新奧法施工課件

新奧法施工同濟大學浙江學院張廣興

新奧法(NewAustrianTunnellingmethod－NATM)是新奧地利隧洞施工法的簡稱，它是一種集設計、施工、監(jiān)測于一體的科學的隧道施工方法。將地層視為連續(xù)介質體，在粘、彈、塑性理論的指導下，充分考慮了地層開挖隧道后，從變位發(fā)生、發(fā)展到巖土體出現(xiàn)破壞過程的時間效應特性，適時構筑柔性、薄壁、能與周圍地層貼緊的支護結構，保護隧道周圍地層的天然承載力，使其成為支護結構的重要組成部分，與人工構筑的支護結構共同作用，形成可靠的洞周支撐環(huán)，使隧道結構能保持長期穩(wěn)定。

一、概述1、新奧法的概念

3）根據(jù)圍巖級別，采用不同的初期支護，及時施作密貼于圍巖的柔性支護（如鋼拱架、噴射混凝土和錨桿等），以控制圍巖的變形和松弛；4）在軟弱破碎地段，使斷面及早閉合，從而增加支護結構的剛度，有效地發(fā)揮支護體系的作用，保證隧道的穩(wěn)定性；5）二次襯砌原則上是在圍巖和初期支護變形基本穩(wěn)定的條件下修建，使圍巖和支護結構形成一個整體，從而提高支護體系的安全度。

6）盡量使開挖后的隧道斷面周邊輪廓光滑、圓順，避免棱角突變處應力集中；7）在施工中對圍巖和支護結構進行合理的監(jiān)控測量，以便能夠合理安排施工程序，修整不合理的設計和施工方法。

總之，新奧法不能單純理解為隧道施工的某一種方法，它是把隧道的設計與施工合為一體，以彈塑性理論的成果進行支護結構的設計，并以現(xiàn)場量測的手段修正設計、指導施工的一種新理念。這一新理念集中體現(xiàn)在支護結構種類、支護結構構筑時機、圍巖壓力、圍巖變形這四者的關系上，自始至終貫穿于不斷變更的設計、施工的過程中。光面爆破、錨噴支護和現(xiàn)場測量被稱為新奧法的三大支柱。

新奧法的適用范圍很廣，不同的地質條件—不論是好巖石還是差巖石，都可以采用，甚至在土層中都可以采用。但是，在地下水很旺盛的地層中若要采用新奧法，必須首先解決地下水的問題，否則開挖后的一次支護就很難做。

各種不同深度均可采用新奧法。

各種不同形狀、不同斷面的洞室均能采用新奧法。目前，新奧法的隧道類型有鐵路、公路、水工隧洞、地鐵以及幾乎所有的其他地下工程。3、新奧法的應用范圍如長隧道：大瑤山隧道、米花嶺隧道。如大斷面隧道：二灘電站的導流洞（最大斷面面積600m2以上）、太平驛電站直徑達28.6m的調壓井。如特殊地質隧道：南昆線家竹箐隧道（軟巖高地應力大變形）。目前高速公路隧道已全面推廣新奧法施工，同時，許多重點難點地下工程的建成帶動了我國整個地下工程的發(fā)展。包括：長臺階法、短臺階法、超短臺階法1）全斷面開挖法2）臺階法3）分部開挖法

臺階分部開挖法(環(huán)形開挖留核心土法)

中隔壁法(單側壁導坑法、CD、CRD法)

雙側壁導坑法(眼鏡法)等二新奧法施工的分類按開挖隧道的橫斷面分部情形來分，開挖方法可分為全斷面開挖法、臺階開挖法、分部開挖法等。

(1)開挖斷面與作業(yè)空間大、干擾小；(2)有條件充分使用機械，減少人力；(3)工序少，便于施工組織與管理，改善勞動條件；(4)開挖一次成形，對圍巖擾動少，有利于圍巖穩(wěn)定。

全斷面法施工特點適用條件

(1)I-Ⅲ級圍巖，在用于Ⅲ級圍巖時，圍巖應具備從全斷面開挖到初期支護前這段時間內，保持其自身穩(wěn)定的條件。(2)有鉆孔臺車或自制作業(yè)臺架及高效率裝運機械設備。(3)隧道長度或施工區(qū)段長度不宜太短，根據(jù)經驗一般不應小于lkm，否則采用大型機械化施工，其經濟性較差。作業(yè)線采用的大型機械設備開挖作業(yè)線鉆孔臺車、裝藥臺車、裝載機配合自卸汽車（無軌運輸時）、裝渣機配合礦車及電瓶車或內燃機車（有軌運輸時）噴錨作業(yè)線混凝土噴射機、混凝土噴射機械手、噴錨作業(yè)平臺進料運輸設備及錨桿灌漿設備模筑襯砌作業(yè)線混凝土拌和作業(yè)廠、混凝土輸送車及輸送泵、施作防水層作業(yè)平臺、襯砌鋼模臺車隧道機械化施工，有三條主要作業(yè)線，見下表2、臺階法根據(jù)臺階長度不同，劃分為長臺階法、短臺階法和微臺階法三種。施工中采用哪一種臺階法，要根據(jù)兩個條件來決定：第一是對初期支護形成閉合斷面的時間要求，圍巖越差，要求閉合時間越短。第二是對上部斷面施工所采用的開挖、支護、出渣等機械設備需要施工場地大小的要求。

