隧道新奧法施工

黎衛(wèi)國

摘要：新奧法是“新奧地利隧道工程法”的簡稱，縮寫為NATM。新奧法是一種“在巖質(zhì)、土砂質(zhì)中的下洞室圍巖內(nèi)形成環(huán)形支護(hù)結(jié)構(gòu)的隧道設(shè)計施工的方法。采用新奧法修建地下隧洞時，錨桿和噴射混凝土是其主要的支護(hù)手段，而支護(hù)時機(jī)需通過現(xiàn)場量測圍巖變形結(jié)果來確定。因此，錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)和現(xiàn)場量測被譽(yù)為新奧法的“三大支柱”。

關(guān)鍵詞：新奧法；理論要點；施工要點；支護(hù)

中圖分類號：U455.48 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674—3024（2016）11—96—03

引言

參加蒙華鐵路君子隧道的施工建設(shè)，學(xué)到了隧道施工的一些基本方法。通過閱讀關(guān)于隧道施工知識的文章及施工管理的經(jīng)驗，對隧道施工有了一點淺顯的認(rèn)識。

1君子隧道

1.1工程概況

君子隧道進(jìn)口為勝天河。沿線經(jīng)過君子村，雪白村，出口設(shè)在馮家窯村。隧道進(jìn)口里程DK414+187，出口里程DK423+147，隧道全長8960m，為單洞雙線隧道。

隧道所在范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積砂質(zhì)新黃土，上更新統(tǒng)沖洪積砂質(zhì)老黃土、粘質(zhì)老黃土、粗圓礫土，三疊系上統(tǒng)延長組砂巖、粉砂巖。

1.2結(jié)構(gòu)形式

隧道按新奧法原理設(shè)計與施工，暗挖隧道采用曲墻帶仰拱的復(fù)合式襯砌形式，復(fù)合式襯砌由初期支護(hù)、防水隔離層與二次襯砌組成，初期支護(hù)采用濕噴工藝，二次襯砌采用模筑混凝土。

1.3開挖

1.3.1隧道Ⅱ級圍巖采用全斷面法開挖，Ⅲ級圍巖采用臺階法開挖，Ⅳ級圍巖采用三臺階法開挖，Ⅴ級圍巖采用臨時仰拱法開挖，Ⅴ級土質(zhì)圍巖采用三臺階大拱腳臨時仰拱法開挖。施工中必須實施洞內(nèi)外觀察、拱頂下沉、凈空收斂、地表沉降等監(jiān)控量測。

1.3.2要求

①鉆爆法施工的石質(zhì)隧道必須采用光面爆破，炮眼布置滿足規(guī)范要求，嚴(yán)格控制超欠挖；土質(zhì)隧道或軟弱巖質(zhì)采用機(jī)械開挖。

②隧道洞口淺埋段斷層破碎帶、土石交界處或穿越構(gòu)筑物等地段，要求施工控制爆破、短開挖、強(qiáng)支撐、及時襯砌，做到步步為營、穩(wěn)扎穩(wěn)打，以策施工安全。

