新奧法在十八盤隧道工程中的應(yīng)用

席培勝， 孫曉凱

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

新奧法是L．V．Rabcewicz教授在20世紀(jì)60年代在《WATER POWER》期刊上發(fā)表的文章中詳細(xì)提出來(lái)的，是一種包括隧道設(shè)計(jì)和施工的新技術(shù)［1］。它主要是利用圍巖的自承載能力和開(kāi)挖斷面的空間約束作用，以噴射混凝土和錨桿作為主要支護(hù)手段，將工程經(jīng)驗(yàn)、實(shí)際測(cè)量、理論分析相結(jié)合，形成的一種隧道工程建設(shè)的新方法。六十年代新奧法被介紹到我國(guó)，以其施工快速、節(jié)約材料、施工安全，并且有很高的的動(dòng)態(tài)性在我國(guó)得到迅速發(fā)展，七十年代末至八十年代初是其發(fā)展的一個(gè)高峰，在理論研究方面以及實(shí)際工程應(yīng)用方面得到長(zhǎng)足的發(fā)展，并且趨于成熟。目前絕大多數(shù)的重難點(diǎn)地下工程設(shè)計(jì)與施工都會(huì)運(yùn)用新奧法原理，憑借其在軟弱破碎圍巖地段修筑隧道取得的良好工程效果，新奧法已發(fā)展成為修筑隧道工程和其它地下工程的不可或缺的一種方法。十八盤隧道的施工設(shè)計(jì)與建設(shè)就是采用新奧法進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工的。

1 工程概況

十八盤隧道長(zhǎng)2887m，該隧道位于安徽省金寨縣西南部吳家店鎮(zhèn)與天堂寨鎮(zhèn)之間，屬中低山地貌，地形起伏較大，隧道起止樁號(hào)為K66＋255～K69＋142，洞身段最大埋深約228．2m。隧址區(qū)強(qiáng)風(fēng)化層較厚，出露地層巖性為元古界大別山群花崗片麻巖。

1．1 隧道圍巖級(jí)別劃分依據(jù)

根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70－2004）［2］及交通部標(biāo)準(zhǔn)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20－2011）［3］對(duì)公路隧道圍巖的分級(jí)規(guī)定，參考巖石的堅(jiān)硬度和巖體完整度兩個(gè)因素和定量的圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ對(duì)圍巖進(jìn)行分類。BQ值根據(jù)下式計(jì)算求取:BQ＝90＋3Rc＋250Kv式中:Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，Kv為巖體完整性系數(shù)，Kv＝（Vpm／Vpr）2，Vpm－巖體彈性縱波波速、Vpr－巖石彈性縱波波速；當(dāng)Rc＞90Kv＋30時(shí)，以Rc＝90Kv＋30和Kv代入公式；當(dāng)Kv＞0．04Rc＋0．4時(shí)，以 Kv＝0．04Rc＋0．4和 Rc帶入計(jì)算。各轉(zhuǎn)孔設(shè)計(jì)洞底標(biāo)高以上三倍洞經(jīng)范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。通過(guò)計(jì)算，得到圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ，，再考慮地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)等因素，得到修正指標(biāo)［BQ］對(duì)圍巖分類。據(jù)此十八盤隧道圍巖劃分為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ三種圍巖級(jí)別，各級(jí)圍巖所占隧道比例如表2。

表2 圍巖分級(jí)一覽表

1．2 各級(jí)圍巖巖性評(píng)價(jià)及分布

Ⅴ級(jí)圍巖地層巖性為強(qiáng)風(fēng)化及中微風(fēng)化花崗片麻巖，片麻狀構(gòu)造，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體破碎，呈砂土狀、砂礫狀，主要分布在洞口段［4］。Ⅳ級(jí)圍巖地層巖性為中微風(fēng)化巖層，巖性堅(jiān)硬，巖體破碎，主要分布在洞身埋深在47．0～92．2m的巖層中。Ⅲ級(jí)圍巖地層巖性為中微風(fēng)化巖層，巖性堅(jiān)硬，巖體較破碎，分布在洞身埋深在72．6～228．2m的巖層中。

