新奥法原理

新奥法原理（精选7篇）

新奥法原理 篇1

摘要：目前新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修建隧道的一种基本方法, 技术经济效益是明显的。

关键词：隧道,施工,新奥法,应用,工艺

1新奥法的设计原理

1.1 隧道设计施工的两大理论及其发展过程

20世纪以来, 人类对地下空间的需求越来越多, 因而对地下工程的研究有了一个突飞猛进的发展。在大量的地下工程实践中, 人们普遍认识到:隧道及地下洞室工程, 其核心问题都归结在开挖和支护两个关键工序上。即如何开挖, 才能更有利于洞室的稳定和便于支护;若需支护时, 又如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。这是隧道及地下工程中两个相互促进又相互制约的问题。在隧道及地下洞室工程中, 围绕着以上核心问题的实践和研究, 在不同的时期, 人们提出了不同的理论, 并逐步建立了不同的理论体系。每一种理论体系都包含和解决或正在研究解决了从工程认识概念、力学原理、工程措施到施工方法、工艺等一系列工程问题。一种理论是20世纪20年代提出的传统的“松弛荷载理论”。其核心内容是:稳定的岩体有自稳能力, 不产生荷载;不稳定的岩体则可能产生坍塌, 需要用支护结构予以支撑。这样, 作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。这是一种传统的理论, 其代表人物有泰沙基和普氏等人。它类似于地面工程考虑问题的思想, 至今仍被广泛的应用着。另一种理论是20世纪50年代提出的现代支护理论或称“岩承理论”。其核心内容是:围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力, 不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的。如果在这个过程中提供必要的帮助或限制, 则围岩仍然能够进入稳定状态。这种理论体系的代表性人物有拉布西维兹、米勒-菲切尔、芬纳-塔罗勃和卡斯特奈等人。这是一种比较现代的理论, 它已经脱离了地面工程考虑问题的思路, 而更接近于地下工程实际。近半个世纪以来已被广泛接受和推广应用, 并且表现出了广阔的发展前景。由以上可以看出, 前一种理论更注意结果和对结果的处理, 而后一种理论则更注意过程和对过程的控制, 即对围岩自承能力的充分利用。由于有此区别, 因而两种理论体系在过程和方法上各自表现出不同的特点。新奥法是岩承理论在隧道工程实践中的代表方法。

1.2 新奥法

新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称原文是New Austrian Tunnel-ling Method, 简称为NATM。它与法国称收敛约束法或有些国家所称动态观测设计施工法的基本原则一致。新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹教授于20世纪50年代提出的。它是以既有隧道工程经验和岩体力学的理论为基础, 将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法。经奥地利、瑞典、意大利等国的许多实践和理论研究, 于20世纪60年代取得专利权并正式命名。之后这个方法在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速的发展, 已成为现代隧道工程新技术的标志之一。我国近40年来, 铁路等部门通过科研、设计、施工三结合, 在许多隧道修建中, 根据自己的特点成功地应用了新奥法, 取得了较多的经验, 积累了大量的数据, 现已进入推广应用阶段。但在公路部门新奥法的应用仅为50%左右。目前新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修建隧道的一种基本方法, 技术经济效益是明显的。新奥法的基本要点可归纳如下。

(1) 岩体是隧道结构体系中的主要承载单元, 在施工中必须充分保护岩体, 尽量减少对它的扰动, 避免过度破坏岩体的强度。为此施工中断面分块不宜过多, 开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。

(2) 为了充分发挥岩体的承载能力, 应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形, 使围岩中能形成承载环;另一方面又必须限制它, 使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构。例如:锚喷支护等。这样, 就能通过调整支护结构的强度、刚度和它参加工作的时间, 包括闭合时间, 来控制岩体的变形。

(3) 为了改善支护结构的受力性能, 施工中应尽快闭合, 而成为封闭的筒形结构。另外, 隧道断面形状应尽可能圆顺, 以避免拐角处的应力集中。

(4) 通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测, 合理安排施工程序、进行设计变更及日常的施工管理。

(5) 为了敷设防水层或为了承受由于锚杆锈蚀、围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载, 可采用复合式衬砌。

(6) 二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的, 围岩和支护结构形成一个整体, 因而提高了支护体系的安全度。

上述新奥法的基本要点可扼要的概括为“少扰动、早喷锚、勤量测、快封闭”。

1.3 用一个弹簧来理解新奥法原理

(1) 洞室边缘某一点A在开挖前具有原始应力, 自重应力和构造应力, 处于一个平衡状态。如同一根弹性刚度为K的弹簧在P0作用下处于压缩平衡状态。

(2) 洞室开挖后, A点在临空面失去约束, 原始应力状态要调整, 如果围岩的强度足够大, 那么经过应力调整, 洞室可处于稳定状态, 不需支护。然而大多数的地质情况是较差的, 即洞室经过应力调整后, 如不支护就会产生收敛变形, 甚至失稳、塌方。所以必须提供支护力PE, 才能防止塌方失稳。等同于弹簧产生了变形u后, 在PE作用又处于平衡状态。

(3) 由力学平衡方程可知, 弹簧在P0作用时处于平衡状态, 弹簧在发生变形u后, 在PE的作用下又处于平衡状态, 假设弹簧的弹性系数为K, 则有P0=PE+Ku讨论。

1) 当u=0时, P0=PE即不允许围岩变形, 采用刚性支护, 不经济。

2) 当u↑时, PE↓, 当u↓时, PE↑。即围岩发生变形, 可释放一定的荷载, 卸荷作用, 所以要允许围岩产生一定的变形, 以充分发挥围岩的自承能力。是一种经济的支护措施, 围岩的自稳能力P=P0-PE=Ku。

3) 当u=umax时, 发生塌方, 产生松驰荷载, 不安全。

1.4 要 点

(1) 围岩是受洞室开挖影响的那一部分岩 (土) 体, 围岩是三位一体的, 即产生荷载、承载结构、建筑材料。

(2) 隧道是修筑在应力岩体中的, 具有特殊的建筑环境, 不能等同于地面建筑。

(3) 隧道结构体系=围岩+支护体系。

2新奥法在公路施工中的基本方法

新奥法的特征之一是采用现场监控、量测信息指导施工。即通过对隧道施工中量测数据和对开挖面的地质观察等进行预测、预报和反馈。并根据已建立的量测为基准, 对隧道施工方法、断面开挖步骤及顺序、初期支护的参数等进行合理调整, 以保证施工安全。坑道围岩稳定、工程质量和支护结构的经济性等。笔者对承 (承德) ——赤 (赤峰) 东线茅荆坝隧道采用新奥法基本施工方法作了调查总结, 综合出公路隧道采用新奥法施工的种类及选用不同基本施工方法的特点及注意事项。

