新奧法施工技術(shù)在各種工程中的應(yīng)用研究

呂榮綱

【摘 要】本論文探究了新奧法的概念、發(fā)展、施工原理、原則、施工程序和施工技術(shù)，采用實例法全面研究了它在礦山井巷工程、采場地壓管理、公路工程、隧道工程及地下鐵道、國防工程、水利工程、水電工程、地下建筑等其它工程中的廣泛應(yīng)用，指出這種方法的優(yōu)越性和廣闊前景，為相關(guān)工程技術(shù)人員提供了寶貴的借鑒。

【關(guān)鍵詞】新奧法；施工原理；工程；應(yīng)用

1.新奧法簡介

1.1新奧法的概念

所謂新奧法，就是奧地利隧道施工新方法的簡稱，英文為New Austrian Tunneling Method，簡寫NATM，是上世紀(jì)六十年代由L.V. 拉布西維茲、米勒-菲切爾等隧道專家提出的一套隧道施工理論和方法，它迅速為各國工程界所接受并獲得廣泛的應(yīng)用。新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)的的理論，充分利用巖體的自支撐能力，結(jié)合現(xiàn)代量測監(jiān)控技術(shù)，采取柔性支護的手段來達到隧道或巷道的穩(wěn)定。

1.2新奧法的發(fā)展

新奧法與傳統(tǒng)礦山法都屬于鉆爆法，它最早是應(yīng)用于隧道工程。拉布西維茨1934年嘗試在地下工程中使用噴漿支護。在1942～1945年建造的洛伊布爾隧道中首次采用了雙層薄襯砌。1948年，他提出了量測工作的重要性。在1953～1955年修建普魯茨-伊姆斯特電站的有壓輸水隧洞時，按拉布西維茨的建議采用錨桿支護而獲得成功。1963年拉布西維茨將這種施工方法正式命名為新奧法。1964～1969年他又提出了在巖石壓力下隧道穩(wěn)定性的理論分析，強調(diào)采用薄層支護，并及時修筑仰拱以閉合襯砌的重要性。經(jīng)過20多年的實踐和推廣，新奧法日趨成熟，在山嶺隧道中被普遍使用，并已廣泛用于其它巖土類工程。中國從上世紀(jì)60年代初開始推廣噴錨支護，到80年代新奧法已被廣泛采用于礦山井巷、隧道等工程。

2.新奧法施工原理和技術(shù)

2.1新奧法的巖體力學(xué)原理

傳統(tǒng)礦山法依據(jù)的是“松弛載荷理論”，該理論是泰沙基和普羅托奇雅可諾夫于上世紀(jì)二十年代提出的。它認為，穩(wěn)定的巖體有自穩(wěn)能力，不產(chǎn)生載荷；不穩(wěn)定的巖體則可能因松弛產(chǎn)生坍塌，需要用支護結(jié)構(gòu)予以支承，作用于支護結(jié)構(gòu)的載荷就是圍巖松弛范圍內(nèi)可能坍塌的巖體的重力。而新奧法依據(jù)的是“巖承理論”，該理論認為，圍巖穩(wěn)定是巖體自身有承載自穩(wěn)能力；不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)定是有一個過程的，如果在這個過程中提供必要的幫助和限制，則圍巖仍然能夠進入穩(wěn)定狀態(tài)[1]?？梢?，這種理論非常重視過程和對過程的有效控制，充分利用圍巖的自承載能力是其基點。

2.2新奧法的支護技術(shù)

與新奧法的力學(xué)原理相適應(yīng)，新奧法擯棄了剛性支架的大量使用，如木支架、鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件支架、鋼支架、整體混凝土支護和砌石支護這些靠支架強行支撐松弛圍巖的傳統(tǒng)支護方法，而是采用柔性支護來加固圍巖，如噴射混凝土支護、錨桿支護、錨網(wǎng)支護、錨噴聯(lián)合支護、錨桿注漿支護、錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護等，并且要恰當(dāng)掌握支護時機，支護結(jié)構(gòu)盡量形成閉合的薄壁圓桶結(jié)構(gòu)，可以和圍巖一同產(chǎn)生有限的變形以釋放應(yīng)力而獲得更高的自承能力。新奧法把巖體既看作產(chǎn)生載荷的原因也看作主要承載結(jié)構(gòu)，支護結(jié)構(gòu)和巖體要形成統(tǒng)一體并共同發(fā)揮承載作用。

2.3新奧法的量測技術(shù)