2 十八盤隧道施工技術(shù)方案

2．1 隧道開(kāi)挖

2．1．1 隧道洞口開(kāi)挖

洞口段處主要分布的是Ⅴ級(jí)圍巖，洞口埋深較淺，巖體風(fēng)化裂隙、節(jié)理裂隙發(fā)育。巖體呈碎、裂狀，松散結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性差。開(kāi)挖時(shí)宜采用機(jī)械開(kāi)挖或者預(yù)裂爆破，預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)參數(shù)［5］如表3:

表3 預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

為保證洞口處圍巖和邊坡仰角的穩(wěn)定性，隧道應(yīng)修建洞門。金寨端洞口地形較平緩，接長(zhǎng)明洞設(shè)置斜切式洞門；霍山端洞口地面縱向坡度較陡，結(jié)合地形采取貼壁進(jìn)洞方案，設(shè)置端墻式洞門，降低洞口邊坡高度，減少洞口開(kāi)挖。

2．1．2 隧道洞身段開(kāi)挖

隧道明洞段采用明挖法施工，其余均采用新奧法施工。隧道洞身段大量分布的是Ⅳ級(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖，采用臺(tái)階分部開(kāi)挖法，先開(kāi)挖兩側(cè)巖體，保留核心土，以核心土支擋開(kāi)挖工作面，及時(shí)做拱部初期支護(hù)，在拱保護(hù)下開(kāi)挖核心土保證開(kāi)挖過(guò)程中的安全性。在施工過(guò)程中，根據(jù)工程實(shí)際情況，結(jié)合新奧法原理，必要時(shí)采用CD法（中隔壁法）。開(kāi)挖斷面如圖1、圖2所示:

圖1 臺(tái)階分部法斷面

圖2 CD開(kāi)挖法斷面

2．2 隧道支護(hù)

2．2．1 超前支護(hù)

新奧法的基本方法就是要在巖體開(kāi)挖后及時(shí)采取支護(hù)措施，保證圍巖穩(wěn)定性，給后續(xù)施工提供安全的工作面。對(duì)于圍巖性質(zhì)差的Ⅴ級(jí)圍巖，在開(kāi)挖前要做超前支護(hù)，加固地層確保安全進(jìn)洞。Ⅴ級(jí)圍巖洞口處采用φ89中管棚作為超前支護(hù)，導(dǎo)管采用熱軋無(wú)縫鋼花管，外徑89mm，壁厚6mm，每段長(zhǎng)4～6m，分段拼裝達(dá)到超前支護(hù)長(zhǎng)度，導(dǎo)管上鉆注漿孔，孔徑8mm，孔間距15cm，呈梅花形布置，尾部2．5m留不鉆孔的止?jié){段，環(huán)向間距40cm，外插腳以1°～3°為宜，采用1:1水泥漿，管棚注漿終壓1～2MPa，維持5～10分鐘。洞身段采用以注漿小導(dǎo)管為超前支護(hù)，小導(dǎo)管采用φ50×5mm鋼管，長(zhǎng)4．5m，環(huán)向間距40cm，外插角5°～8°，與鋼拱架配套施工，每隔4榀一環(huán)，管搭接長(zhǎng)度為1．46m，鋼管尾部端須焊接于鋼拱腹部，以增強(qiáng)共同支護(hù)作用。Ⅳ級(jí)圍巖超前支護(hù)采用φ25mm超前中空注漿，錨桿長(zhǎng)度300cm，環(huán)向間距40cm，外插角5°～8°，每隔2榀拱架設(shè)置一環(huán)，超前中空注漿錨桿的水平搭接長(zhǎng)度為1．47m，錨桿尾端須焊接于鋼拱腹部。Ⅲ級(jí)圍巖穩(wěn)定性好，可不做超前支護(hù)。

2．2．2 初期支護(hù)