2.1 隧道施工方法的选择

主要根据工程地质及水文地质条件、施工条件、围岩类别、隧道埋置深度、隧道断面尺寸大小和长度衬砌类型, 应以施工安全为前提及以工程质量为核心, 并结合隧道的使用功能、施工技术水平、施工机械装备、工期要求和经济可行性等因素综合考虑研究选用。当选择施工方法因隧道施工对周围环境产生不利影响时, 也应把隧道工程的环境条件作为选择施工方法的因素之一, 同时应考虑围岩变化时施工方法的适用性及其变更的可能性, 以免造成隧道工程失误和增加不必要的工程投资。采用新奥法施工时, 还应考虑施工全过程中的辅助作业方式和对围岩变化的量测监控方法, 以及隧道穿越特殊地质地段时的施工手段等进行合理的选择。

2.2 新奥法隧道施工方法

新奥法施工的隧道常用方法大致分为全断面法、台阶法和分部开挖法三大类及若干变化方案。

2.2.1 全断面法

即全断面开挖法, 是指按设计开挖面一次开挖成型。其开挖顺序是全断面开挖, 锚喷支护, 灌筑混凝土衬砌。常选用于Ⅳ～Ⅵ类硬岩的石质隧道。该法可以采用深孔爆破。全断面开挖法有较大的作业空间, 有利于采用大型配套机械化作业, 提高施工速度, 且工序少、干扰少, 便于施工组织和管理。缺点是由于开挖面积较大, 围岩相对稳定性降低, 且每循环工作量相对较大, 因此就要求施工单位应具有较强的开挖、出碴与运输及支护能力。茅荆坝Ⅵ、V类围岩中采用了全断面开挖, 达到了预期效果。全断面施工开挖工作面大, 钻爆施工效率较高, 采用深眼爆破可加快掘进速度, 且爆破对围岩的振动次数较少, 有利于围岩稳定。缺点是每次深孔爆破震动较大, 因此要求进行精心的钻爆设计和严格控制爆破作业。全断面开挖法的主要工序是:使用移动式台车或者台架, 首先全断面一次钻孔, 并进行装荷连线, 然后将钻孔台车后退到50m以外的安全地点, 再起爆, 使一次爆破成型, 出碴后钻孔台车再推移至开挖面就位, 开始下一个钻爆作业循环, 同时进行锚喷支护或先墙后拱衬砌。

2.2.2 台阶法

台阶法一般是将设计断面分成上半断面和下半断面两次开挖成型。其开挖顺序是上半部开挖拱部锚杆喷射混凝土支护, 拱部衬砌, 下半部中央部分开挖, 边墙部分开挖, 边墙锚杆喷射混凝土支护及衬砌。该方法多适用于Ⅱ、Ⅲ类较软而节理发育的围岩中, 可分别采用添加变化方案。

长台阶法:上下台阶距离较远, 一般上台阶超前50 m以上, 施工中上下部可配属同较大型机械进行平行作业, 当机械不足时可以交替使用, 当遇短隧道时, 可将上部断面全部挖通后, 再挖下断面。该法施工时干扰较少, 可进行单工序作业。

短台阶法:上台阶长度5～50 m, 适用于Ⅱ、Ⅲ类围岩。可缩短仰拱封闭时间, 改善初期支护受力条件, 但施工干扰较大。当遇到软弱围岩时需慎重考虑, 必要时应采用辅助开挖措施稳定开挖面, 以保证施工安全。

超短台阶法:上台阶仅超前3～5 m, 断面闭合较快。此法多用于机械化程度不高的各类围岩地段, 当遇到软弱围攻岩时需慎重考虑, 必要时应采用辅助施工措施稳定开挖工作面, 以确保施工安全。

台阶开挖的特点在于:一是台阶开挖宜采用轻型凿岩机打眼, 而不宜采用大型凿岩台车;二是台阶法开挖具有足够的作业空间和较快的施工速度。台阶有利于开挖面的稳定性。尤其是上部开挖支护后, 下部作业较为安全;三是台阶法开挖的缺点是上下部作业互相干扰。应注意下部作业时对上部稳定性的影响台阶开挖会增加对围岩的扰动次数。

2.3 分部开挖法

分部开挖法可分为五种变化方案:台阶分部开挖法、上下导坑法、上导坑超前开挖法、单 (双) 侧壁导坑法。是将开挖断面进行分部开挖逐部成型, 并且将某部分超前开挖, 故此可称为导坑超前开挖法。

台阶分部开挖法:适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩地段, 其优点与超台阶法相比, 台阶可以加长, 一般双车道隧道为1倍洞跨, 单车道隧道为2倍洞跨, 而较单 (双) 侧臂导坑法机械化程度高, 可加快工程进度。

上下导坑超前开挖法:即上、下导坑先拱后墙法。此法适用于Ⅱ、Ⅲ类围岩, 在松软地层开挖隧道, 一般宜采用上下导坑超前开挖先拱后墙法。其优点是:导坑超前开挖, 利用提前探明地质情况, 便于改变施工方法。工作面多, 便于拉开工序, 适用于安排劳动力与使用小型机械施工。该方法缺点是:上下导坑断面小, 则施工速度慢, 施工工序较多, 使施工组织和管理难度大。

单侧臂导坑法:围岩稳定性较差, 隧道跨度较大, 地面沉陷难以控制时采用此方法。其特点是:有正台阶法和双臂导坑法的优点。

双侧臂导坑法:适用于浅埋大跨度隧道, 地表下沉量要求严格, 围岩特别差时采用。此法优点是:施工安全可靠, 但施工速度较慢, 造价高。

3隧道主要施工工艺

3.1 洞口段施工

(1) 边仰坡开挖。

全站仪测量放样, 利用挖掘机自上而下逐段开挖, 不得掏底开挖或上下重叠开挖, 清除洞口与上方有可能滑塌的表土、灌木及山坡危石等, 石质地层仰坡开挖需要爆破时, 应以浅眼松动爆破为主。局部也可人工配合修整, 开挖时应随时检查边坡和仰坡, 如有滑动、开裂等现象, 应适当放缓坡度。

