淺析鐵路隧道新奧法施工存在的問題

顧慶榮

【摘 要】本文主要是對我國按新奧法原理設(shè)計施工的山嶺隧道施工中存在的一些普遍問題進(jìn)行分析研究，在此基礎(chǔ)之上提出如下觀點，希望能夠為同行業(yè)人員提供一些參考。

【關(guān)鍵詞】山嶺隧道；自穩(wěn)時間；施工流程；支護(hù)時間；分析

新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，原文是New Austrian Tunnelling Method，簡稱為NATM。新奧法概念是奧地利學(xué)者拉布西維茲教授于20世紀(jì)50年代提出的。引入我國后在鐵路隧道得到廣泛應(yīng)用，也積累了大量成功經(jīng)驗。一般的設(shè)計規(guī)程是：洞室開挖成型后，及時初噴混凝土，封閉圍巖表面，防止風(fēng)化掉塊，然后再支護(hù)鋼架施工錨桿，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度，控制圍巖進(jìn)一步變形，防止失穩(wěn)，造成坍塌，至此初期支護(hù)完成，按照《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》的要求，進(jìn)行監(jiān)控量測，沉降及收斂變形符合規(guī)程要求后即認(rèn)為圍巖基本穩(wěn)定，施工二次襯砌，符合新奧法理念。但現(xiàn)場實際施工大多與上述不符，普遍存在如下幾方面通病。

一、施工流程。

對于山嶺隧道，以Ⅳ～Ⅴ級圍巖為例，洞室開挖完成后，若為石質(zhì)地段，受鉆爆技術(shù)以及圍巖本身軟硬不均、整體性差等條件限制，洞室表面里出外進(jìn)，很難達(dá)到《鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于洞身開挖的要求，盡管已進(jìn)行了排險作業(yè)，但現(xiàn)場施工人員普遍認(rèn)為：立即施作鋼支撐（型鋼）強(qiáng)支護(hù)，才能阻止圍巖的變形，保證安全的后續(xù)作業(yè)空間，這也是現(xiàn)場施工人員乃至技術(shù)人員認(rèn)為格柵鋼架（現(xiàn)場加工質(zhì)量往往也不盡如人意）無法起到支撐作用的原因。若先按設(shè)計要求進(jìn)行初噴作業(yè)，以單線鐵路隧道Ⅴ級圍巖上臺階開挖進(jìn)尺1m為例，至少需要1小時左右的時間，在這一時間段圍巖變形可能加大，造成掉塊，甚至坍塌?；诖朔N觀念，施工人員很少按設(shè)計流程支護(hù)，開挖后先支護(hù)鋼架，當(dāng)鋼架支護(hù)施作完成，即認(rèn)為已經(jīng)提供了相對安全的作業(yè)空間，再進(jìn)行錨桿噴混凝土支護(hù)。

由上表可看出除Ⅴ級圍巖外，圍巖自穩(wěn)時間都充分滿足按設(shè)計要求支護(hù)一循環(huán)的時間，按設(shè)計流程施工能夠保證施工安全，對于Ⅴ級圍巖地段，就需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況分析，最主要的是進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性評價，必要時可縮短開挖進(jìn)尺，以達(dá)到及時支護(hù)目的。其次需要注意的問題是避免一次掘進(jìn)尺度過大，一般情況下，設(shè)計文件都有要求，應(yīng)按設(shè)計施工。

二、鋼架施工。

對于鋼架與圍巖充分接觸，現(xiàn)場很少按要求作，特別是拱部；鋼架落底不穩(wěn)，清除虛渣后，鋼架下沉，如果下沉過于明顯現(xiàn)場做法是用石塊支墊，然后沿鋼架施作錨桿，將鋼架與錨桿焊接，不施作混凝土墊塊，造成鋼架與圍巖之間存在明顯間隙。對于軟弱圍巖，洞室開挖后，圍巖應(yīng)力重分布，洞室周邊形成塑性區(qū)，伴隨著圍巖向坑道內(nèi)位移，塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大最終產(chǎn)生破壞。開挖后及時施作錨桿、噴混凝土、鋼支撐初期支護(hù)，能有效控制圍巖的繼續(xù)變形，防止坍塌。對于拱部而言，在鋼架與噴混凝土共同形成柔性支護(hù)前，鋼架在一定程度上起到了部分支撐的作用，若拱部鋼架與圍巖間隙過大，造成圍巖變形過程中沒有得到及時阻擋，隨著變形增大，圍巖自身承載能力減小，圍巖荷載增大，鋼架很難支撐，極易造成坍塌，或者留下安全隱患。