（1）網(wǎng)噴混凝土

①噴混凝土采用濕噴工藝，噴混凝土應(yīng)保證與圍巖密貼，嚴(yán)禁噴混凝土與圍巖之間出現(xiàn)空洞。

②噴混凝土應(yīng)分層、分段、分片、自下而上噴射，分層噴射時，首次噴砼厚度不小于4cm。

（2）錨桿

①錨桿必須設(shè)置墊板，墊板應(yīng)用螺帽上緊并與噴層面津貼。

②初支設(shè)置鋼架時，錨桿可結(jié)合鋼架位置布置，與鋼架焊接，加強(qiáng)圍巖與支護(hù)整體受力性能。

（3）鋼架

①鋼架在開挖或初噴混凝土后及時架設(shè)。

②安裝前應(yīng)清除鋼架底虛渣及雜物，鋼架底腳應(yīng)置于牢固的基礎(chǔ)上，鋼架應(yīng)盡量密貼圍巖，外緣每隔2m用鋼楔或混凝土塊楔緊。

③鎖腳錨管斜向下鉆設(shè)，鎖腳錨管與鋼架通過錨固筋焊接。

（4）二次襯砌

①二次襯砌施做一般應(yīng)在圍巖和初期支護(hù)變形穩(wěn)定后進(jìn)行。

②在隧道洞口段、淺埋段、圍巖松散破碎段，應(yīng)盡早施做二次襯砌。

（5）黃土隧洞施工要點

①黃土隧道應(yīng)避免圍巖暴露時間過長引起變形及塌方。因故停工時，及時封閉掌子面。

②洞口工程與相鄰工程應(yīng)先統(tǒng)籌安排，避免影響隧道結(jié)構(gòu)及山體穩(wěn)定。

③黃土隧道施工中應(yīng)及時進(jìn)行量測數(shù)據(jù)的整理分析，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)分析原因并采取技術(shù)措施保證施工安全，必要時應(yīng)迅速及時撤離作業(yè)點。

2新奧法施工特點

2.1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，以限制支護(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(qiáng)和全面粘結(jié)性因而保證了支護(hù)的及時性和有效性。在開挖爆破后立即進(jìn)行支護(hù)施工以噴射混凝土支護(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(qiáng)了巖層的穩(wěn)定性。

2.2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(qiáng)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，很好的充填圍巖的裂隙，節(jié)理和凹穴，大大提高了圍巖的強(qiáng)度。（提高圍巖的粘聚力C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、解體而使裂隙張開，導(dǎo)致圍巖失去穩(wěn)定。

2.3牯結(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)生三種作用：

2.3.1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)，噴錨支護(hù)的粘結(jié)力和抗剪強(qiáng)度是可以抵抗圍巖的局部破壞，防止個別威巖活石滑移和墜落，從而保持圍巖的穩(wěn)定性。

2.3.2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。

2.3.3增加作用。開巷后及時繼進(jìn)行噴錨支護(hù)，一方面將圍巖表面的凹凸不平處填平，消除因巖面不評引起的應(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，使巷道周邊圍巖由雙方向受力狀態(tài)，提高了圍巖的粘結(jié)力C和內(nèi)摩擦角，也就是提高了圍巖的強(qiáng)度。

2.4柔性

噴錨支護(hù)屬于柔性薄性支護(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。

3新奧法理論要點及施工要點

3.1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)用厚壁混凝土加以支護(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，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。

3.2基本要點

“少擾動、早噴錨，勤量測、緊封閉”。

巖體是隧道結(jié)構(gòu)體系中的主要承載單元，在施工中必須充分保護(hù)巖體，盡量減少對它的擾動，避免過度破壞巖體的強(qiáng)度。為此，施工中斷面分塊不宜過多，開挖應(yīng)當(dāng)采用光面爆破、預(yù)裂爆破或機(jī)械掘進(jìn)。為了充分發(fā)揮巖體的承載能力，應(yīng)允許并控制巖體的變形。一方面允許變形，使圍巖中能形成承載環(huán)：另一方面又必須限制它，使巖體不致過度松弛而喪失或大大降低承載能力。在施工中應(yīng)采用能與圍巖密貼、及時筑砌又能隨時加強(qiáng)的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，例如，錨噴支護(hù)等。這樣，就能通過調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和它參加工作的時間（包括閉合時間）來控制巖體的變形。為了改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能，施工中應(yīng)盡快閉合，而成為封閉的筒形結(jié)構(gòu)。另外，隧道斷面形狀應(yīng)盡可能圓順，以避免拐角處的應(yīng)力集中。通過施工中對圍巖和支護(hù)的動態(tài)觀察、量測，合理安排施工程序、進(jìn)行設(shè)計變更及日常的施工管理。為了敷設(shè)防水層，或為了承受由于錨桿銹蝕，圍巖性質(zhì)惡化、流變、膨脹所引起的后續(xù)荷載，可采用復(fù)合式襯砌。二次襯砌原則上是在圍巖與初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的條件下修筑的，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個整體，因而提高了支護(hù)體系的安全度。