(2) 成洞面支护。

仰坡刷坡完成后, 及时用坡度板检查坡度, 待坡度检查合格后, 及时打设系统锚杆, 并将锚杆头外露, 挂设金属扩张网与锚杆头焊接成整体。挂网完成后立即喷射混凝土, 并反复喷射, 直到达到设计厚度为止。

(3) 截水沟施工。

在距仰坡坡口5 m处开挖截水沟, 截水沟开挖以机械为主, 人工配合修整, 修整完后, 立即砌筑7.5#浆砌片石, 并用砂浆抹面。

3.2 辅助施工

(1) 长管棚。

套拱施工、施工放样、模板安装、钢筋绑扎、导向管放样、127导向管安装、浇注混凝土。钢管规格:热扎无缝钢管ϕ108 mm, 壁厚6 mm, 节长3 m或6 m。管距:环向间距50 cm, 倾角或仰角1°, 实际施工按2°施工, 方向与线路中线平行。钢管施工误差:径向不大于20 cm, 隧道纵向同一截面内接头数不大于50%, 相邻钢管的接头至少错开1 m。

1) 管棚施工方法。

测量人员准确放样, 标出洞中心线及拱顶标高, 开挖预留核心土作为管棚施工的工作平台, 开挖进尺为2.5 m。开挖结束后, 人工两边对称开挖, 品字型工作平台, 台阶宽度1.5 m, 高度2.0 m, 作为施工套拱和管棚施钻的平台。管棚应按设计位置施工, 应先打有孔钢花管。注浆后在打无孔钢花管, 无孔管可作为检查管, 检查注浆质量, 钻机立轴方向必须准确控制, 以保证孔口的孔向正确。每钻完一孔便顶进一根钢管, 钻进中应经常采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度, 发现偏斜超过设计要求, 及时纠正。钢管接头采用丝扣连接, 丝扣长15 cm, 为使钢管接头错开, 编号为奇数的第一节管采用3 m钢管, 编号为偶数的第一节管采用6 m钢管, 以后每节均采用6m长钢管。

2) 管棚施工机械。

钻孔机械:配备XY-28-300电动钻机, 钻进并顶进长管棚, 注浆机械BW-250/50型注浆泵2台, 采用水泥-水玻璃浆液。水泥浆与水玻璃体积比1∶0.5, 水泥浆水灰比1∶1, 水玻璃浓度35波美度, 水玻璃模数2.4, 注浆压力初压0.5～1.0 MPa, 终压2.0 MPa。

(2) 小导管。

1) 超前小导管采用外径42

mm、壁厚3.5 mm的热扎无缝钢管, 钢管前端呈尖锥状, 尾部焊上ϕ6加劲箍, 管壁四周钻φ8 mm压浆孔, 但尾部有1 m不设压浆孔, 超前小导管施工时, 钢管与衬砌中心线平行以10°～30°外插角打入拱部围岩, 钢管环向间距20～50 cm。每打完一排钢管后, 应立即喷浆封闭开挖面, 然后注浆, 注浆后, 架设钢拱架, 初期支护完成后, 每隔2～3 m试图纸而定, 再另打一排钢管, 超前小导管搭接长度一般为1.0 m。

2) 注浆参数:

水泥浆与水玻璃体积比1∶0.5, 水泥浆水灰比1∶1, 水玻璃浓度35波美度, 水玻璃模数2.4, 注浆压力0.5～1.0 MPa, 必要时在孔口设置止浆塞。

(3) 超前锚杆。

外插角必须大于14°, 注浆饱满, 搭接长度不小于1 m。

3.3 预埋件施工

预埋件按设计尺寸采用木版作成设计形状, 安装于二衬魔板台车中, 且位置准确, 误差±50 cm, 固定牢固不得晃动, 有管的必须中间穿铁丝通过。

3.4 调平层施工

模板安装的要求:在调平层两侧预先标定的位置上安装模板。侧模采用[10#槽钢模板顶面标高应与相应里程的路面标高一致, 允许偏差±2 mm, 用水准测量调整、确定标高。模板每隔一定距离内外固定, 保证不位移, 模板的接头应紧密平顺, 不得有缝、歪斜和不平整等现象, 模板接头及底部均不得漏浆。浇注混凝土前, 底层混凝土面上必须清洗干净。当混凝土运达施工地点时, 直接倒向安装好模的路槽内, 并用人工找补均匀。摊铺时应考虑混凝土振捣后的沉降量。虚高可高出10%, 使震实后的面层标高与设计相符。混凝土振捣时靠近边角等处用插入式振捣器顺序振捣, 用平板式振捣器纵横交错全面振捣, 每个位置的捣时间以混凝土不再下沉, 不再冒出大量气泡, 并以在表面出现水泥砂浆为准, 一般不少于15 s, 亦不宜过长。然后用振捣梁沿纵向振捣拖平, 多余的混凝土随着振捣梁的拖移被刮去, 低陷处则应随时找平振实。最后用直径75～100 mm的无缝钢管滚压, 作进一步整平。严禁在刚做好的面层上洒水、撒水泥。

3.5 水、电缆沟施工

安设沟墙钢筋, 要求位置准确, 必须挂线施工。安设沟墙摸板, 要求摸板位置准确, 纵向一条线。最大矢度不大于3 mm, 模板面与沟墙顶面齐, 经检查合格后方可灌注混凝土, 在靠原边墙侧部分必须凿毛, 并注意预埋件的位置准确。模板采用定型摸板。

3.6 洞门施工

清理现场, 进行施工放样, 按设计尺寸要求挖端墙基础。砌筑M7.5#浆砌片石。模板安装, 要求摸板位置准确, 纵向一条线, 并及时检查模板坡度。浇注混凝土或15#片石混凝土, 待混凝土强度达到70%以上进行明洞拱顶回填。明洞拱顶回填应对称分层夯实。每层厚度不大于0.3 m, 其两侧回填面高差不大于0.5 m, 回填至拱顶平齐后分层压实至设计高度, 使用机械碾压时, 必须用人工夯填至拱顶1.0 m以上, 方可采用机械夯实。

3.7 施工过程安全及环保的控制

进洞必须佩带安全帽、防止坠落, 洞内车速限制5 km、照明必须每10 m一灯、火攻品材料存放必须规范, 派专人看管。弃渣场地必须排水通畅、且必须砌筑挡墙, 防止洪水形成泥石流。