圍巖開(kāi)挖后應(yīng)立即進(jìn)行必要的支護(hù)，使圍巖與支護(hù)密貼，以穩(wěn)定圍巖。初期支護(hù)主要采用噴射混凝土與打錨桿的方式來(lái)穩(wěn)定圍巖。對(duì)于Ⅴ級(jí)圍，噴射C25早強(qiáng)混凝土24cm厚，采用濕噴工藝，可分4～6層分噴。錨桿采用φ25mm，長(zhǎng)度350cm，60cm×100cm布置。鋪設(shè)φ8mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20×20cm。搭接Ⅰ18工字鋼鋼拱架，縱向間距60cm，拱架之間采用縱向連接筋連接，連接筋環(huán)向間距為100cm，并在鋼架支護(hù)內(nèi)緣、外緣交錯(cuò)布置。Ⅳ級(jí)圍打入φ25mm中空注漿錨桿，長(zhǎng)度300cm，100cm×100cm布置。鋼筋網(wǎng)采用φ8mm，間距20×20cm。搭接Ⅰ12．6工字鋼鋼拱架，縱向間距100cm。拱架與開(kāi)挖輪廓之間所有間隙必須用C25早強(qiáng)噴射混凝土充填密實(shí)，先噴拱架與輪廓之間隙，再噴拱架周圍，然后再噴拱架之間，混凝土厚度18cm。Ⅲ級(jí)圍巖采用三級(jí)22mm早強(qiáng)砂漿錨桿，長(zhǎng)度250cm，120×120cm布置，鋪設(shè)φ6mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20×20cm，噴C25早強(qiáng)混凝土12cm，可不做鋼架。

2．2．3 二次襯砌

新奧法的基本原理就是充分利用圍巖的自承載能力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在初期支護(hù)之后，待圍巖收斂達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，及時(shí)施作二次襯砌。Ⅴ級(jí)圍巖，采用C30防水混凝土，先施作45cm厚鋼筋混凝土仰拱，使?jié)仓尚偷难龉芭c達(dá)到穩(wěn)定的初期支護(hù)形成閉合環(huán)，提高整體穩(wěn)定性。再施作拱墻，同樣采用C30防水混凝土，澆筑45cm厚鋼筋混凝土作拱墻。Ⅳ級(jí)圍用C25防水混凝土澆筑40cm厚素混凝土仰拱及拱墻，增強(qiáng)初期支護(hù)效果。Ⅲ級(jí)圍巖巖性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，采用C25防水混凝土澆筑35厚素混凝土拱墻，根據(jù)工程實(shí)際情況，適當(dāng)增強(qiáng)襯砌。

2．3 施工監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)是整個(gè)施工過(guò)程中必不可少的一項(xiàng)工作，也是新奧法的精髓所在。新奧法設(shè)計(jì)施工原理就是通過(guò)不間斷的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，反映圍巖穩(wěn)定性情況，以及初期支護(hù)與二次襯砌是否達(dá)到要求，以便于及時(shí)修正工程設(shè)計(jì)，改變施工方法?？梢酝ㄟ^(guò)洞內(nèi)直接觀察掌子面和已施工區(qū)段，量測(cè)洞內(nèi)圍巖表面收斂，量測(cè)圍巖內(nèi)部位移以及地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，得到工程實(shí)際量測(cè)值，對(duì)照規(guī)范規(guī)定的量測(cè)基準(zhǔn)值，在允許范圍內(nèi)，則表明圍巖和支護(hù)穩(wěn)定［6］。否則，修正設(shè)計(jì)，以滿足要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

新奧法隧道施工方法是在工程實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的，在實(shí)踐中不斷發(fā)展和豐富，國(guó)內(nèi)很多隧道工程均采用新奧法設(shè)計(jì)施工，十八盤隧道也是采用新奧法施工。該方法強(qiáng)調(diào)預(yù)設(shè)計(jì)中對(duì)圍巖的準(zhǔn)確分級(jí)，施工過(guò)程中圍巖開(kāi)挖方式、支護(hù)以及襯砌方式的選擇，并進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控量測(cè)，整個(gè)設(shè)計(jì)施工過(guò)程是高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)高度安全、經(jīng)濟(jì)合理、進(jìn)度高效的目標(biāo)。

1 王渭明，楊更社，張向東，等．巖石力學(xué)［M］．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版，2010．

2 重慶交通科研設(shè)計(jì)院．JTG D70－2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2004．

3 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司．JTG C20－2011公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2011．

4 Leca，E．，Clough，G．Preliminary Design For NATM tunnel Support in Soil［J］．American Society of Civil Engineering，1992，118（4）:558－575．

5 王樹(shù)理．地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2009:157－158．

6 鄭金明，劉高，謝裕江．新奧法在山嶺隧道軟巖工程中的應(yīng)用及存在的問(wèn)題［J］．施工技術(shù)，2011，40:80－84．