隧道施工方法之新奧法[稻谷文書]

1、 新奧法施工原理及特點(diǎn) 新奧法是在利用圍巖本身所具有的承載效能的前提下，采用毫秒爆破和光面爆破技術(shù)，進(jìn)行全斷面開(kāi)挖施工，并了以形成復(fù)合式內(nèi)外兩層襯砌來(lái)修建隧道的洞身，即以噴混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼支撐等為外層支護(hù)形式，稱為初次柔性支護(hù)，系在洞身開(kāi)挖之后必須立即進(jìn)行的支護(hù)工作。因?yàn)樘N(yùn)藏在山體中的地應(yīng)力由于開(kāi)挖成洞而產(chǎn)生再分配，隧道空間靠空洞效應(yīng)而得以保持穩(wěn)定，也就是說(shuō)，承載地應(yīng)力的主要是圍巖體本身，而采用初次噴錨柔性支護(hù)的作用，是使圍巖體自身的承載能力得到最大限度的發(fā)揮，第二次襯砌主要是起安全儲(chǔ)備和裝飾美化作用。新奧法的適用性很廣，中國(guó)已在亞粘土和黃土隧道施工中取得成功。但在下列情況下，一般都應(yīng)

2、采取適當(dāng)?shù)妮o助措施才能施工：涌水量大的地層；因涌水產(chǎn)生流沙現(xiàn)象的地層；圍巖破碎使錨桿鉆孔和插入都極為困難場(chǎng)合；開(kāi)挖面不能自穩(wěn)的圍巖。新奧法是以噴射混凝土、錨桿支護(hù)為主要支護(hù)手段，因錨桿噴射混凝土支護(hù)能夠形成柔性薄層，與圍巖緊密粘結(jié)的可縮性支護(hù)結(jié)構(gòu)，允許圍巖又一定的協(xié)調(diào)變形，而不使支護(hù)結(jié)構(gòu)承受過(guò)大的壓力。 新奧法適用范圍：具有較長(zhǎng)自穩(wěn)時(shí)間的中等巖體； 弱膠結(jié)的砂和石礫以及不穩(wěn)定的礫巖； 強(qiáng)風(fēng)化的巖石； 剛塑性的粘土泥質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r； 堅(jiān)硬粘土，也有帶堅(jiān)硬夾層的粘土； 微裂隙的，但很少粘土的巖體； 在很高的初應(yīng)力場(chǎng)條件下，堅(jiān)硬的和可變堅(jiān)硬的巖石； 在下述條件下應(yīng)用新奧法必須與一些輔助方法相配合

3、有強(qiáng)烈地壓顯現(xiàn)的巖體； 膨脹性巖體（要與仰拱與底部錨桿相配合）； 在一些松散巖體中，要與鋼背板與之配合； 在蠕動(dòng)性巖體中，要與凍結(jié)法或預(yù)加固法等配合； 在下列場(chǎng)合中應(yīng)用應(yīng)慎重 大量涌水的巖體； 由于涌水會(huì)產(chǎn)生流砂現(xiàn)象的圍巖； 極為破碎，錨桿鉆孔、安裝都極為困難的巖體； 開(kāi)挖面完全不能自穩(wěn)的巖體等。 新奧法的缺點(diǎn)： 實(shí)施不僅要求有良好的施工組織和管理，也要求技術(shù)人員和量測(cè)人員都十分熟練，沒(méi)有這一點(diǎn)就易于發(fā)生錯(cuò)誤；作業(yè)質(zhì)量都與每一個(gè)人的仔細(xì)操作有關(guān)。 開(kāi)挖暴露出的地質(zhì)會(huì)立即改變其狀態(tài)，因此要求施工地質(zhì)人員要親臨現(xiàn)場(chǎng)，以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題； 用能控制的施工量測(cè)，往往給施工帶來(lái)不便； 干噴射帶來(lái)的灰塵以及由于