1）長臺階法

長臺階法開挖斷面小，有利于維持開挖面的穩(wěn)定，適用范圍較全斷面法廣，一般適用于地質條件較差的Ⅰ-V級圍巖。長臺階法12>5L12L123~5m微臺階法12L3）微臺階法

適用于Ⅴ-Ⅵ級圍巖，一般為3-5m的臺階長度。微臺階法上下斷面相距較近，機械設備集中，作業(yè)時相互干擾大，生產效率低，施工速度慢。

3、分部開挖法

分部開挖法包括環(huán)形開挖預留核心土法、側壁導坑法、中洞法、中隔壁法等。

1）環(huán)形開挖留核心土法環(huán)形開挖留核心土法常用于Ⅵ級圍巖單線和V-Ⅵ級圍巖雙線隧道掘進。

③①②②③①②①②③①②③由于單側壁導坑法每步開挖的寬度較小，而且封閉型的導坑初期支護承載能力大，所以它適用于斷面跨度大，地表沉陷難于控制的軟弱松散圍巖中。雙側壁導坑法

①①①②②③③適用于V～Ⅵ級圍巖雙線或多線隧道掘進。具有控制地表沉陷好，施工安全等優(yōu)點，但進度慢，成本高。

4）中隔壁法(CD)

①②③④④⑤⑥①②③⑤⑥適用于V-Ⅵ級圍巖的淺埋雙線隧道。中隔墻開挖時，應沿一側自上而下分為二或三部進行，每開挖一步均應及時施作錨噴支護、安設鋼架、施作中隔壁，底部應設臨時仰拱，中隔壁墻依次分步聯(lián)結而成，之后再開挖中隔墻的另一側，其分步次數(shù)及支護形式與先開挖的一側相同。

5、交叉中隔壁法(CRD)

交叉中隔壁法適用于V-Ⅵ級圍巖淺埋的雙線或多線隧道。采用自上而下分為二至三步開挖中隔墻的一側，并及時支護，待完成1-2部后，即開始另一側l-2部開挖及支護，形成左右兩側開挖及支護相互交叉的情形。

⑥①①②②③③④④⑤⑤⑥新奧法的施工工序新奧法施工的基本原則新奧法的錨桿支護施工新奧法的噴射混凝土的施工新奧法的鋼架施工三新奧法的施工技術少擾動——開挖時要盡量減少對圍巖的擾動次數(shù)、擾動強度、擾動范圍和擾動持續(xù)時間。

早支護——開挖后及時施作初期錨噴支護，使圍巖的變形進入受控制狀態(tài)。

勤量測——指以直觀、可靠的量測方法和量測數(shù)據(jù)來準確評價圍巖(或圍巖加支護)的穩(wěn)定狀態(tài)，或判斷其動態(tài)發(fā)展趨勢，以便及時調整支護形式、開挖方法

緊封閉——一方面指采取噴射混凝土等防護措施，避免圍巖因長時間暴露而致強度和穩(wěn)定性的衰減。另一方面指要適時對圍巖施作封閉形支護。

2、新奧法施工的基本原則

（1）懸吊效應

（2）組合梁效應

3、新奧法的錨桿支護施工1）錨桿的支護效應（3）加固效應機械式錨固錨桿

2）錨桿的種類粘結式錨固錨桿

摩擦式錨固錨桿

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，而采用摩擦式錨桿則可以收到良好的支護效果。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：

則錨桿直徑d：常用的錨桿直徑一般為18～22mm。3）錨桿的尺寸錨桿長度

起懸吊作用的錨桿：長度須穿透不穩(wěn)定塊體并在堅硬穩(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)。

按施工經驗來確定錨桿長度：中等以上硬質圍巖：軟弱圍巖：

錨桿質量檢查，包括長度、間距、角度、方向、抗拔力等。其中主要是抗拔力試驗，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。

4）錨桿的質量檢查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4、新奧法的噴射混凝土的施工1）噴射混凝土的作用優(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2）噴射混凝土的優(yōu)缺點干噴：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，再在該處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濕噴：

