隧道工程中新奧法施工技術(shù)應(yīng)用研究

摘要 新奧法是在巖體中進(jìn)行隧道建設(shè)的一種常見施工方法，應(yīng)對不同地質(zhì)條件，采取針對性的技術(shù)措施，才能保證隧道建設(shè)的安全與質(zhì)量。該文結(jié)合西安至十堰（高速）鐵路工程實(shí)例，對新奧法施工技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究，并指出施工中的重難點(diǎn)，制定控制措施。通過采取前期地質(zhì)預(yù)報(bào)，針對性地采取超前支護(hù)，洞身施工時(shí)采取靈活的施工工藝及時(shí)支護(hù)，最終實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)高效、高質(zhì)量完成。

關(guān)鍵詞 新奧法；隧道工程；技術(shù)應(yīng)用；控制措施

中圖分類號 U415 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0070-03

0 引言

新奧法是20世紀(jì)50年代奧地利學(xué)者首次提出后傳入中國并迅速發(fā)展起來的一種隧道建造的先進(jìn)工藝[1]。其機(jī)理是先采用毫秒爆破和光面爆破技術(shù)進(jìn)行全斷面開挖，隨后用錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼架以及噴射混凝土等進(jìn)行初期支護(hù)。應(yīng)用的前提是圍巖本身具有一定的承載力，初期噴錨支護(hù)也是為了使圍巖本身的承載力得到最大限度地發(fā)揮，最后的二襯只是作為一種安全儲備和裝飾美化。

1 工程概況

西安至十堰高速鐵路工程包含了多條隧道，以其中友誼隧道為例，該隧道為Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)隧道，隧道工程總長6 495.691 m，最大埋深達(dá)145 m。洞體全部為Ⅲ～Ⅴ級圍巖，其中Ⅲ圍巖巖層670 m，Ⅳ圍巖巖層4 460 m，Ⅴ圍巖巖層1 366 m。隧道洞身所通過的地層主要為中元古界武當(dāng)山群第一至第三巖組片巖、變粒巖，隧道出口地表零星分布有白堊系上統(tǒng)砂巖、礫巖；構(gòu)造巖類主要為壓碎巖。隧道全部圍巖Ⅳ、Ⅴ級占隧道長度的87.2%。圍巖變形破壞嚴(yán)重，自穩(wěn)能力差。對此采用新奧法施工技術(shù)，應(yīng)用長管棚、超前小導(dǎo)管及超前砂漿錨桿進(jìn)行了隧道施工中超前加固。最終，該文的友誼隧道在新奧法施工下順利完工，施工效果較好。

2 施工重難點(diǎn)

該項(xiàng)目主要存在因山體滑坡、滑落、危巖落石、順層坡面等不良地質(zhì)引起的崩塌、冒頂、變形等危險(xiǎn)因素。隧道洞身下穿溝谷段，且穿越節(jié)理密集帶，為常年流水，施工中存在突涌水及地下水流失，造成地表水疏干的風(fēng)險(xiǎn)。隧道范圍內(nèi)下穿溝谷段多有村村通公路進(jìn)入，施工過程中加強(qiáng)道路變形監(jiān)控量測。DK251+513～DK251+598段洞頂分布有民房，外側(cè)回填及護(hù)拱施工中應(yīng)對坡面及房屋的變形加強(qiáng)監(jiān)測。隧道下穿吳家灣滑坡，埋深約56 m，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 超前支護(hù)

該項(xiàng)目采取不同的超前支護(hù)保障措施來應(yīng)對不同級別的圍巖：1）隧道洞口部分，因處于淺埋段，圍巖松散，采用Ф108 mm超前長管棚支護(hù)，管間距40 cm。2）洞體Ⅴ級、Ⅳa級圍巖因松散易坍塌，采用Ф42 mm超前小導(dǎo)管支護(hù)，環(huán)向間距40 cm。3）Ⅳb級圍巖呈碎石狀，拱部無支護(hù)時(shí)，會產(chǎn)生較大的坍塌，采用Ф22 mm超前砂漿錨桿支護(hù)，環(huán)向間距40 cm。4）Ⅲ級圍巖呈大塊狀結(jié)構(gòu)，但部分區(qū)域也呈碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，也采用Ф22 mm砂漿錨桿支護(hù)，環(huán)向間距120 cm。

