隧道新奧法施工要點分析

趙利利

（北京鑫暢路橋建設(shè)有限公司，北京市 101101）

0 前言

新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，該概念是奧地利學(xué)者拉布西維茲 (L.V.RABCEW ICZ)教授于上世紀(jì)50年代提出的。它是以隧道工程施工經(jīng)驗和巖體力學(xué)的理論為基礎(chǔ),將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護(hù)手段的一種施工方法。經(jīng)過一些國家的許多實踐和理論研究,于上世紀(jì)60年代取得專利權(quán)并正式命名。之后這個方法在西歐、北歐，美國和日本等許多地下工程中獲得極為迅速發(fā)展,已成為現(xiàn)代隧道工程新技術(shù)標(biāo)志之一。上世紀(jì)60年代新奧法被介紹到我國,70年代末80年代初得到迅速發(fā)展。至今,可以說在所有重點、難點的地下工程中都離不開新奧法〔2〕。新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修筑隧道的一種基本方法。新奧法施工可以簡單地概括為：短進(jìn)尺、弱爆破、早支護(hù)、勤量測〔2〕。

下面僅對新奧法施工作一簡要敘述。

1 施工特點

1.1 及時性

新奧法施工采用噴錨支護(hù)為主要手段，可以最大限度地緊跟開挖作業(yè)面施工，因此可以利用開挖施工面的時空效應(yīng)，限制支護(hù)前的變形發(fā)展，阻止圍巖進(jìn)入松動的狀態(tài)，在必要的情況下可以進(jìn)行超前支護(hù)，加之噴射混凝土的早強和全面粘結(jié)性，因而保證了支護(hù)的及時性和有效性。

在巷道爆破后立即噴射混凝土支護(hù)，能有效地制止巖層變形的發(fā)展，并控制應(yīng)力降低區(qū)的伸展而減輕支護(hù)的承載，增強了巖層的穩(wěn)定性。

1.2 封閉性

由于噴錨支護(hù)能及時施工，而且是全面密粘的支護(hù)，因此能及時有效地防止因水和風(fēng)化作用造成圍巖的破壞和剝落，制止膨脹巖體的潮解和膨脹，保護(hù)原有巖體強度。

巷道開挖后，圍巖由于爆破作用產(chǎn)生新的裂縫，加上原有地質(zhì)構(gòu)造上的裂縫，隨時都有可能產(chǎn)生變形或塌落。當(dāng)噴射混凝土支護(hù)以較高的速度射向巖面，就能很好地充填圍巖的裂隙和凹穴，大大提高了圍巖的強度（提高圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角）。同時，噴錨支護(hù)起到了封閉圍巖的作用，隔絕了水和空氣同巖層的接觸，使裂隙充填物不致軟化、解體，從而增強圍巖的穩(wěn)定。

1.3 粘結(jié)性

噴錨支護(hù)同圍巖能全面粘結(jié)，這種粘結(jié)作用可以產(chǎn)生3種作用：

（1）聯(lián)鎖作用，即將被裂隙分割的巖塊粘結(jié)在一起。若圍巖的某塊危巖、活石發(fā)生滑移墜落，則引起臨近巖塊的聯(lián)鎖反應(yīng)，相繼喪失穩(wěn)定，從而造成較大范圍的冒頂或片幫。開巷后如能及時進(jìn)行噴錨支護(hù)，其粘結(jié)力和抗剪強度是可以抵抗圍巖的局部破壞，防止個別危巖、活石滑移和墜落，從而保持圍巖的穩(wěn)定性。

（2）復(fù)和作用，即圍巖與支護(hù)構(gòu)成一個復(fù)合體（受力體系）共同支護(hù)圍巖。噴錨支護(hù)可以提高圍巖的穩(wěn)定性和自身的支撐能力，同時與圍巖形成了一個共同工作的力學(xué)系統(tǒng)，具有把巖石荷載轉(zhuǎn)化為巖石承載結(jié)構(gòu)的作用，從根本上改變了支架消極承擔(dān)的弱點。