4、易受化學(xué)藥品的損害必須加強(qiáng)防護(hù)，尤其是對(duì)眼睛的防護(hù)，濕噴雖然可以避免此缺點(diǎn)，但在同樣條件下，不如干噴那樣有效的支護(hù)巖體。主要原則：（1）充分保護(hù)圍巖，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。（2）充分發(fā)揮圍巖的自承能力。（3）盡快使支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合。（4）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工?？啥笠馗爬椤岸踢M(jìn)尺、弱爆破、緊封閉、早噴錨、勤測(cè)量”。因?yàn)樗矶吹闹饕休d部分是圍巖，支護(hù)結(jié)構(gòu)起到發(fā)揮和保護(hù)圍巖承載能力的作用。在靜力學(xué)理論中，隧道的結(jié)構(gòu)可視為巖體承載環(huán)和支護(hù)襯砌組成的圓筒結(jié)構(gòu)，承載環(huán)的閉合起到了關(guān)鍵作用，因此圍巖和襯砌的整體化應(yīng)在初期襯砌中就及早完成，保證襯砌環(huán)的穩(wěn)定與完整。從應(yīng)力重的分布來(lái)考慮.全斷面掘進(jìn)是比較理

5、想的開(kāi)挖方式。因此，施工方式歸根結(jié)底要把握一個(gè)出發(fā)點(diǎn)，那就是保護(hù)，調(diào)動(dòng)和發(fā)揮圍巖的自承能力，在此基礎(chǔ)上根據(jù)工程實(shí)際條件靈活地選擇施工及輔助手段。新奧法基本要點(diǎn)：洞室開(kāi)挖后，應(yīng)使圍巖自身承擔(dān)主要的支護(hù)作用，而襯砌只是對(duì)圍巖進(jìn)行加固，使成為一個(gè)整體而共同發(fā)生作用。因此，須最大限度地保持圍巖的固有強(qiáng)度，以發(fā)揮圍巖的自承能力。如及時(shí)噴混凝土封閉巖壁，就能有效地防止圍巖松弛，而不使其強(qiáng)度大幅度降低，同時(shí)也不存在因頂替支撐而使圍巖變形松弛?？傊畱?yīng)使圍巖經(jīng)常處于三軸應(yīng)力約束狀態(tài)，最為理想。預(yù)計(jì)圍巖有較大變形和松弛時(shí)，應(yīng)對(duì)開(kāi)挖面施作保護(hù)層，而且應(yīng)在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候敷設(shè)，過(guò)早或過(guò)遲均不利。其剛度不能太大或太小，又必須

6、是能與圍巖密貼，而要做成薄層柔性，允許有一定變形，以使圍巖釋放應(yīng)力時(shí)起卸載作用，盡量不使其有彎矩破壞的可能。這種支護(hù)和傳統(tǒng)的支護(hù)不同，不是因受彎矩而是受壓剪作用破壞的。由于混凝土的抗壓和抗剪強(qiáng)度比抗拉和抗彎強(qiáng)度大得多，從而具有更高的承載能力。一次支護(hù)的位移收斂后，可在其光滑的表面上敷設(shè)高質(zhì)量的防水層，并修筑為提高安全度的二次支護(hù)。前后兩次支護(hù)與圍巖之間都只有徑向力作用。襯砌需要加強(qiáng)的區(qū)段,不是增大混凝土的厚度，而是加鋼筋網(wǎng)、鋼支撐和錨桿，使隧道全長(zhǎng)范圍采用大致相同的開(kāi)挖斷面。此外，因?yàn)樾聤W法不在坑道內(nèi)架設(shè)桿件支撐，空間寬敞，從而提高了安全性和作業(yè)效率。為正確掌握和評(píng)價(jià)圍巖與支護(hù)的時(shí)間特性，可在