根據(jù)上表以Ⅴ級圍巖，泥巖夾砂巖地層，埋深50～100m單線鐵路隧道（設(shè)計時速120km/h）為例，設(shè)計預(yù)留變形量為70mm，理想狀態(tài)下可視為圍巖與支護(hù)共同受力變形，達(dá)到70mm后，支護(hù)發(fā)揮最大作用，同時很好的利用圍巖自身強(qiáng)度，開挖后若鋼架拱部與圍巖間隙為30mm，即可視為在沒有支撐的條件下，圍巖變形已達(dá)到彈塑性變形的下限，鋼架支護(hù)隨后受力與圍巖一起變形，在此過程中鋼架有個自身調(diào)整穩(wěn)定的過程，由此看來當(dāng)鋼架最終起到支撐作用時，圍巖變形或許已超出塑性變形極限，接近破壞狀態(tài)，甚至出現(xiàn)坍塌，這也是很多已支護(hù)段發(fā)生坍塌的原因之一，即使不發(fā)生坍塌，圍巖的過度松弛也不利于圍巖自支護(hù)能力的利用。

由此可看出鋼架施工質(zhì)量是保證施工安全、提高圍巖自身支護(hù)能力的保證。應(yīng)嚴(yán)格控制鋼架施工質(zhì)量，落底牢固，與圍巖密貼，按設(shè)計要求設(shè)置墊塊，并根據(jù)開挖情況適當(dāng)加密。

三、砂漿錨桿。

錨桿施作質(zhì)量差是隧道施工中普遍存在的問題，主要是錨桿數(shù)量、長度達(dá)不到設(shè)計要求，錨桿鉆孔施工費時費力是客觀原因，施工人員輕視錨桿作用是主要原因。特別是土質(zhì)地段，施工認(rèn)為砂漿中的水會軟化圍巖，或者采用樹脂錨桿代替全長粘結(jié)砂漿錨桿。隧道開挖后，洞身周邊形成松弛區(qū)，錨桿的施工能有效控制松弛區(qū)擴(kuò)大，起到懸吊、擠壓、組合梁或鎖腳的作用，有助于圍巖自身支護(hù)能力的發(fā)揮，前提條件是錨桿施工有足夠長度，能穿透應(yīng)力松弛區(qū)，并且有足夠的密度。

樹脂錨桿施工方便，抗拔力較高，但是對于土質(zhì)隧道或軟弱破碎石質(zhì)隧道，由于圍巖自身強(qiáng)度較低，樹脂錨桿錨固點有限，很難提供足夠的抗拔力，全長粘結(jié)砂漿錨桿可以通過相對較大的摩擦面提供足夠的抗拔力。寶中線大寨嶺隧道是我國第最早按新奧法原理設(shè)計、施工的土質(zhì)山嶺隧道。根據(jù)現(xiàn)場對36根砂漿錨桿抗拔試驗，平均錨固力為67KN，說明錨桿與砂漿、砂漿與土體有著良好的粘著力。測定的11個斷面隧道周邊圍巖平均松弛厚度：拱頂1.63m，拱腳1.69m，邊墻中部1.75m，軌頂面處2.05m。與有限元分析及變形收斂值進(jìn)行的分析是一致的。設(shè)計采用的2.5m長砂漿錨桿也是滿足要求的。

由此可見設(shè)計要求的全長粘結(jié)砂漿錨桿是十分必要的，可以提高圍巖自身支護(hù)能力，保證施工安全。施工中減少錨桿數(shù)量、減短錨桿長度的做法增大了施工安全風(fēng)險，降低了工程質(zhì)量，必須杜絕。

四、結(jié)束語

通過上述分析可看出，目前我國山嶺隧道施工中普遍存在的幾個問題，是影響質(zhì)量安全的重要因素，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場管理，保證施工質(zhì)量，確保安全。

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