3.8 施工过程中已发生问题的处理

二衬施工完毕后渗水的处理, 细小裂缝用丙烯酸、水泥浆或环氧树脂等涂刷和嵌缝, 效果较理想, 对较大裂缝, 可用10号水泥砂浆或膨胀水泥砂浆嵌缝较合适有效, 对大裂缝缝宽大于5 mm, 若有渗漏水可用切割机沿裂缝切割一宽2～4 cm左右小槽深度大约10 cm以上, 在水源处, 切割一5×5 (cm) 的小洞室, 然后把水管插入一块4×4 cm MF7塑料盲沟内, 一同压入切割好的槽内, 把水引入纵向排水沟, 最后用水泥与水玻漓混合砂浆封闭切割槽, 若无渗水, 宜用环氧树脂砂浆, 或采用压浆、钢筋网喷射混凝土等补强。

4工程实例

新奥法的引进是从锚杆和喷混凝土一类“主动型”的新型支护技术的推广使用开始的。中国的隧道工程师就接受了新奥法。在国内举行的隧道及地下工程学术会议上, 新奥法经常成为热门话题。工程师们对新奥法的津津乐道是有理由的运用新奥法原则, 已经成功地在软弱围岩中和困难条件下修建了各种类型的地下工程。

修建在砂夹砾石松散地层中的北京地铁复兴门折返段隧道就是一个典型的例子。该隧道位于北京最主要的街道——长安街下, 长358 m, 最大开挖断面高9 m, 宽14.5 m, 隧道顶部复盖地层最小厚度仅9.0 m。隧道采用部份断面掘进机开挖, 格栅拱加强的喷混凝土初期支护以及小导管预支护, 在不影响地面交通, 确保地下管线安全的情况下修建成功。在这个工程中所取得的经验, 使中国工程师认识到, 运用新奥法原则可以将一般用于山岭隧道的矿山法的应用范围拓展到在软弱围岩, 甚至于在第四系地层中的浅埋市政隧道以取代传统的明挖法或盾构法。在中国, 这种方法称之为“浅埋矿山法”。

继复兴门折返线隧道以后, 同样在砾夹卵石的冲积层中又用浅埋矿山法修建了跨度为21.67 m的西单地铁车站。在修建位于长安街下的北京地铁新线工程时, 浅埋矿山法被选择为主要的施工方法。例如:北京地铁天安门西站, 长226 m, 为双层两柱式结构。广州地铁东段也是采用浅埋矿山法修建的。经验证明, 从地面环境的保护, 地表沉降的控制, 以及造价、工期等角度看, 浅埋矿山法同明挖法或盾构法相比都具有一定的竞争力。

中国工程师从欧洲引进了新奥法, 并且结合中国的情况对新奥法及其相关技术, 诸如支扩手段、量测和监控技术等作了进一步的开发。作为新奥法的一项重要背景技术的喷混凝土在中国已经被广泛使用。

同国际上的情况一样, 为了解决长期以来困扰着人们的粉尘污染环境, 回弹严重以及混凝土品质的不均匀性等问题, 正在大力推行湿喷工艺。最近由铁道科学研究院西南分院开发了一种“转子-活塞”型的新型喷射机, 这种机型采用湿喷工艺, 即往机器中加入按配合比制备好的成品混凝土拌和料, 但物料输送又区别于一般的泵送式湿喷机, 采用稀薄流输送方式。因此机器结构紧凑, 使用方便。目前已在国内推广。可以毫不夸张地说, 新奥法的推行确实引起了矿山法修建技术在开挖方法、施工技术乃至于隧道设计思想方面的重大变革。尽管如此, 仍然应该说我国推行新奥法的情况并不尽如人意。在诸多工程中也不乏失败的实例。

除了施工管理、质量控制和相关技术的掌握等方面的原因外, 主要在于隧道工程师们有时对新奥法的实质缺乏正确的理解。对于“新奥法”一词的内涵, 人们的认识有一个发展的过程。诚如它的名词本身——New Austrian Tunnelling Method所表述的那样。新奥法的创始人最初是将它作为一种同新型支护相关的隧道修建方法提出来的。但后来发现, 将新奥法拘泥于一种特定的施工方法或具体的支护技术将会使其推行受到很大的局限。于是, 在一些文献中强调新奥法是一种“概念”、“哲学”、“原则”或“途径”, 而不是一种固定不变的具体施工方法或技术。阐明这一点, 有重要的现实意义。

事实上, 在一些工程中, 由于照搬某些新奥法工程中具体施工方法而不注意结合本工程的实际来体现新奥法的原则而遭到失败。笔者经历过一个软弱围岩中的特浅埋隧道施工, 在使用新奥法的过程中曾发生地表的大坍塌。其原因种种, 其中有一条就是照搬某些高地应力地层中隧道的做法, 片面强调支护的柔性, 强调在初期支护施作后要尽可能让变形释放, 而没有及时施作二次支护。

那么, 什么是新奥法概念的内涵, 有人归结为22条, 有人归结为7条。其实, 只有一条, 那就是保护围岩、调动和发挥围岩的自承能力。从这样一个原则出发, 可以根据隧道工程具体条件灵活地选择开挖方法、爆破技术、支护形式、支护施作时机和辅助工法。至于对围岩变形的控制, 根据不同情况, 有时应强调释放、有时应强调限制。其目的都是为了“保护围岩”调动和发挥围岩的自承能力。

新奥法隧道施工技术 篇2

隧道工程在交通运输中占了举足轻重的地位。目前我国隧道施工技术主要有以下几种:盾构法、矿山法、新奥法。新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称, 新奥法是以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础, 将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法, 经过一些国家的许多实践和理论研究, 于60年代取得专利权并正式命名。六十年代此法被介绍到我国, 七十年代末八十年代初得到迅速发展。新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法。