（1）長管棚施工

完成洞口土石方開挖，在成洞面和核心土成形后，才進(jìn)行長管棚施工。管棚長度均為30 m。長管棚施工采用XY-28-30電動打孔機(jī)，利用打孔機(jī)將鋼花管旋轉(zhuǎn)插入孔內(nèi)，待各管棚成孔后，做好封孔工作，并適時(shí)注漿施工。為達(dá)到注漿飽滿的目的，鉆孔、下好管、注漿前安放PVC排氣筒，注漿設(shè)備選用BW-250/50注漿機(jī)，漿液用1∶1（重量比）的42.5級普通硅酸水泥，摻水玻璃0.3%～0.5%[2]。用30號水泥砂漿在注漿完成后進(jìn)行密實(shí)填充，使管棚剛度和強(qiáng)度得到加強(qiáng)。

（2）超前小導(dǎo)管施工

小導(dǎo)管選用Φ42 mm的3.5mm厚無縫鋼管，鋼管的尾部設(shè)有加強(qiáng)箍，頭部呈尖錐狀。除尾部1.2 m布設(shè)壓控孔外，其余位置管壁上有6 mm的壓漿孔。施工時(shí)先用鑿巖機(jī)（TY-28）打孔，再以10～15°角度將小導(dǎo)管插入孔中，露出20 cm。露出部分支撐于開挖面后方的鋼拱架上，與鋼拱架共同構(gòu)成預(yù)支防護(hù)系統(tǒng)。注漿設(shè)備采用KRY-50/70注漿泵注漿，漿液采用水泥加水玻璃漿。

（3）超前砂漿錨桿施工

錨桿縱距3 m，外插角10～15°。在注漿錨桿注漿前，先向漿泵中注水及灌入少量漿液，然后在距孔底5～10 cm處插入注漿管，首先預(yù)壓部分水和漿液的稀釋液來濕潤管路，然后再正式進(jìn)行注漿，注漿時(shí)保持緩慢勻速，注漿的壓力不大于0.4 MPa。

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的作用為提前發(fā)現(xiàn)開挖面前方的地質(zhì)情況，可探查出是否存在不良地質(zhì)、地下巖石的結(jié)構(gòu)完整性以及是否存在地下水影響施工。施工單位可針對探測出的地質(zhì)情況，及時(shí)調(diào)整施工措施，優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇適合的施工方案。隧道剛進(jìn)洞時(shí)，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行短距離地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測，隧道進(jìn)洞達(dá)到75 m以上時(shí)采用TGP進(jìn)行探測[3]。

3.3 洞身開挖

因隧道Ⅴ級圍巖淺埋加固段地質(zhì)條件較差，開挖采用上下臺階、預(yù)留核心土開挖方式。為減少各斷面間的相互影響，嚴(yán)格控制斷面間距，在上段開挖10～20 m后，下段開始開挖，核心土滯后上臺階5～10 m。Ⅳ級圍巖采用上部和下部階梯式開挖的方式。下段開挖要等上段挖了5～10 m后進(jìn)行。Ⅲ級圍巖因圍巖相對較好，采用全斷面開挖法一次成型。

隧道掘進(jìn)全部采用光面爆破，在控制變形的同時(shí)，最大限度地減少對圍巖的擾動。在較破碎的巖石隧道和水平巖層巖石隧道中，每次爆破進(jìn)尺不宜過大，嚴(yán)格控制光面爆破參數(shù)，優(yōu)化施工工藝和控制線性超挖量。對地表構(gòu)筑物影響大或有較嚴(yán)格震速要求者，采用控制爆破。依據(jù)爆破振動衰減規(guī)律公式算出控制最大單響的炸藥量，炸藥量超出的采取分段起爆。

3.4 初期支護(hù)