新奧法是掘進施工由經(jīng)驗和定性走向定量分析的方法。根據(jù)工程的地質(zhì)、規(guī)模和施工要求，要制定合理的量測計劃和確定量測項目。量測項目主要有位移、應(yīng)力應(yīng)變、接觸應(yīng)力等三大類。可以采用水平儀量測圍巖表面垂直位移和地面沉陷，用伸長計量測圍巖在不同半徑處的變形，用收斂計量測收斂變形，用壓力盒測定接觸應(yīng)力，等等。通過記錄、整理、分析這些數(shù)據(jù)，可以進行圍巖的穩(wěn)定性分析，用于調(diào)整施工方案或指導(dǎo)施工，故而新奧法是設(shè)計和施工一體化方法。

3.新奧法施工

3.1新奧法施工原則

新奧法的施工原則可以概括為“少擾動、早噴錨、勤量測、緊封閉”。

“少擾動”就是在進行掘進時盡量減少對圍巖的擾動破壞。因此，要優(yōu)先選用機械開挖，如單臂掘進機、全斷面掘進機、掘錨支綜掘機。采用鉆爆法時要用光面爆破或預(yù)裂爆破，控制循環(huán)進尺和及時支護。

“早噴錨”是指開挖后及時施作初期支護，使圍巖的變形進入受控狀態(tài)，既可防止圍巖松弛坍塌又允許適度變形以產(chǎn)生自承能力。若圍巖穩(wěn)定性較差時可以采取超前支護。

“勤量測”指采用量測儀表來量測圍巖位移、應(yīng)力應(yīng)變和接觸應(yīng)力等，通過數(shù)據(jù)來分析圍巖的穩(wěn)定性或變化趨勢，以便調(diào)整開挖方法、支護方法等。

“緊封閉”是指盡量采用噴錨支護，避免圍巖暴露而致強度和穩(wěn)定性降低，要適時對圍巖施作封閉性支護，使圍巖和支護結(jié)構(gòu)處于良好的共同工作的狀態(tài)。

3.2新奧法施工程序

新奧法施工程序如下圖：

4.新奧法在各種工程中的應(yīng)用

4.1新奧法在井巷工程中的應(yīng)用

新奧法由傳統(tǒng)礦山法演化而來，是傳統(tǒng)礦山法的推陳出新。井巷掘進在礦山工程中占40～60%，對礦山的生產(chǎn)、安全和開采成本影響很大。在礦山井巷工程中，有些使用期很短，如礦塊天井、鑿巖巷道、拉底巷道、裝礦巷道等采切工程；有些使用期較長，如主副井、斜坡道、通風(fēng)井、主溜井、主要硐室、石門和階段運輸平巷等開拓工程。對于采切工程，一般采用傳統(tǒng)礦山法施工就可。對于開拓工程，盡量采用新奧法施工，但要求明顯比隧道低。

礦山巷道除特殊情況下一般采用直墻拱頂，多數(shù)不設(shè)仰拱不閉合。除了主副井外，由于巷道斷面較小，很少采用再砌或再噴混凝土的復(fù)式支護。多采用鉆爆法開挖，有條件時可采用掘進機開挖，巖層極為松軟時可以人工開挖。鉆爆法施工時一般分掏槽眼、輔助眼和周邊眼，采用光面爆破技術(shù)，按照掏槽眼——輔助眼——邊幫眼——底板眼的順序進行微差爆破。根據(jù)圍巖的穩(wěn)定性和地壓力的大小，用工程類比法確定初選支護方式和支護參數(shù)，一般用噴射混凝土支護、錨桿支護、錨網(wǎng)支護、錨噴聯(lián)合支護、錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護等。在施工中，根據(jù)量測監(jiān)控的數(shù)據(jù)來分析判斷初選支護方案是否恰當(dāng)，用逼近法或抽稀法來調(diào)整以找到最佳支護方案。迄今為止，依據(jù)巖體力學(xué)理論計算而得出的錨噴支護方案僅供參考。大姚銅礦采用光面爆破技術(shù)、錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護掘進階段運輸平巷，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效果。

4.2新奧法在采場中的應(yīng)用

新奧法提出的巖承理論和柔性支護理論，在采場地壓管理中發(fā)揮著重要作用。無論是非金屬礦山還是金屬礦山，只要采取地下開采，都需要處理采場地壓問題。在地采礦山中，特別是采用空場法和采后充填法來開采水平和微傾斜礦床、緩傾斜礦床或傾斜礦床，都會面臨采場頂板控制問題。在頂板堅固性和穩(wěn)定性差的時候，常常采用系統(tǒng)錨桿、錨網(wǎng)聯(lián)合、錨桿桁架、錨帶網(wǎng)等支護方法來處理頂板或局部不穩(wěn)的地方，以保證回采期間頂板的穩(wěn)定和采場安全。在露采時，常常采用噴射混凝土、錨桿、錨網(wǎng)、錨索等支護方法來加固邊坡或平臺。其實際效果往往遠勝木樁、擋土墻和砌石加固，且造價更低。