1 新奥法技术的原理

(1) 围岩是隧道结构的主要承载部分。 (2) 为使围岩在开挖卸载后不失去原有的强度, 应在开挖后对围岩进行加固。 (3) 隧道围岩支护过程中, 一方面允许围岩有一定的位移, 从而产生受力区;另一方面, 又必须限制围岩位移的程度以避免围岩变形过大而产生严重松弛卸载。 (4) 围岩自稳时间, 一方面依靠对围岩地质条件的初步调查, 另一方面可通过在建造过程中量测隧道周边的位移来评定。 (5) 初次支护的建造应是适时的, 使围岩在开挖后延时一定时间来得及变形并形成承力保护区, 以达到较好的支撑效果。 (6) 初次支护主要作用是保持围岩的自承状同, 防止严重的松弛和卸载, 而不是用来承担隧道围岩所失去的承载力。 (7) 由于喷射混泥土本身具有强度高和轻度变形的特点, 其整体的结构效应通常可视为薄壳, 具有可塑性和收缩的能力。 (8) 由于喷射混凝土具有可填平洞壁不平整面、与围岩紧密结合等特点, 使围岩不发生严重的应力重分布, 常被用来作为初次支护, 必要时还使用锚杆、钢筋网和钢拱架。 (9) 初次支护只要没有被腐蚀破坏, 即可视为整体承重结构的一部分。 (10) 施工方法决定了孔洞从开挖到封闭所需的时间, 围岩的变化可经过施工前的地质调查资料进行估计, 很难定量解释, 施工过程中通过测量来控制和修改。 (11) 设计的隧道横截面应尽可能接近圆形或椭圆形, 因为, 从静力学的角度来看, 隧道横截面为圆形时受力条件最为有利, 严格限制超挖和欠挖, 隧道开挖后需及时建造仰拱以形成封闭结构。 (12) 应特别注意施工过程中工程荷载对隧道受力的影响。应尽可能减少开挖次数, 或拱部采用一次开挖方案, 为了尽量限制开挖后隧道围岩二次应力重分布程度和松动圈的范围。 (13) 建造薄层内衬砌, 以提高隧道结构的安全性及达到密封的效果, 使结构内不产生过大的弯曲应力, 内层与外层相互之间只传递压力。 (14) 外源水压和静水压力的控制可通过在外壳 (必要时也在内壳) 上设置软管及足够的密封排水装置来实现。 (15) 对整体结构系统的稳定性、安全度评价和设计结构需要加强的必要性以及设计结构刚度的大小, 均根据建造过程中的应力及变形状态的测量结构来确定。 (16) 为了提高衬砌的强度, 一般不增加其厚度而增加钢筋含量 (即钢拱) ;增大整个结构的刚度可通过增加锚杆的根数或长度以形成围岩受力环区来实现。

2 新奥法施工技术

2.1 双连拱隧道新奥法施工

采用单向掘进新奥法施工, 由进口向出口方向掘进。采用明挖法施工明洞段, 采用“三导洞”法开挖正洞, 即先行贯通中导洞, 中隔墙先施工完, 两侧导洞再施工, 拉开左、右导洞达到一定距离。洞身衬砌采用复合式衬砌, 采用网、锚、喷、工字钢架、短管棚、格栅钢架结合长、超前锚杆支护进行初期支护, 二次衬砌采用模筑砼, 初期支护和二次衬砌间铺砌土工布和改性防水板组成的复合防水层。采用凿岩机钻孔掘进, 边墙采用控制爆破, 拱部采用光面爆破, 非电毫秒雷管起爆, 自卸汽车运输, 侧卸装载机装渣。采用模板台车进行二次衬砌, 在拌和站集中拌制砼, 砼机械振捣, 泵送入模, 通风采用自然式通风。

2.2 工艺流程和关键技术

新奥法是以锚杆支护、喷射混凝土为主要支护手段, 柔性薄层由锚杆喷射混凝土支护形成, 与围岩紧密粘结的可缩性支护结构, 允许围岩有一定的协调变形, 而不使支护结构承受过大的压力。

2.2.1 开挖

隧道开挖前, 首先就隧道分部开挖顺序、部位标高进行科学地确定, 然后合理调整各部位的钻眼、装药、爆破等细节系数, 以达到轮廓成形圆顺, 超欠挖最少的效果。

(1) 开挖顺序以及部位的选择 (三步开挖法) 。中导洞及主洞的分部位开挖标高位置确定, 应充分考虑到工程量比例的合理安排、初期支护难度、材料合理应用以及机械设备运转空间等需要来考虑。

1) 工程量比例适当:要求分部位开挖法施工每步工程量要适当, 减少开挖和支护时间, 以便开挖施工的三个部位能形成流水式作业, 充分发挥机械的使用功能。

2) 支护难度考虑:尤其是拱部开挖, 断面空间大小既要考虑到支护材料的合理下料不致于浪费, 又要考虑到工人操作的简单、快速。如拱部工程量断面过大或过小, 给安全施工带来极大隐患, 势必增加出碴、支护的难度和时间。

3) 设备运转空间要求:一般情况下, 拱部不宜断面过大, 拱部开挖标高应能满足装载机在期间能运行自如。

尽量避免初支结束后支点处于不利的受力支点上, 要考虑断面支护结构受力要求。

(2) 钻眼施工。断面轮廓成形的圆顺以及超欠挖的多少受到隧道钻眼好坏的严重影响。而钻眼施工的各工序中, 眼数、布眼角度、眼深、布眼形式等均需根据现场调整系数, 才能达到最理想效果。包括:掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼, 辅助眼、周边眼的眼深要保持一致, 这样才有利于爆破后掌子面平齐, 便于后续施工进行。

(3) 装药爆破。钻眼结束以后, 装药也甚为重要。爆破轮廓由于装药不当而导致成形后出现参差不齐的现象, 甚至引起较大的局部超欠挖。辅助眼药量为二分之一到三分之一眼深的药量, 一般情况下 (2.5m眼深) 掏槽眼装药要足但应适量, 周边眼视围岩裂隙情况可少药甚至不装药 (即采用隔眼装药、预裂爆破) 。

应安排经验丰富的工人进行装药操作, 因为装药工作是个既要有理论又要实践经验的细活。

装药连线应选择不同段别的非电毫秒雷管, 为达到预裂爆破或者光面爆破效果, 不同的眼别采用不同的段别雷管, 最后统一成束由1~2个火雷管引爆。

2.2.2 第一次支护又称为初支, 作业包括:初喷封闭、拱架架立、联网、锚杆施工、复喷混凝土、超前支护。

主要工序有初喷封闭——拱架上立——锚杆施工——复喷结束。

(1) 初喷封闭。爆破后出碴、排险后立即进行对掌子面的裸露岩体进行喷射砼封闭覆盖, 防止小块掉渣伤人, 将炸松岩石裂隙封闭。要求初喷表面外观尽量平顺, 一般喷射砼厚度为5cm, 以便拱架的安装。