（3）增加作用，即開巷后及時進(jìn)行噴錨支護(hù)，一方面將圍巖表面的凹凸不平處填平，消除因巖面不平引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免過大的應(yīng)力集中所造成的圍巖破壞；另一方面，使巷道周邊圍巖達(dá)到雙方向受力狀態(tài)，提高了圍巖的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角，也就是提高了圍巖的強度。

1.4 柔性

噴錨支護(hù)屬于柔性薄層支護(hù)，能夠和圍巖緊粘在一起共同作用。由于噴錨支護(hù)具有一定柔性，可以和圍巖共同產(chǎn)生變形，在圍巖中形成一定范圍的非彈性變形區(qū)，并能有效控制允許圍巖塑性區(qū)有適度的發(fā)展，使圍巖的自承能力得以充分發(fā)揮。另一方面，噴錨支護(hù)在與圍巖共同變形中受到壓縮，對圍巖產(chǎn)生越來越大的支護(hù)反力，能夠抑制圍巖產(chǎn)生過大變形，防止圍巖發(fā)生松動破壞。

2 理論及施工要點

2.1 新奧法與傳統(tǒng)施工方法的區(qū)別

傳統(tǒng)方法認(rèn)為巷道圍巖是一種荷載，應(yīng)用厚壁混凝土支護(hù)松動圍巖。而新奧法認(rèn)為圍巖是一種承載機(jī)構(gòu)，構(gòu)筑薄壁、柔性、與圍巖緊貼的支護(hù)結(jié)構(gòu)（以噴射混凝土、錨桿為主要手段）并使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成支撐環(huán)來承受壓力，并最大限度地保持圍巖穩(wěn)定性，而不致松動破壞。

新奧法將圍巖視為巷道承載構(gòu)件的一部分，因此，施工時應(yīng)盡可能全斷面掘進(jìn)，以減少巷道周邊圍巖應(yīng)力的擾動，并采用光面爆破、微差爆破等措施，減少對圍巖的震動，以保全其整體性。同時注意巷道表面盡可能平滑，避免局部應(yīng)力集中。

新奧法將錨桿、噴射混凝土適當(dāng)進(jìn)行組合，形成比較薄的襯砌層。即用錨桿和噴射混凝土來支護(hù)圍巖，使噴射層與圍巖緊密結(jié)合，形成圍巖-支護(hù)系統(tǒng)，保持兩者的共同變形，故而可以最大限度地利用圍巖本身的承載力。

2.2 保護(hù)巷道圍巖自身的承載能力

新奧法施工在巷道開挖后采取了一系列綜合性措施：構(gòu)筑防水層、圍巖巷道排水；選擇合理的斷面形狀尺寸；給支護(hù)留變形余量；開巷后及時做好支護(hù)、封閉圍巖等。這些都是為保護(hù)巷道圍巖的自身承載能力，使圍巖的擾動影響控制在最小范圍內(nèi)，并加固圍巖，提高圍巖強度，使其與人工支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受巷道壓力。

2.3 允許圍巖有一定量的變形

允許圍巖有一定變形的施工方法，有利于發(fā)揮圍巖的固有強度。同時巷道的支護(hù)結(jié)構(gòu)，也應(yīng)具有預(yù)定的可縮量，以緩和巷道壓力。

2.4 施工過程中量測工作的特殊性

由于巖體生成條件與地質(zhì)作用的復(fù)雜性、施工條件的復(fù)雜性，以及對工程設(shè)計參數(shù)的精確要求，需要通過許多量測手段，在施工過程中對圍巖動態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并用監(jiān)測結(jié)果修改初步設(shè)計，指導(dǎo)施工。

量測的結(jié)果可以作為施工現(xiàn)場分析參數(shù)和修改設(shè)計的依據(jù)，因而能夠預(yù)見事故和險情，以便及時采取措施，防患于未然提高施工的安全性。