Ⅴ級圍巖段的初支由18號工字鋼拱架、徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土等部分組成。Ⅳ級圍巖段的初支由16號工字鋼拱架、徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成。Ⅲ級圍巖段是由徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土等構(gòu)成。為了增加剛度，將鋼拱架、小導(dǎo)管及鋼筋網(wǎng)進(jìn)行焊接。用Φ22 mm鋼筋連接鋼拱架。Ⅲ級圍巖段因圍巖自穩(wěn)能力比較好而不設(shè)鋼拱架。

（1）徑向錨桿

Φ22 mm砂漿錨桿主要在邊仰坡防護(hù)中進(jìn)行使用，Ⅳ～Ⅴ級圍巖的徑向錨桿采用Φ22 mm砂漿錨桿，Ⅲ級圍巖采用帶早強(qiáng)的砂漿錨桿。砂漿錨桿要在混凝土初噴完成后按照設(shè)計(jì)的長度和間距進(jìn)行施工。施工的流程是鉆孔完成后清孔，灌入水泥砂漿，然后插入錨桿。砂漿錨桿施工注意在灌漿前先在漿泵內(nèi)注入少量的水和少量的砂漿，將注漿管插到距離孔底50～100 mm位置，就初壓水和漿液將管路進(jìn)行濕潤，然后再將調(diào)好的漿液倒入漿泵正式開始注漿。注漿的壓力要在0.4 MPa以下，漿液注滿后，要立刻插入錨桿，插入的長度不能少于95%的設(shè)計(jì)長度。如果砂漿沒有灌滿，需要拔出錨桿重新進(jìn)行注漿。錨桿插入后，不能有重物掛在其端部。等到漿體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后還要進(jìn)行錨桿的拉拔試驗(yàn)。

（2）掛鋼筋網(wǎng)

鋼筋網(wǎng)的施工嚴(yán)格按實(shí)際要求進(jìn)行，鋼筋網(wǎng)與巖面要有3 cm的間隙，鋼筋網(wǎng)與錨桿、鋼筋網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)之間要用細(xì)鐵絲扎牢并進(jìn)行電焊，以保證鋼筋網(wǎng)的穩(wěn)定，在噴射混凝土?xí)r不會移動。鋼筋網(wǎng)的外保護(hù)層厚度要不少于20 mm。噴射混凝土?xí)r噴頭要微微地傾斜，以保證網(wǎng)片和巖面噴射均勻密實(shí)[2]。

（3）鋼拱架架設(shè)

鋼拱架在洞體外按設(shè)計(jì)分段加工，在洞體內(nèi)分段安裝后用螺栓將其連接成整體。安裝要在混凝土初噴之前進(jìn)行，安裝后要與定位筋進(jìn)行焊接固定。鋼拱架和鋼拱架之間用縱向鋼筋進(jìn)行連接，中間的空隙用混凝土噴射補(bǔ)平。鋼拱架的拱腳安放在穩(wěn)定的地基上。架設(shè)時(shí)要保持垂直隧道的中線，如果圍巖不平整，與鋼拱架之間間隙過大，需要在鋼拱架上安放大的墊塊，再噴混凝土補(bǔ)齊平。

（4）噴射混凝土

初期支護(hù)噴射C25的混凝土，采用二次噴射的方式噴射。在開挖（或部分開挖）完成后立即進(jìn)行初噴，在錨桿、掛網(wǎng)、拱架安裝完成后，盡快對暴露巖面進(jìn)行封閉，防止圍巖剝落，形成初期支護(hù)對圍巖變形起到抑制作用。噴射施分段分片進(jìn)行，每段長度不超過6 m，按由低到高的順序依次進(jìn)行，每次噴射厚度控制在6 cm以下，并按規(guī)定對新噴好的混凝土進(jìn)行噴水保養(yǎng)。