(2) 拱架架立。掌子面初喷结束后, 立即进行钢架 (格栅或型钢拱架) 的架立。架立时要求垂直度符合要求, 位置准确, 纵向连接成完整体, 构件连接部位牢固, 钢架底支撑块采用钢板、方木或者砼块垫底, 拱架架立纵向平顺, 横向圆顺。

(3) 锚杆施工。拱架架立完毕, 按设计间距进行锚杆布置。布置时达到整体受力效果, 尽量与钢架连成整体, 通过锚杆将围岩应力变化传递至钢架往四周分散。

锚杆施工前将锚杆施工机具 (双液注浆机、风钻等) 、杆体材料 (中空注浆锚杆、双液浆体) 备好。

锚杆施工顺序:定位——钻眼——清孔、检孔——杆体顶入——安装止浆塞、托板——钢筋网片安装。网片安装紧贴初喷基面上。

如果清孔不彻底、检孔不合格应进行补孔或复钻, 直至达到设计深度及其他要求, 浆液注浆要保证压力、效果。

(4) 复喷结束。喷射砼的补喷应在锚杆施工结束后立即进行, 直至设计厚度。喷射前拌和料要掺加钢纤维搅拌均匀, 在合适位置留出厚度检测点。喷射时先从钢架支撑点开始逐步往拱部方向喷射。

按照设计要求需要或者现场地质不良 (围岩极为破碎) 时, 进入下一循环的开挖施工之前, 为保证施工的安全, 应进行超前支护施工。

超前支护分为三种:砂浆锚杆超前支护、小导管掌子面超前支护以及隧道洞口大管棚的超前支护。

2.2.3 二次支护

二次支护又称二次衬砌。为了确保隧道的安全, 保证隧道工程的长期使用, 要对开挖好的隧道进行衬砌。复合式衬砌是初期支护和二次衬砌组成。初期支护是帮助围岩达到施工期间的初步稳定, 二次衬砌则是提供安全储备或承受后期围岩压力。

必须严格按照新奥法的原则进行复合式衬砌施工, 施工和监测应遵循技术规范的要求和设计图纸规定进行。初期支护力不足时, 除应及时加强初期支护外, 也可以加强二次衬砌参数或提前施作二次衬砌。

二次衬砌采用模筑衬砌方法, 也就是采用模筑砼作为衬砌材料进行内层衬砌。模板台车的生产能力大, 可配合砼输送泵联合作业。浇注时采用长度大于8m的模板台车。它是较先进的模板设备, 但其尺寸大小比较固定, 可调范围较小, 影响其适应性, 且一次性设备投资较大。

(1) 施工前准备。根据隧道中线和标高及断面尺寸, 测量确定初衬立模位置。隧道衬砌施工时, 其中线、标高、断面尺寸和净空大小均须符合设计要求。

轨道铺设应稳固, 其位移和沉降量均应符合施工误差要求。采用整体移动式模板台车时, 实际是确定轨道的位置。轨道铺设和台车就位后, 都应进行位置、尺寸检查。须预留误差量和沉落量, 以保证衬砌不侵入建筑限界, 且要注意曲线加宽。

(2) 浇注模筑混凝土。

1) 施工顺序:仰拱或底板的浇注施工→小边墙的浇注施工→仰拱充填混凝土→拱圈边墙浇注施工→混凝土养护。

2) 仰拱或底板的浇注施工。施工之前, 要清除积水, 杂物和虚渣。超挖部分用同标号混凝土浇注密实。

3) 小边墙浇注施工。首先要把小边墙基底的石渣, 污物和基坑内积水排除干净, 严禁有积水的基坑内浇注混凝土。

4) 拱圈、墙体浇注施工。通过模板台车预留孔由下向上依次灌注。同时两侧应对称和分层灌注混凝土, 每灌注的高度、次序、方向根据搅拌能力灌注速度, 洞内气温和振捣等因素确定。

5) 混凝土养护。砼养护洒水, 二衬砼可采用表面喷雾养护。采用硅酸盐水泥拌制的混凝土, 其养护时间不得小于7d, 掺有外加剂或有抗渗要求的混凝土, 不得小于14d。养护用水的温度与环境温度基本相同。

3 结束语

新奥法施工技术科学合理, 得到了大力的推广, 也引起了隧道设计理念的重大变革。尽管如此, 新奥法在我国的推行情况并不好, 在一些隧道工程的施工中也出现过安全、质量方面的事故, 因此, 必须掌握新奥法的施工技术, 并严格按设计要求施工, 在施工中不断积累施工经验。

摘要：隧道修建技术随着大规模的地下工程建的开展而得到了不断提高, 在此基础上出现了新奥法、挪威法、浅埋暗挖法等更有效的施工方法;本文结合工程实例, 对在隧道施工中应用的新奥法施工技术加以介绍。

关键词：新奥法,隧道,施工技术

参考文献

[1]黄成光.公路隧道施工.人民交通出版社.

[2]李风竣.地下工程新奥法[M].北京:科学出版社, 2009.

新奥法在地下工程中的应用 篇3

1 施工特点

1.1 及时性。

新奥法施工采用喷锚支护为主要手段, 可以最大限度地紧跟开挖作业面施工, 因此可以利用开挖施工面的时空效应, 以限制支护前的变形发展, 阻止围岩进入松动的状态, 在必要的情况下可以进行超前支护, 加之喷射混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。在巷道爆破后立即施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展, 并控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载, 增强了岩层的稳定性。

1.2 封闭性。

由于喷锚支护能及时施工, 而且是全面密粘的支护, 因此能及时有效地防止因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落, 制止膨胀岩体的潮解和膨胀, 保护原有岩体强度。巷道开挖后, 围岩由于爆破作用产生新的裂缝, 加上原有地质构造上的裂缝, 随时都有可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面, 很好的充填围岩的裂隙, 节理和凹穴, 大大提高了围岩的强度。同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用, 隔绝了水和空气同岩层的接触, 使裂隙充填物不致软化、解体而使裂隙张开, 导致围岩失去稳定。

