結硬化而成，噴射混凝土所摻速凝劑可使普通硅酸鹽水泥在2～5min內初凝，10min內終凝。噴射混凝土施工使混凝土的運輸、澆筑和搗實三者合為一道工序，不用模板，施工工藝大為簡化，操作簡單，施工速度快，地質條件變化時，也能靈活地改變噴射厚度及調整噴射混凝土硬化時間，保證施工安全，因而噴射混凝土是新奧法三大支柱之一。錨桿支護是在圍巖鉆孔并插入錨桿，用以錨巖。錨桿的種類很多，根據不同的地質重要條件及應用場合來選用全適的錨桿，我國常用的錨桿有如下幾種：⑴端頭錨固式（內錨頭式），包括：機械式內錨頭錨桿（索），分為楔縫式錨桿、楔頭式錨桿、脹殼式錨桿；粘結式內錨頭錨桿（索），又分水泥砂漿內錨頭錨桿（索）、快硬水泥卷內錨桿頭、樹脂內錨頭桿。⑵全粘結式，包括水泥漿全粘結式錨桿、水泥砂漿全粘結式錨桿、樹脂全粘結式錨桿。⑶摩擦式錨桿，包括縫管式錨桿、水力膨脹錨桿。⑷預應力式，包括先張拉后灌漿預應力錨桿（素）、先灌漿和張拉預應力錨桿（素）。⑸混合式，包括同時具有上述四種型式中兩種以上功能的錨桿（素）。通過一定的施工操作，將錨桿（素）安裝在遂道或地下工程圍巖中，即能形成承受荷載、阻止圍巖的變形，因而錨桿成為新奧法施工的三大之柱之一。噴錨支護之所以比傳統(tǒng)支護優(yōu)越，主要是由于其作用機理和工藝具有一些獨特的工作特點。其主要特點具有及時性、粘貼性、柔性、深入性、靈活性和密封性。上述特性是構成噴錨支護作用機理的基本要素。在實際工作中，能否根據不同類型的圍巖，正確運用這些特性，乃是能否發(fā)揮圍巖自承能力和噴錨經濟效果好壞的關鍵。現對6種特性分述如下：及時性。由于噴錨施作及時，能使圍巖強度不因開挖暴露風化而過度降低，且能迅速給圍巖提供支護抗力，從而改善圍巖應力狀態(tài)；同時，由于噴錨支護能及時加固圍巖，從而提高了加固圍巖的C、φ值，巖體的抗剪強度增大，因而提高了巖體的穩(wěn)定性。粘貼性。噴射混凝土同圍巖能全面密貼地粘結，黏結力一般可達到700N／cm2。這種粘貼性能把被裂隙分割的巖體粘貼在一起，保持了巖塊的咬合鑲嵌，還能使圍巖與支護結成一個復合整體，有利于圍巖和支護承載能力的發(fā)揮；由于噴射混凝土射入圍巖裂隙，充填圍巖凹穴，并于圍巖緊密粘結，不經提高了圍巖強度，而且減少了圍巖應力集中。柔性。由于噴射混凝土與巖體密貼粘結，且噴得較薄，因而呈現一定柔性；錨桿也屬柔性支護。因此，噴錨支護容易調節(jié)圍巖變形，能有效地控制充許圍巖塑性區(qū)有適度的發(fā)展，以發(fā)揮圍巖自承力和改善支護結構的受力狀態(tài)是十分有效的。深入性。由于錨桿具有深入巖體內部一定深度而加固圍巖的特性，因而按一定方式、間距布置的錨桿群，可以提高圍巖錨固區(qū)的強度及整體性，改善圍巖應力狀態(tài)，制止圍巖松弛，同時與圍巖相結合形成承載圈。靈活性。由于噴射混凝土及錨桿施工工藝可隨時調整及可分次數完成，因而具有相當大的靈活性，這對于加固圍巖，提高承載力非常有利。封閉性。由于噴射混凝土及時施作，而且是全面密貼支護，因而能及時阻止地下水的滲流，抑制巖體的潮解和強度損失。尤其是對于在軟弱圍巖或膨脹性圍巖體的潮解是特別有效的。六、新奧法在修建隧道中的應用1、基本原則采用新奧法修建隧道施工，要做到少擾動圍巖，盡快施作初期支護，及時量測和反饋，并使隧道斷面及早閉合。上述幾點可概括為少擾動、早噴錨、勤量測、快封閉。1986年8月北京地鐵復興門折返線隧道采用淺埋暗挖法修建，創(chuàng)造性地提出“管超前、嚴開挖、強支護、快封閉、勤量測”18字施工原則，實踐證明是十分有效的。此外，在軟弱、含水圍巖或淺埋等不易自穩(wěn)的地段施工時，應采用輔助施工措施或進行預先加固處理。根據我國隧道施工經驗，常用的輔助措施有：超前支護（超前錨桿、超前小導管、管棚等），正面錨桿、噴射砼封閉掌子面、臨時仰拱、井點降水、輻射井點降水、周邊劈裂注漿、填充注漿等。2、施工方法施工方法是根據施工條件、圍巖類型、埋深、斷面大小、環(huán)境等條件，結合考慮安全、經濟、工期等因素綜合選定。新奧法指導施工，采用的施工方法有三類。⑴全斷面法：用于堅硬圍巖，利于組織大型機械化作業(yè)，速度快。