3.3新奧法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365JT設(shè)計參數(shù)的精確要求，得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)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，防患于未然提到施工的安全程度。

由上所述，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)。

4新奧法的主要支護(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)，允許圍巖又一定的協(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)。

4.1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。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，第一次支護(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)采用灌面爆破（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。巖質(zhì)條件好時，長度可大一些，巖質(zhì)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，全斷面開挖長度就要小一些。一般在中硬巖中長度約為2-2.5米，在膨脹性地層中大約為0.8-1.米。

4.2支護(hù)

第一次支護(hù)作業(yè)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。

在巷道開挖后，應(yīng)盡快地噴一層薄層混凝土（3-5mm），為爭取時間在較松散的圍巖掘進(jìn)中第一次支護(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10-15mm），并要求將錨桿、金屬網(wǎng)、鋼拱架等覆裹在噴射混凝土內(nèi)。

完成第一次支護(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)在爆破后三小時內(nèi)完成，主要由施工條件決定。

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，為了給一次支護(hù)爭取時間，安全的作業(yè)，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)澆注和封底，即永久性的支護(hù)，起到提高安全度和整個支護(hù)承載能力增強(qiáng)的作用，而此支護(hù)時機(jī)可以由監(jiān)測結(jié)果得到。

對于底板不穩(wěn)，底鼓變形嚴(yán)重，必然牽動側(cè)墻及頂部支護(hù)不穩(wěn)，所以應(yīng)盡快封底，形成封閉式的支護(hù)，以謀求圍巖的穩(wěn)定。

5新奧法適用范圍

5.1巖體條件

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(qiáng)風(fēng)化的巖石；

④剛塑性的粘土泥質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r；

⑤堅硬粘土，也有帶堅硬夾層的粘土；

⑥微裂隙的，但很少粘土的巖體；

⑦在很高的初應(yīng)力場條件下，堅硬的和可變堅硬的巖石：

5.2在下述條件下應(yīng)用新奧法必須與一些輔助方法相配合

①有強(qiáng)烈地壓顯現(xiàn)的巖體；

②膨脹性巖體（要與仰拱與底部錨桿相配合）；

③在一些松散巖體中，要與鋼背板與之配合；

④在蠕動性巖體中，要與凍結(jié)法或預(yù)加固法等配合；

5.3在下列場合中應(yīng)用應(yīng)慎重

①大量涌水的巖體；

②由于涌水會產(chǎn)生流砂現(xiàn)象的圍巖：

③極為破碎，錨桿鉆孔、安裝都極為困難的巖體；

④開挖面完全不能自穩(wěn)的巖體等。

6新奧法的缺點主要有：

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)量都與每一個人的仔細(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)，因此要求施工地質(zhì)人員要親臨現(xiàn)場，以便發(fā)現(xiàn)問題；

③用能控制的施工量測，往往給施工帶來不便；

④干噴射帶來的灰塵以及由于易受化學(xué)藥品的損害必須加強(qiáng)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，不如千噴那樣有效的支護(hù)巖體。

7結(jié)束語

新奧法在西歐、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365JT技術(shù)標(biāo)志之一。六十年代被介紹到我國，七十年代末八十年代初得到迅速發(fā)展。至今，可以說在所有重點難點的地下工程中都離不開NATM。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。

新奧法施工是從實際經(jīng)驗中總結(jié)出來的，又在不斷實踐經(jīng)驗中得以豐富其內(nèi)容和進(jìn)一步發(fā)展，新澳法施工在我國推廣以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展。通過科研、設(shè)計、施工三結(jié)合，在修建隧道中，應(yīng)用新奧法及其相應(yīng)的技術(shù)，取得了較大的成就。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，在鐵路隧道施工建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。