1.3 粘结性。

1.3.1联锁作用, 即将被裂隙分割的岩块粘结在一起若围岩的某块危岩活石发生滑移坠落, 则引起临近岩块的联锁反应, 相继丧失稳定, 从而造成较大范围的冒顶或片帮。开巷后如能及时进行喷锚支护, 喷锚支护的粘结力和抗剪强度是可以抵抗围岩的局部破坏, 防止个别威岩活石滑移和坠落, 从而保持围岩的稳定性。1.3.2复和作用, 即围岩与支护构成一个复合体 (受力体系) 共同支护围岩。喷锚支护可以提高围岩的稳定性和自身的支撑能力, 同时与围岩形成了一个共同工作的力学系统, 具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用, 从根本上改变了支架消极承担的弱点。1.3.3增加作用。开巷后及时进行喷锚支护, 一方面将围岩表面的凹凸不平处填平, 消除因岩面不评引起的应力集中现象, 避免过大的应力集中所造成的围岩破坏;另一方面, 使巷道周边围岩成双向受力状态, 提高了围岩的粘结力和内摩擦角, 也就是提高了围岩的强度。

1.4 柔性。

喷锚支护属于柔性支护, 能够和围岩紧粘在一起共同作用, 由于喷锚支护具有一定柔性, 可以和围岩共同产生变形, 在围岩中形成一定范围的非弹性变形区, 并能有效控制允许围岩塑性区有适度的发展, 使围岩的自承能力得以充分发挥。另一方面, 喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩, 对围岩产生越来越大的支护反力, 能够抑制围岩产生过大变形, 防止围岩发生松动破坏。

2 新奥法的主要支护手段和施工顺序

新奥法是以喷射混凝土、锚杆支护为主要支护手段, 因锚杆喷射混凝土支护能够形成柔性薄层, 与围岩紧密粘结的可缩性支护结构, 允许围岩又一定的协调变形, 而不使支护结构承受过大的压力。施工顺序可以概括为:开挖→一次支护→二次支护。

2.1 开挖。

开挖作业的内容依次包括:钻孔、装药、爆破、通风、出渣等。开挖作业与一次支护作业同时交叉进行, 为保护围岩的自身支撑能力, 第一次支护工作应尽快进行。为了充分利用围岩的自身支撑能力, 开挖应采用光面爆破 (控制爆破) 或机械开挖, 并尽量采用全断面开挖, 地质条件较差时可以采用分块多次开挖。一次开挖长度应根据岩质条件和开挖方式确定。岩质条件好时, 长度可大一些, 岩质条件差时长度可小一些, 在同等岩质条件下, 分块多次开挖长度可大一些, 全断面开挖长度就要小一些。一般在中硬岩中长度约为2-2.5米, 在膨胀性地层中大约为0.8-1.米。

2.2 第一次支护作业包括:

一次喷射混凝土、打锚杆、联网、立钢拱架、复喷混凝土。在巷道开挖后, 应尽快地喷一层薄层混凝土 (3-5mm) 。为争取时间, 在较松散的围岩掘进中第一次支护作业是在开挖的渣堆上进行的, 待把未被渣堆覆盖的开挖面的一次喷射混凝土完成后再出渣。按一定系统布置锚杆, 加固深度围岩, 在围岩内形成承载拱, 由喷层、锚杆及岩面承载拱构成外拱, 起临时支护作用, 同时又是永久支护的一部分。复喷后应达到设计厚度 (一般为10-15mm) , 并要求将锚杆、金属网、钢拱架等覆裹在喷射混凝土内。完成第一次支护的时间非常重要, 一般情况应在开挖后围岩自稳时间的二分之一时间内完成。目前的施工经验是松散围岩应在爆破后三小时内完成, 主要由施工条件决定。在地质条件非常差的破碎带或膨胀性地层 (如风华花岗岩) 中开挖巷道, 为了延长围岩的自稳时间, 为了给一次支护争取时间, 安全的作业, 需要在开挖工作面的前方围岩进行超前支护 (预支护) , 然后再开挖。在安装锚杆的同时, 在围岩和支护中埋设仪器或测点, 进行围岩位移和应力的现场测量。依据测量得到的信息来了解围岩的动态, 以及支护抗力与围岩的相适应程度。

2.3 二次支护。

一次支护后, 在围岩变形趋于稳定时, 进行第二次支护和封底, 即永久性的支护 (或是补喷射混凝土, 或是浇注混凝土内拱) , 起到提高安全度和整个支护承载能力增强的作用, 而此支护时机可以由监测结果得到。

对于底板不稳, 底鼓变形严重, 必然牵动侧墙及顶部支护不稳, 所以应尽快封底, 形成封闭式的支护, 以谋求围岩的稳定。

3 新奥法的实际应用及缺陷

中国从20世纪60年代初开始推广喷锚支护新技术, 到1981年底, 采用喷锚支护的地下工程和井巷的总长度已接近7500公里。新奥法的适用性很广, 中国已在亚粘土和黄土隧道施工中取得成功。但在下列情形下, 一般都应采取适当的辅助措施才能施工: (1) 涌水最大的地层; (2) 因涌水产生流沙现象的地层; (3) 围岩破碎使锚杆钻孔和插入都极为困难的场合; (4) 开挖面不能自稳的围岩。

不可否认, 新奥法也存在不少缺点, 比如:开挖暴露出的地质会立即改变其状态, 因此要求施工地质人员要亲临现场, 以便发现问题;用能控制的施工量测, 往往给施工带来不便;干喷射带来的灰尘以及由于易受化学药品的损害必须加强防护, 尤其是对眼睛的防护, 湿喷虽然可以避免此缺点, 但在同样条件下, 不如干喷那样有效的支护岩体。不过经过工程技术人员和科技工作者的共同努力一定可以把新奥法不断完善, 在我国的现代化建设进程中发挥更加重要的作用。

摘要：由于城市建设中地下建筑功能的不断发展、完善, 以及私家车的大量使用, 地下一层或多层的功能性建筑及地下车库在国民经济生活中扮演着愈加重要的角色。兴建地铁、地下停车场及购物中心等地下项目已成为城市发展的必然方向。本文简要叙述了新奥法特点, 支护手段与施工顺序, 以供工程设计参考。

关键词：新奥法,地下工程,施工

参考文献

[1]东南大学等合编.土力学[M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.

