基于新奧法的隧道施工技術(shù)初探

彭晟 趙君 姜濤

摘要：主要研究了新奧法理論產(chǎn)生和發(fā)展的背景和歷史沿革，分析其具體方法和應(yīng)用中的注意事項(xiàng)，以供實(shí)際工作參考。

關(guān)鍵詞：新奧法;隧道;施工

引言

隨著交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，隧道工程在山區(qū)、丘陵地區(qū)、城市交通、跨江跨海交通中所占的比重越來越大，其施工方法日益得到技術(shù)人員的重視。新奧法施工運(yùn)用巖土力學(xué)理論，對隧道圍巖與支護(hù)系統(tǒng)的變形進(jìn)行量測、監(jiān)控，利用隧道支護(hù)系統(tǒng)變形對隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，是一種充分利用圍巖自承能力的設(shè)計(jì)方法，能夠節(jié)約隧道建設(shè)的成本。

1 新奧法原理

1.1 隧道設(shè)計(jì)施工的兩大理論及其發(fā)展過程

20 世紀(jì)以來，人類對地下空間的需求越來越大，地下工程的研究有了一個(gè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。人們通過大量的地下工程實(shí)踐，先后建立了兩種不同的理論體系。即“松弛荷載理論”和“巖承理論”。前者類似地面工程考慮問題，即：穩(wěn)定的巖體有自穩(wěn)能力，不產(chǎn)生荷載;不穩(wěn)定的巖體則可能產(chǎn)生坍塌，需要用支護(hù)結(jié)構(gòu)予以支撐。后者認(rèn)為不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)定是有一個(gè)過程的，如果在這個(gè)過程中提供必要的幫助或限制，則圍巖仍然能夠進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。這種理論更接近于地下工程實(shí)際，近半個(gè)世紀(jì)以來已被廣泛接受和推廣應(yīng)用。新奧法是巖承理論在隧道工程實(shí)踐中的代表方法。

1.2 新奧法

新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，它是以既有隧道工程經(jīng)驗(yàn)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)奧地利、瑞典、意大利等國的許多實(shí)踐和理論研究，于20 世紀(jì)60 年代取得專利權(quán)并正式命名。之后這個(gè)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的發(fā)展，已成為現(xiàn)代隧道工程新技術(shù)的標(biāo)志之一。我國近40 年來，鐵路等部門通過科研、設(shè)計(jì)、施工三結(jié)合，在許多隧道修建中，根據(jù)自己的特點(diǎn)成功地應(yīng)用了新奧法，取得了較多的經(jīng)驗(yàn)，積累了大量的數(shù)據(jù)，現(xiàn)已全面進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。

2 新奧法施工方法

新奧法隧道施工中常用方法大致分為全斷面法、臺(tái)階法和分部開挖法三大類及若干變化方案。

2.1 全斷面法

即全斷面開挖法，是指按設(shè)計(jì)開挖面一次開挖成型。其開挖順序是全斷面開挖，錨噴支護(hù)，灌筑混凝土襯砌。常選用于Ⅳ～Ⅵ類硬巖的石質(zhì)隧道。該法可以采用深孔爆破。全斷面開挖法有較大的作業(yè)空間，有利于采用大型配套機(jī)械化作業(yè)，提高施工速度，且工序少、干擾少，便于施工組織和管理。缺點(diǎn)是由于開挖面積較大，圍巖相對穩(wěn)定性降低，且每循環(huán)工作量相對較大，因此就要求施工單位應(yīng)具有較強(qiáng)的開挖、出碴與運(yùn)輸及支護(hù)能力。全斷面開挖法的主要工序是：使用移動(dòng)式臺(tái)車或者臺(tái)架，首先全斷面一次鉆孔，并進(jìn)行裝荷連線，然后將鉆孔臺(tái)車后退到50m 以外的安全地點(diǎn)，再起爆，使一次爆破成型，出碴后鉆孔臺(tái)車再推移至開挖面就位，開始下一個(gè)鉆爆作業(yè)循環(huán)，同時(shí)進(jìn)行錨噴支護(hù)或先墻后拱襯砌。

2.2 臺(tái)階法

臺(tái)階法一般是將設(shè)計(jì)斷面分成上半斷面和下半斷面兩次開挖成型。其開挖順序是上半部開挖拱部錨桿噴射混凝土支護(hù)，拱部襯砌，下半部中央部分開挖，邊墻部分開挖，邊墻錨桿噴射混凝土支護(hù)及襯砌。該方法多適用于Ⅱ、Ⅲ類較軟而節(jié)理發(fā)育的圍巖中，可分別采用添加變化方案。如根據(jù)上下臺(tái)階距離長短，可分別采用長臺(tái)階法、短臺(tái)階法、超短臺(tái)階法等。臺(tái)階開挖的特點(diǎn)在于：一是臺(tái)階開挖宜采用輕型鑿巖機(jī)打眼，而不宜采用大型鑿巖臺(tái)車;二是臺(tái)階法開挖具有足夠的作業(yè)空間和較快的施工速度。臺(tái)階有利于開挖面的穩(wěn)定性。尤其是上部開挖支護(hù)后，下部作業(yè)較為安全;三是臺(tái)階法開挖的缺點(diǎn)是上下部作業(yè)互相干擾。應(yīng)注意下部作業(yè)時(shí)對上部穩(wěn)定性的影響臺(tái)階開挖會(huì)增加對圍巖的擾動(dòng)次數(shù)。