3.5 二次襯砌

仰拱采用仰拱棧橋全幅超前施工，防水板采用防水板自動鋪設(shè)臺車進(jìn)行無釘鋪設(shè)，襯砌采用液壓模板式襯砌臺車，混凝土拌和站生產(chǎn)混凝土實(shí)行全自動計(jì)量，混凝土運(yùn)輸車運(yùn)送混凝土，襯砌作業(yè)采用泵送混凝土入模，插入式、附著式振搗器振搗。

（1）仰拱施工

仰拱開鑿采取光面爆破，開鑿?fù)瓿珊笠皶r(shí)清理仰拱基底和復(fù)核斷面尺寸，嚴(yán)禁欠挖，如超挖要采用同等級混凝土對超出部分進(jìn)行回填處理。隨后，進(jìn)行仰拱處防排水施工，排水系統(tǒng)所采用的透水盲管都是單壁波紋管，外包土工布。仰拱模架采用以桁架為主，仰拱弧形模架，液壓系統(tǒng)，行走系統(tǒng)等組成的自行式液壓弧形模架。自行式仰拱腹模板如圖1所示。仰拱腹模和端頭鋼模安裝完成后，再對模板進(jìn)行復(fù)測檢查，檢查無誤后，依次由下往上逐層澆筑混凝土，通過溜槽對仰拱混凝土進(jìn)行分窗振搗。

圖1 自行式仰拱腹模示意圖

（2）拱墻二次襯砌

在進(jìn)行拱墻襯砌施工前，先進(jìn)行初支斷面復(fù)查，初支的表面平整度符合D/L≤1/20的要求[D為初支基面相鄰兩個(gè)凸面的深度（m），L是基面上相鄰的兩個(gè)凸面之間的間隔（m），L≤1m]。模板臺車用于襯砌主模板，組合式鋼模板用于端頭封堵。混凝土對稱式澆筑，左右兩側(cè)混凝土面高差不大于0.5 m，前后高差不大于0.6 m。自模板窗口由下向上，分層對稱澆筑。傾落自由高度不大于2.0 m，連續(xù)進(jìn)行混凝土澆筑[3]。

（3）拱頂帶模注漿

在澆筑拱墻的模板臺車上拱頂位置中心線縱向設(shè)置一定數(shù)量的注漿管（活性粉末混凝土RPC注漿管），注漿管用法蘭安裝固定，在二襯混凝土沖頂結(jié)束后，對拱頂及時(shí)進(jìn)行注漿。

澆筑拱頂混凝土?xí)r，注意觀察各個(gè)注漿孔是否泌漿，也可以用圓鋼來觀察管內(nèi)的出漿情況，以確定澆筑的混凝土是否到達(dá)了注漿管出漿口位置。在澆筑過程中同時(shí)利用拱頂?shù)臄z像頭對澆筑過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。只有每個(gè)注漿孔都均勻出漿且端模的混凝土飽滿，才視為拱頂混凝土澆筑合格。最后拱頂混凝土澆筑完成后，及時(shí)對注漿孔進(jìn)行清理并采取防堵措施。

4 不良地質(zhì)地段輔助措施

4.1 軟弱破碎圍巖（含斷層破碎帶）地段

采用地質(zhì)素描、TSP203、超前鉆孔探測、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，了解工作面前方地質(zhì)、地下水情況。富水地層進(jìn)行超前鉆孔釋放水流，并進(jìn)行注漿封堵，防止地下水影響施工安全。開挖采用控制爆破技術(shù)，短進(jìn)尺、弱爆破，特別松散的圍巖采用局部松動爆破或利用挖掘機(jī)、風(fēng)鎬等進(jìn)行開挖。開挖方法采用小斷面開挖，掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5～1.0 m之間。采用超前小導(dǎo)管、管棚、鋼架、錨網(wǎng)噴等多種支護(hù)手段，構(gòu)成強(qiáng)支護(hù)體系；并根據(jù)拱頂下沉、凈空位移和鋼架內(nèi)力等監(jiān)控量測結(jié)果評價(jià)支護(hù)的可靠性和圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。開挖后隨即澆筑仰拱，形成封閉結(jié)構(gòu)；復(fù)合式襯砌根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果確定施作時(shí)間。