綜上所述，新奧法的支護(hù)原則是：圍巖不僅是載物體，而且是承載結(jié)構(gòu)；圍巖承載圈和支護(hù)體組成巷道的統(tǒng)一體，是一個力學(xué)體系；巷道的開挖和支護(hù)都是為保持改善與提高圍巖的自身支撐能力服務(wù)的。

3 主要支護(hù)手段與施工順序

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)，允許圍巖有一定的協(xié)調(diào)變形，而不使支護(hù)結(jié)構(gòu)承受過大的壓力。

施工順序可以概括為：開挖→一次支護(hù)→二次支護(hù),見圖1所示。

圖1 開挖順序示意圖

3.1 開挖

開挖作業(yè)的內(nèi)容依次包括：鉆孔、裝藥、爆破、通風(fēng)、出渣等[3]。開挖作業(yè)與一次支護(hù)作業(yè)同時交叉進(jìn)行。為保護(hù)圍巖的自身支撐能力，一次支護(hù)工作應(yīng)盡快進(jìn)行。為了充分利用圍巖的自身支撐能力，開挖應(yīng)采用光面爆破（控制爆破）或機(jī)械開挖，并盡量采用全斷面開挖。地質(zhì)條件較差時可以采用分塊多次開挖。一次開挖長度應(yīng)根據(jù)巖質(zhì)條件和開挖方式確定，即：當(dāng)巖質(zhì)條件好時長度可大一些，條件差時長度可小一些；在同等巖質(zhì)條件下，分塊多次開挖長度可大一些，全斷面開挖長度要小一些；一般在中硬巖中長度約2～2.5 m，在膨脹性地層中為0.8～1.m[2]。

3.2 支護(hù)作業(yè)

作業(yè)內(nèi)容包括：一次噴射混凝土、打錨桿、聯(lián)網(wǎng)、立鋼拱架、復(fù)噴混凝土。

保險合同履行階段，主要是根據(jù)保險合同相關(guān)約定及時足額的繳納保險費用，并履行合同的各項約定。避免出險后，發(fā)現(xiàn)未按合同約定繳足保費，而對后續(xù)的理賠工作帶來不必要的麻煩。

在巷道開挖后，應(yīng)盡快噴1層混凝土（3～5 mm）。為爭取時間，在較松散的圍巖掘進(jìn)中第1次支護(hù)作業(yè)是在開挖的渣堆上進(jìn)行的，待把未被渣堆覆蓋的開挖面的一次噴射混凝土完成后再出渣。

按一定系統(tǒng)布置錨桿，加固深度圍巖，在圍巖內(nèi)形成承載拱，由噴層、錨桿及巖面承載拱構(gòu)成外拱，起臨時支護(hù)作用，同時又是永久支護(hù)的一部分。復(fù)噴后應(yīng)達(dá)到設(shè)計厚度（一般為10～15 mm）,并要求將錨桿、金屬網(wǎng)、鋼拱架等覆裹在噴射混凝土內(nèi)。

完成第1次支護(hù)的時間非常重要，一般情況應(yīng)在開挖后圍巖自穩(wěn)時間的二分之一時間內(nèi)完成。目前的施工經(jīng)驗是松散圍巖應(yīng)在爆破后3 h內(nèi)完成，主要由施工條件決定〔1〕。

在地質(zhì)條件非常差的破碎帶或膨脹性地層（如風(fēng)華花崗巖）中開挖巷道，為了延長圍巖的自穩(wěn)時間，給一次支護(hù)爭取時間和安全的作業(yè)面，需要在開挖工作面的前方圍巖進(jìn)行超前支護(hù)（預(yù)支護(hù)），然后再開挖。

在安裝錨桿的同時，在圍巖和支護(hù)中埋設(shè)儀器或測點，進(jìn)行圍巖位移和應(yīng)力的現(xiàn)場測量。依據(jù)測量得到的信息來了解圍巖的動態(tài)，以及支護(hù)抗力與圍巖的相適應(yīng)程度。