2.3 分部開挖法

分部開挖法是將開挖斷面進(jìn)行分部開挖逐部成型，主要包括五種變化方案：臺(tái)階分部開挖法、上下導(dǎo)坑法、上導(dǎo)坑超前開挖法、單（雙）側(cè)壁導(dǎo)坑法。臺(tái)階分部開挖法適用于一般土質(zhì)或易坍塌的軟弱圍巖地段，與超臺(tái)階法相比，臺(tái)階可以加長，一般雙車道隧道為1倍洞跨，單車道隧道為2倍洞跨，而較單（雙）側(cè)臂導(dǎo)坑法機(jī)械化程度高，可加快工程進(jìn)度。上下導(dǎo)坑超前開挖法適用于Ⅱ、Ⅲ類圍巖，在松軟地層開挖隧道，一般宜采用上下導(dǎo)坑超前開挖先拱后墻法。能夠通過提前探明地質(zhì)情況，改變施工方法。工作面多，便于拉開工序，適用于安排勞動(dòng)力與使用小型機(jī)械施工。單側(cè)臂導(dǎo)坑法適于圍巖穩(wěn)定性較差，隧道跨度較大，地面沉陷難以控制時(shí)采用，兼有正臺(tái)階法和雙臂導(dǎo)坑法的優(yōu)點(diǎn)。雙側(cè)臂導(dǎo)坑法適于淺埋大跨度隧道，地表下沉量要求嚴(yán)格，圍巖特別差時(shí)采用，比較安全可靠。

3 實(shí)際施工中應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 施工前的準(zhǔn)備工作

首先是施工技術(shù)準(zhǔn)備。在隧道施工中應(yīng)用新奧法施工技術(shù)前，需要完成對隧道施工設(shè)計(jì)圖紙的復(fù)審，對施工人員在隧道支護(hù)、開挖施工及襯砌施工技術(shù)進(jìn)行交底。同時(shí)在施工作業(yè)現(xiàn)場導(dǎo)線點(diǎn)、導(dǎo)線復(fù)測等測量上進(jìn)行控制，并且做好相關(guān)的準(zhǔn)備。其次是施工現(xiàn)場準(zhǔn)備。主要是完成對現(xiàn)場的通水、通電及平整現(xiàn)場等一系列工作。然后要結(jié)合隧道工程施工情況，完成攪拌站的安裝，同時(shí)建立施工現(xiàn)場安全管理體系。最后是材料與設(shè)備準(zhǔn)備。根據(jù)施工情況安排所需的機(jī)械設(shè)備與匹配的數(shù)量進(jìn)入施工現(xiàn)場，同時(shí)準(zhǔn)備好公路隧道施工過程中所使用的沙子、水泥、防水板等施工材料。

3.2 圍巖支護(hù)工作

在實(shí)施隧道開挖工程之后，圍巖應(yīng)力會(huì)隨之再次分布，這時(shí)需要加強(qiáng)圍巖的穩(wěn)固性，保證圍巖卸載后強(qiáng)度。為了滿足隧道結(jié)構(gòu)承載能力，圍巖會(huì)發(fā)生一定的變形與位移情況。需要使用新奧法施工技術(shù)，對隧道進(jìn)行圍巖支護(hù)。使用錨噴進(jìn)行初期支護(hù)，并在二次支護(hù)過程中，使用模筑混凝土復(fù)合襯砌。若施工現(xiàn)場屬于軟巖層，則需要抑制施工發(fā)生形變，避免柔性支護(hù)模式。這是由于巖層地層隧道下部地層與表面不能承受一定的應(yīng)力，而其深部土層會(huì)受到較大的壓力，不能有效對施工產(chǎn)生的形變進(jìn)行抑制。因此，在支護(hù)時(shí)最好選擇一些薄殼型支護(hù)結(jié)構(gòu)，從而減少彎曲斷裂情況的發(fā)生。

3.3 全時(shí)監(jiān)測工作

做好全時(shí)監(jiān)測工作是隧道施工過程中的一個(gè)重點(diǎn)，這樣可以掌握圍巖物理性質(zhì)，了解隧道穩(wěn)定性。另外在采用支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以選擇正確的支護(hù)結(jié)構(gòu)，使施工技術(shù)滿足設(shè)計(jì)需求，以此保證隧道工程項(xiàng)目建設(shè)的穩(wěn)定性及工程項(xiàng)目建設(shè)的安全性。首先在監(jiān)測實(shí)施后，若發(fā)現(xiàn)圍巖穩(wěn)定性較差，需要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。對穩(wěn)定性較好的圍巖要保證支護(hù)的即時(shí)性，在此過程中噴射混凝土不僅要及時(shí)還要快速，并且厚度要達(dá)到施工要求。根據(jù)工程的情況，添加鋼筋網(wǎng)與錨桿。其次在初次支護(hù)完成后，基本的變形處于穩(wěn)定后，要盡快加設(shè)模板，便于進(jìn)行二次襯砌。在采用新奧法施工工藝時(shí)，可以利用其基本原理，在了解地質(zhì)情況與綜合考慮各方面的因素后，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)或計(jì)算數(shù)字，確定噴錨支護(hù)的基本參數(shù)，在監(jiān)測后、開挖之前提前了解圍巖的物理狀態(tài)及性質(zhì)，將了解的信息反饋到工程中，并關(guān)注日常檢測系統(tǒng)建設(shè)情況，從而保證開挖方案的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。

結(jié)語

本文首先對隧道施工中的新奧法施工技術(shù)追根溯源，了解其內(nèi)涵，而后對新奧法進(jìn)行了應(yīng)用的分析研究，將新奧法施工技術(shù)與具體的實(shí)踐工程相融合，保證新奧法施工技術(shù)的有效利用，對提高隧道施工質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉鵬，張立東. 新奧法隧道施工過程中的質(zhì)量控制措施[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017（20）：1388.

[2] 李曉紅. 隧道新奧法及量測技術(shù)[M].北京科學(xué)出版社，2002.

（作者單位：中國人民解放軍66469部隊(duì)）