4.2 危巖落石地段

采用抗滑樁進(jìn)行處理，危巖落石按清除處理。隧道進(jìn)洞前首先按設(shè)計(jì)對滑坡、巖堆進(jìn)行加固整治，加固處理完成后再進(jìn)行洞口施工。并對洞口的危巖落石進(jìn)行現(xiàn)場踏勘、核實(shí)，確定危巖落石處理范圍、危巖落石節(jié)理發(fā)育等情況，核對與設(shè)計(jì)地質(zhì)情況是否相符、危巖落石處理加固措施是否能達(dá)到安全要求，必要時(shí)需報(bào)請建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理共同現(xiàn)場核對進(jìn)行變更加強(qiáng)，情況緊急時(shí)應(yīng)及時(shí)采取措施確保安全。

4.3 順層偏壓地段

開挖前對該段地質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查，進(jìn)一步了解圍巖的特性、走向及其與線路的關(guān)系。順層地帶采用先進(jìn)行預(yù)加固，然后再開挖的方式進(jìn)行。

偏壓隧道的邊坡巖體在開挖時(shí)因受到擾動，其穩(wěn)定性和強(qiáng)度會降低，如還受地下水對其綜合影響，常常容易引起隧道冒頂坍陷，因此須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)組織施工，確保做到隨挖隨護(hù)、寧強(qiáng)勿弱、質(zhì)量可靠、萬無一失，并根據(jù)圍巖量測情況，需要時(shí)及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)。對此，在開挖前一定要進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)，可用小導(dǎo)管進(jìn)行超前注漿支護(hù)。施工階段加強(qiáng)監(jiān)測，主要的監(jiān)測內(nèi)容包含洞內(nèi)、外觀測，地表下沉量測及周邊收斂以及拱頂下沉量測等[4]。

4.4 淺埋地段

部分隧道偏壓淺埋段采用明挖法開挖，其他地段微震爆破法（或非爆破法）開挖，錨、網(wǎng)、噴初期支護(hù)。隧道內(nèi)監(jiān)測網(wǎng)測拱頂下沉、洞內(nèi)凈空水平收斂、鋼架應(yīng)力等；根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果調(diào)整爆破的參數(shù)、支護(hù)的形式，并且采用小導(dǎo)管或者長管棚超前預(yù)注漿加固。采取了上述注漿加固措施，可提高巖體的強(qiáng)度，便于巖體的穩(wěn)定和隧道的掘進(jìn)，在開挖后還可以設(shè)置拱墻格柵鋼架加強(qiáng)支護(hù)。

5 結(jié)論

該文以西安至十堰高速鐵路工程中的友誼隧道為例，介紹了此工程的新奧法的施工難點(diǎn)，新奧法在該工程中的技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)以及講述了在不良地質(zhì)下新奧法施工的輔助措施。該工程中針對隧道的進(jìn)口處采用超前長管棚支護(hù)，洞體Ⅴ級、Ⅳa級圍巖采用Ф89 mm超前管棚支護(hù)，Ⅳb級圍巖采用Ф42 mm超前小導(dǎo)管支護(hù)的超前支護(hù)方案是可行的，在洞身開挖、初期支護(hù)以及二次襯砌施工時(shí)規(guī)范落實(shí)，控制技術(shù)要點(diǎn)，安全圓滿地完成隧道的建設(shè)。該研究可為后續(xù)其他采用新奧法施工的隧道工程提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]陳敏柏.“新奧法”施工技術(shù)在那文隧洞工程的應(yīng)用[J].治淮，2022（5）：56-58.

[2]楊柳斌，李超，黃地義.新奧法在鉛鋅礦巷道支護(hù)中的應(yīng)用[J].四川水力發(fā)電，2023（S2）：73-78.

[3]馬磊.新奧法施工技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用[J].運(yùn)輸經(jīng)理世界，2023（31）：77-79.

[4]譚忠盛，吳金剛.我國隧道鉆爆法施工技術(shù)回顧與展望[J].隧道建設(shè)（中英文），2023（6）：899-920.