⑵臺階法：用于軟弱、節(jié)理發(fā)育圍巖。⑶分部開挖法：用于軟弱圍巖，跨度較大、地表沉陷難于控制時采用分部開挖法。七、新奧法中隧道采用復合式襯砌復合式襯砌系分內外兩層先后施作做的隧道襯砌。隧道開挖后，采用噴錨作為初期支護待圍巖及初期支護基本穩(wěn)定后再施做內層襯砌，內層襯砌一般現場澆注模筑混凝土，視需要在兩層之間設防水層。復合式襯砌與新奧法密切相關。復合式襯砌是以新奧法為依據進行設計和施工的，新奧法施工又需要復合式襯砌作為維持圍巖穩(wěn)定最理想的支護手段。復合式襯砌是一項先進技術，具有明顯的社會效益和經濟效益，因此在國內外隧道與地下工程得到廣泛應用。隧道復合式襯砌結構見圖四。圖四復合式式襯砌復合式襯砌的優(yōu)優(yōu)點及經濟濟效益優(yōu)點能充分發(fā)揮圍巖巖自承作用用，把圍巖巖支護襯砌砌做統(tǒng)一承承載結構，改改善襯砌受受力條件，提提高圍巖材材料強度，襯襯砌斷面由由大偏必過過渡到小偏偏必受力，能能更好地發(fā)發(fā)揮混凝土土的抗壓強強度，從而而提高了襯襯砌的承載載能力，襯襯砌減薄，節(jié)節(jié)省圬工。在初期支護保護護下，安全全方便地施施做防水層層及二次襯襯砌，施工工安全，工工程質量能能得到保證證。在硬巖中修建隧隧道采用復復合式襯砌砌，可全斷斷面開挖，拱拱頂勿須超超挖，一次次襯砌噴射射混凝土可可實行全部部機械化作作業(yè)，二次次襯砌模筑筑脫模時間間短，因此此減少了開開挖石方量量，加快了了進度。復復合襯砌系系分層施做做，根據監(jiān)監(jiān)控量測取取得信息可可及時調整整隧道襯砌砌厚度，尤尤其在軟弱弱地層中修修建隧道更更為適用。二次襯砌表面光光滑，利于于通風和修修飾隧道面面層。經濟效益從國內外使用新新奧法，復復合式襯砌砌修建隧道道以來，基基社會效益益與經濟效效益十分明明顯。尤其其是過去認認為不能修修建隧道的的地層，現現在可以修修了；過去去處理塌方方十分危險險，而采用用了新奧法法及復合式式襯砌，塌塌方大減少少，從而人人員傷亡也也大幅度降降低，可以以說只要管管理得好，技技術措施得得當，隧道道施工可以以做到不死死人。根據鐵道部對南南嶺、望嶺嶺、下坑和和虎形坳四四座鐵路隧隧道用傳統(tǒng)統(tǒng)礦山法和和新奧法復復合式襯砌砌施工的實實際統(tǒng)計資資料分析如如下：采用用新奧法復復合襯砌施施工傳統(tǒng)礦礦山法可節(jié)節(jié)省木材68%～93%，混凝土土圬工（支支護、襯砌砌和回填等等）節(jié)省21%～31%，每米工工日節(jié)省36%～57%，成本節(jié)節(jié)省19.77%～25.55%，施工進進度可提高高27%～57%，塌方很很少。南嶺嶺、望嶺、虎虎形坳隧道道試驗段用用礦山法施施工都發(fā)生生近大塌方方4～6次，塌方方量達151～13099m3，而新奧奧法復合式式襯砌段未未發(fā)生塌方方，且拱頂頂不再超挖挖和進行回回填作業(yè)；；采用新奧奧法復合襯襯砌每延米米鐵路雙線線隧道多用用鋼材195～221kkg。但從從總體上看看，復合式式襯砌具有有明顯的技技術先進、經經濟合理和和安全可靠靠等優(yōu)點。復合式襯砌設計計原則視圍巖與支護襯襯砌構成統(tǒng)統(tǒng)一的承載載結構。過過去地下結結構設計都都把襯砌與與圍巖看成成是矛盾的的對立雙方方，圍巖產產生松動壓壓力，而襯襯砌只是消消極的承載載結構，而而采用新奧奧法復合式式襯砌，初初期支護做做到及時、密密貼、柔性性與圍巖共共同變形，故故復合式襯襯砌與圍巖巖為統(tǒng)一承承載結構。復合式襯砌分層層施做，二二次襯砌一一般在初期期變形基本本穩(wěn)定后放放了做，初初期支護與與二次襯砌砌的承載能能力是相互互依賴和影影響的。初初期支護過過剛，二次次襯砌則薄薄，兩層襯襯砌的強度度應綜合考考慮。初期支護的主要要作用在于于保護施工工過程圍巖巖的穩(wěn)定和和安全，而而二次襯砌砌主要作用用是承擔后后期變形所所產生的壓壓力，保護護使用期間間安全、防防水及裝修修。兩層襯砌按不同同受力狀態(tài)態(tài)及安全度度設計，初初期支護變變形大，允允許支護出出