4.3新奧法在隧道工程中的應(yīng)用

新奧法起源于傳統(tǒng)礦山法，成就于隧道工程。由于隧道工程斷面較大、長度較長、穿過的巖層較復(fù)雜、要求更高，是新奧法應(yīng)用最徹底的領(lǐng)域。從開挖方式上，隧道掘進可以采用鉆爆法、全斷面掘進機、盾構(gòu)法等多種手段。鉆爆法時可以采用全斷面法和臺階法施工，盡量減少開挖對圍巖的破壞。如圍巖穩(wěn)定性較差，開挖前可以采用錨桿、小導(dǎo)管或管棚超前支護[2]。從支護手段上，隧道初期支護可以采用錨桿支護、噴射混凝土支護、錨噴聯(lián)合支護或錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護，并且往往做成封閉的薄壁圓桶結(jié)構(gòu)（設(shè)仰拱），并進行注漿封水或?qū)Ч芘潘?，還常常進行二次襯砌或復(fù)噴混凝土支護（起安全儲備和美觀作用）。如地壓過大時，可以采用鋼纖維、鋼拱架或鋼筋格柵混凝土支護。大箐隧道采用鉆爆法正臺階施工、錨噴初期支護、模筑鋼筋格柵混凝土二次支護的方案，取得了很大的成功。

4.4新奧法在公路工程中的應(yīng)用

新奧法在公路工程中也有廣泛應(yīng)用，在開挖深路塹、處理高陡邊坡、穩(wěn)定路基方面都發(fā)揮作用。對穩(wěn)定的石質(zhì)邊坡，可以進行噴漿覆蓋以防止風(fēng)化；對不穩(wěn)定的石質(zhì)邊坡，可以采用沙漿錨桿加固，可以用錨噴加固，可以用錨網(wǎng)加固并防止落石。還可以用位移量測和變形量測手段來分析高陡邊坡的穩(wěn)定性，可以用長錨索來加固邊坡或填方路基。在昭待公路的修建過程中，用長錨索來加固邊坡或填方路基得到大量使用。

4.5新奧法在其它工程中的應(yīng)用

此外，新奧法在國防工程、水利工程、水電工程、地下鐵道、地下建筑都有一定的應(yīng)用。重要的地下彈藥庫和地下軍事基地都使用新奧法施工。蔓灣水電站左岸的高陡邊坡坍滑治理就大量采用錨噴支護和預(yù)應(yīng)力錨索支護而取得成功。新奧法的二次支護方法在地下建筑和地下鐵道建設(shè)中也被大量采用。

5.新奧法施工的注意事項

當(dāng)然，新奧法也非萬能和唯一的方法。相比于傳統(tǒng)礦山法，它的施工技術(shù)更復(fù)雜，設(shè)備要求更高，成本也更高，施工速度更低，而且，在一些地質(zhì)條件較復(fù)雜或軟弱地層中，不適于新奧法施工。在下列情況下，不適于或需要采取適當(dāng)?shù)妮o助措施才能進行新奧法施工：①涌水量過大的地層；②因涌水產(chǎn)生流沙現(xiàn)象的地層；③圍巖破碎使錨桿鉆孔和插入都極為困難的巖層；④工作面不能暫時穩(wěn)定的巖層；⑤沙石、碎石、沙礫層[3]。

6.結(jié)論

新奧法將巖體力學(xué)理論和工程施工緊密結(jié)合，從開挖、支護和量測監(jiān)控的系統(tǒng)的思維出發(fā)，確保設(shè)計和施工的一體化，從而保證工程質(zhì)量和安全，有很廣很強的適用性。隨著錨桿材料、噴漿工藝技術(shù)、光爆技術(shù)、量測技術(shù)等的發(fā)展，新奧法將應(yīng)用越來越廣泛。其施工成本會不斷降低，施工速度會不斷提高，而施工質(zhì)量和安全卻越來越高。

【參考文獻】

[1]于書翰，杜謨遠主編.隧道施工[M].人民交通出版社，2001.

[2]魏天剛.新奧法隧道施工技術(shù).價值工程[J].2013，（5）.

[3]趙興東主編.井巷工程[M].冶金工業(yè)出版社，2010.