濕噴是將砂、石料預加水，使其浸潤成潮濕狀，再加水泥拌均勻，從而降低上料合噴射時的粉塵，其工藝流程同干噴。

對于自穩(wěn)時間很短的Ⅴ、Ⅵ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。使用條件：5、新奧法的鋼架施工架設后立即受力，且強度和剛度均較大，可承受開挖時引起的松動壓力。鋼架的最大特點：鋼架可分為：型鋼鋼架和格柵網構鋼架兩種類型。

工程上采用的型鋼鋼架有：工字型鋼、H型鋼、槽鋼、U型鋼、鋼管及鋼軌等材料。

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。目前現(xiàn)場只有十分必要時才使用。

型鋼鋼架工字型鋼拱架特點：

質量輕，制作容易，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。鋼架的縱向間距應根據(jù)所支護的圍巖而定，一般為0.75～1.2m，兩榀鋼架之間設置直徑為20～22mm的縱向鋼拉桿。

格柵網構鋼架

格柵網構鋼架

四新奧法的輔助施工方法1、超前錨桿1）構造組成超前錨桿是沿開挖輪廓線，以稍大的外插角，向開挖面前方安裝錨桿，形成對前方圍巖的預錨固，在提前形成的圍巖錨固圈的保護下進行開挖等作業(yè)。

超前錨桿2）性能特點及適用條件特點：柔性較大，整體剛度較小。適用條件：應力不太大，地下水較少的軟弱圍巖的隧道工程中，如土砂質地層、弱膨脹性地層、流變性較小的地層、裂隙發(fā)育的巖體、斷層破碎帶等、淺埋無顯著偏壓隧道。2、管棚1）構造組成管棚是利用鋼拱架沿開挖輪廓線以較小的外插角、向開挖面前方打入鋼管或鋼插板構成的棚架來形成對開挖面前方圍巖的預支護。a)棚管的環(huán)向布置b)管棚鋼管縱向錯接c)鋼管端部橫向聯(lián)接2）性能特點及適用條件特點：整體剛度較大，對圍巖變形的限制能力較強，且能提前承受早期圍巖壓力。適用條件：主要適用于圍巖壓力來得快來得大、對圍巖變形及地表下沉有較嚴格要求的軟弱破碎圍巖隧道工程中。

3、超前小導管注漿b)注漿半徑及孔距選擇a<40cmrrb(取30cm)鉆孔15oa)超前小導管布置小導管鋼支撐0.2m3.5~6.0mc)小導管全圖管箍(φ6鋼筋加焊)出漿孔1.5m不鉆孔0.2mφ25~35mm有縫鋼管

特點：漿液被壓注到巖體裂隙中并硬化后，不僅將巖塊或顆粒膠結為整體起到了加固作用，而且填塞了裂隙，阻隔了地下水向坑道滲流的通道，起到了堵水作用。

適用于一般軟弱破碎圍巖，也適用于地下水豐富的軟弱破碎圍巖。

4、超前深孔圍幕注漿正洞平行導坑(c)平導超前注漿正注漿區(qū)域已注漿區(qū)域(a)洞內超前注漿(b)地表超前注漿為設計和修正支護結構形式和參數(shù)提供依據(jù)；正確選擇開挖方法和支護施作時間；為隧道施工和長期使用提供安全信息；是研究新奧法力學機理和設計理論的重要途徑。

8.4新奧法的監(jiān)控量測1、監(jiān)控量測的目的

盡快埋設測點；進行一次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。2、監(jiān)控量測的基本要求3、量測內容和方法工程地質與支護狀況的觀察隧道地表沉降量測隧道凈空收斂量測拱頂下沉量測圍巖內部位移量測鋼支撐應力量測噴層應力量測二襯應力量測隧道地表沉降量測

地表沉降觀測

地表沉降觀測

隧道凈空收斂量測

洞周收斂量測

洞周收斂量測

測點拱頂下沉量測圍巖內部相對位移的測孔，一般與周邊位移測線相應布置，以便使兩項測試結果能夠互相驗證，協(xié)同分析和應用。

圍巖內部位移測孔布置圍巖內部位移量測圍巖內部位移量測

鋼支撐應力量測鋼支撐應力量測

鋼筋計測格柵應力噴層應力量測噴層應力測點的布置二襯應力量測二襯應力量測4、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理與應用1）量測數(shù)據(jù)的處理與分析

如果位移時態(tài)曲線始終保持，說明位移速率不斷下降，這是穩(wěn)定的標志。

當位移—時間曲線出現(xiàn)反彎點，也即位移出現(xiàn)反常的急劇增長現(xiàn)象時(