一次支護(hù)后，在圍巖變形趨于穩(wěn)定時，進(jìn)行第二次支護(hù)和封底，即永久性的支護(hù)（或是補噴射混凝土、澆注混凝土內(nèi)拱），以起到提高安全度和整個支護(hù)承載能力增強的作用，而此支護(hù)時機(jī)可以由監(jiān)測結(jié)果確定。

底板不穩(wěn)、底鼓變形嚴(yán)重，必然牽動側(cè)墻或使頂部支護(hù)不穩(wěn)，所以應(yīng)盡快封底，以形成封閉式的支護(hù)，謀求圍巖的穩(wěn)定。當(dāng)整個支護(hù)系統(tǒng)完全封閉并與巷道圍巖緊密地結(jié)合在一起時，來自圍巖的壓力則均勻地分布在整圈支護(hù)系統(tǒng)上。

4 適用范圍及注意事項

4.1 適用范圍

（1）具有較長自穩(wěn)時間的中等巖體；

（2）弱膠結(jié)的砂和石礫以及不穩(wěn)定的礫巖；

（3）強風(fēng)化的巖石；

（4）剛塑性的黏土泥質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r；

（5）堅硬黏土，也有帶堅硬夾層的黏土；

（6）微裂隙的，但含很少黏土的巖體；

（7）在很高的初應(yīng)力場條件下，堅硬的和可變堅硬的巖石。

4.2 注意事項

（1）上述條件下應(yīng)用新奧法必須與一些輔助方法相配合：

a.有強烈地壓顯現(xiàn)的巖體；

b.膨脹性巖體（要與仰拱與底部錨桿相配合）；

c.在一些松散巖體中，要與鋼背板配合；

d.在蠕動性巖體中，要與凍結(jié)法或預(yù)加固法等配合。

（2）在下列場合中應(yīng)用應(yīng)慎重：

a.大量涌水的巖體；

b.由于涌水會產(chǎn)生流砂現(xiàn)象的圍巖；

c.極為破碎，錨桿鉆孔、安裝都極為困難的巖體；

d.開挖面完全不能自穩(wěn)的巖體等。

5 體會

（1）實施不僅要求有良好的施工組織和管理，也要求技術(shù)人員和量測人員都十分熟練，沒有這一點就易于發(fā)生錯誤。作業(yè)質(zhì)量與每一個人的仔細(xì)操作有關(guān)。

（2）開挖暴露出的地質(zhì)會立即改變其狀態(tài)，因此要求地質(zhì)人員要親臨現(xiàn)場，以便發(fā)現(xiàn)問題。

（3）對干噴射帶來的灰塵，以及化學(xué)藥品的損害必須加強防護(hù)，尤其是對眼睛的防護(hù)，濕噴雖然可以避免此缺點，但在同樣條件下，不如干噴那樣能有效地支護(hù)巖體。

另外，若圍巖過于破碎，分層情況嚴(yán)重時，鋼拱架從下到上的支撐過程就有一定的局限性，特別是當(dāng)不能采用全斷面開挖時缺點就更為明顯，所以應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況酌情適當(dāng)改變。例如：采用鋼格柵支撐結(jié)構(gòu)，分段連接，最后在仰拱處閉合，就可以較好地解決問題；同時，利用鎖腳錨桿將鋼格柵在起拱點處與圍巖鎖緊，與整個圍巖緊密地連接在一起，達(dá)到整體受力、有序傳力的施工效果。該措施能夠更好地降低安全風(fēng)險，確保安全施工。

不可否認(rèn)，新奧法也存在不少缺點，不過經(jīng)過工程技術(shù)人員和科技工作者的共同努力一定可以把新奧法不斷完善，在我國的現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程中發(fā)揮更加重要的作用。

[1]周愛國.隧道工程現(xiàn)場施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2004：30-70.

[2]范智杰.隧道施工與檢測技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2006：1-20.

[3]公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].