7、進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行量測(cè)。量測(cè)內(nèi)容為襯砌內(nèi)的應(yīng)力、圍巖與襯砌間的接觸應(yīng)力以及圍巖的變位，據(jù)以確定圍巖的穩(wěn)定時(shí)間、變形速度和圍巖分類等最重要的參數(shù)，以便適應(yīng)地質(zhì)情況的變化，及時(shí)變更設(shè)計(jì)和施工。量測(cè)監(jiān)控是新奧法的基本特征，量測(cè)的重點(diǎn)是圍巖和支護(hù)的力學(xué)特征隨時(shí)間的變化動(dòng)態(tài)。襯砌的做法和施作時(shí)間是依據(jù)圍巖變位量測(cè)決定的。隧道支護(hù)在力學(xué)上可看作厚壁圓筒。它是由圍巖支承環(huán)和襯砌環(huán)組成的結(jié)構(gòu)，且兩者存在共同作用。圓筒只有在閉合后才能在力學(xué)上起圓筒作用，所以除在堅(jiān)硬巖層之外，敷設(shè)仰拱使襯砌閉合是特別重要的。圍巖的動(dòng)態(tài)主要取決于襯砌環(huán)的閉合時(shí)間。當(dāng)上半斷面超前掘進(jìn)過(guò)多時(shí),就相應(yīng)地推遲了它的閉合時(shí)間,在

8、隧道縱方向形成懸臂梁的狀態(tài)而產(chǎn)生大彎曲的不良影響。另外，為防止引起圍巖破壞的應(yīng)力集中，斷面應(yīng)做到無(wú)角隅，最好采用圓形斷面。圍巖的時(shí)間因素還受開(kāi)挖和襯砌等施工方法的影響，它對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性起著決定的作用?？紤]掘進(jìn)循環(huán)周期、襯砌中仰拱的閉合時(shí)間、拱部導(dǎo)坑的長(zhǎng)度以及襯砌強(qiáng)度等變化因素，把圍巖和支護(hù)作為一個(gè)整體來(lái)謀求穩(wěn)定。從應(yīng)力重分布角度去考慮，全斷面一次開(kāi)挖是最有利的；分部開(kāi)挖會(huì)使應(yīng)力反復(fù)分布而造成圍巖受損。巖層內(nèi)的滲透水壓力，必須采取排水措施來(lái)降低。新奧法的支護(hù)結(jié)構(gòu)至今仍處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的階段，它的前提是要科學(xué)地進(jìn)行圍巖分類，并根據(jù)已經(jīng)修建的類似工程的經(jīng)驗(yàn)，提出支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模式。這種工程類比法

9、還只考慮了巖體結(jié)構(gòu)、巖塊單軸抗壓強(qiáng)度、弱面特性等工程地質(zhì)性質(zhì)、坑道的跨度以及圍巖自穩(wěn)時(shí)間等主要因素，需在各種設(shè)計(jì)與施工規(guī)程的實(shí)施過(guò)程中，依據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)加以修正。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)計(jì)，一般分成預(yù)先設(shè)計(jì)階段和最后設(shè)計(jì)階段，后者是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析比較或計(jì)算后，最后提出設(shè)計(jì)。理論解析和有限元數(shù)值計(jì)算，至今還不能得出充分可靠和滿意的結(jié)果，必須由上述兩種方法即經(jīng)驗(yàn)和量測(cè)加以驗(yàn)證。施工量測(cè)：新奧法的施工作業(yè)必須根據(jù)事前的調(diào)查決定下列4個(gè)問(wèn)題：開(kāi)挖方法；支護(hù)布置及進(jìn)行支護(hù)的最適宜時(shí)機(jī)；是否設(shè)置仰拱及設(shè)置的時(shí)間和方法；是否采用輔助施工方法及其種類等。用新奧法施工的絕大多數(shù)工程均采用各種臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖，其次是采用全斷面法。新奧法要求保證光面爆破的質(zhì)量，避免凹凸不平而引起應(yīng)力集中和減少超挖，從而節(jié)約為填平表面所需的大量混凝土。新奧法的量測(cè)十分重要。在制定現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)計(jì)劃時(shí)，要根據(jù)隧道及地下工程的規(guī)模、地質(zhì)資料、各量測(cè)項(xiàng)目的作用，并考慮工點(diǎn)所需解決的問(wèn)題和量測(cè)計(jì)劃的經(jīng)濟(jì)效益，選擇合理的量測(cè)項(xiàng)目和方法。同時(shí)還必須考慮采用切實(shí)可靠的手段和儀表，保證量測(cè)工作準(zhǔn)確安全，并盡可能不妨礙施