浅谈新奥法施工技术的相关问题 篇4

近年来, 新奥法在我国的公路、铁路、城市地铁中得到更广泛应用。但新奥法在我国运用过程中仍存在不少问题, 主要是对新奥法理解不深, 对新奥法施工的基本原理不熟悉, 施工管理与新奥法的要求有较大的差距等。

1 新奥法的原理

把岩体视为连续介质, 根据岩体具有的粘性、弹性、塑性的物理性质, 并利用洞室开挖围岩应力重分布而产生松动破坏有一个时间效应的动态特点, “适时”的采用薄壁柔性支护结构 (以锚喷支护为主要手段) , 围岩紧密贴合起来共同作用, 从而调动并充分利用了围岩的自身承载能力, 以达到围岩稳定的目的。

2 新奥法的应用中存在的问题

2.1 光面爆破

施工要求采用光面爆破, 尽量降低对围岩的扰动, 而现场施工时由于岩体的多变性, 和专业爆破技术指导人员的缺乏, 往往不能达到理想的爆破效果。

2.2 锚喷支护

1) 初喷:初喷指在隧道开挖完成后, 先对开挖暴露出的围岩进行喷射混凝土支护, 厚度约为3cm。而在现场施工中, 为了减少施工工序, 加快施工进度, 一般没有哪个施工队伍去这样做。

2) 锚喷由于施工工艺和操作人员的原因, 喷射混凝土时厚度极不均匀现象时有发生, 起拱线以上至拱顶由于喷射混凝土回弹量大等原因, 厚度往往达不到设计要求。

2.3 与围岩密贴程度

初期支护要与围岩密贴是新奥法施工中所要求的, 达到与围岩共同承载的目的。但在现场施工检查中, 设计支护采用锚杆+钢筋网片+钢花拱或工字钢架+喷射混凝土时, 因喷射混凝土不便或喷射方式等原因, 其后面常存空洞。

2.4 现场量测

由于各种原因, 现场量测方法不完善或不及时, 满足不了施工进度的需求, 这是不少坍塌事故没有避免的一个主要原因。

2.5 支护时间的两个极端

1) 在岩体内应力达到峰值前支护已经到位, 岩体的进一步变形受阻, 构成岩体与围岩支护共同体, 如支护刚度强度足够, 则共同体稳定, 否则共同体失稳;2) 在岩体内应力达到峰值时, 支护未及时架设, 甚至岩体破裂充分发展, 支护仍未起作用而导致围岩失稳在现场施工中, 两种情况常有发生, 有不少塌方故都是由于后者原因造成的。

2.6 不能及时判定围岩变化

由于工程岩体的复杂性, 具有不连续性、非均匀性、各项异性、环境赋存性等特点, 不同工程类别的围岩稳定程度有较大差别, 同一工程相同类别的围岩其稳定程度也不尽相同, 甚至有较大差别。再者又由于勘查时不够细致或有预测不到的围岩变化情况发生, 这就需要在施工时根据围岩情况对支护措施做出适当改进。然而现场工程地质方面技术人员往往相对缺乏, 不能够及时做出判断改进, 只有当围岩失稳事故发生后再会同设计单位进行会谈变更往往陷入被动局面。

3 新奥法施工应注意的问题

3.1 选择合适的开挖方法

为避免多次扰动围岩, 新奥法隧道施工应尽可能用大断面、少分块的方法, 尽量减少对围岩的扰动。开为保证洞形园顺, 避免出现超挖或突变, 开挖必须采用光面爆破或预裂爆破, 以减少对围岩扰动范围, 有效地减少超欠挖和应力集中所引起的塌方。

3.2 选择合适的辅助措施

喷射混凝土和锚杆是新奥法的技术基础, 但绝对不能认为新奥法只能用喷射混凝土和锚杆。由于隧道工程地质情况都是推断的, 当开挖面自稳性差时, 应采取辅助措施提高围岩自稳能力。主要有超前锚杆、超前小导管、管棚、地面砂浆锚杆、超前小导管注浆、深孔预注浆、中空注浆锚杆、自进式锚杆等。

3.3 合理进行初期支护, 确保形成完整的自承体系

在新奥法施工中, 主要是通过喷射混凝土、锚杆、钢拱架 (钢格栅) 施作初期支护。及时喷射混凝土可有效控制围岩变形, 抑制围岩的进一步裂化, 维护和调动围堰的自承能力, 这也是新奥法的一个重要特征。隧道开挖后, 应及时对开挖面进行初喷, 以保护围岩。初喷之后再施作锚杆和钢拱架 (钢格栅) , 这既保证施工安全, 又使钢拱架 (钢格栅) 有一个保护层, 要杜绝先打锚杆或先安装钢拱架 (钢格栅) 后再施作初喷混凝土的行为。要注意提高喷射混凝土的质量, 控制好喷射的风压、水压、喷射角度、喷射距离、一次喷射厚度、各喷层间时间间隔、喷射分区、喷射顺序。锚杆施工中要注意锚杆的方向和注浆的饱满性, 提高锚杆的耐久性。锚杆应在围岩发生急剧变形之前施作, 否则作用将明显降低。

3.4 配备有经验的施工人员

新奥法施工不是简单的开挖、喷射混凝土、施作锚杆, 而是在施工过程中, 根据现场开挖暴露出来的地质情况以及量测资料及时调整开挖方法、爆破参数、支护参数等, 因此, 在现场必须有能够根据复杂的地质情况及时做出应变和决策并坚决执行的管理人员、工程师。

3.5 充分利用量测资料

采用新奥法施工的隧道, 必须加强隧道监控量测的管理, 选择责任心强、技术水平高、业务精通的技术人员专门负责监控量测工作。同时, 及时对量测数据进行整理分析, 要采用电子计算机等高科技对量测资料进行采集、整理和分析, 提高数据采集、处理、分析的自动化程度, 提高数据采集水平和数据处理水平, 建立合理的数据分析处理模型, 以保证量测工作正常有效地开展, 保证取得的数据真实可靠。

3.6 完善检测手段, 提高检测水平

新奥法施工队各道工序施工质量要求严格, 因此, 必须要具备完善的检测设备和手段, 配备有经验的、技术水平高的监测人员。

3.7 提高隧道施工机械化水平

隧道施工的出路在于提高施工机械化水平, 应重视设备的选型及配套, 配备满足施工要求的先进的钻爆设备、喷射设备、注浆设备等关键设备。

参考文献

[1]蔡美峰.岩石力学与工程[M].科学出版社, 2002.

新奥法原理 篇5

为确保隧道施工的安全与顺利进行以及地面建筑物和环境的稳定与安全,必须随时掌握施工过程中围岩应力变化、沉降收敛速率和支护力学的动态参数,并收集与反馈施工监控量测信息,以及时调整支护参数和施工工艺与方法。

1 工程概况

大坪地铁车站长198.4 m,结构净宽20.4 m,净高15.3 m。开挖跨度23.0 m,最大开挖高度18.15 m,开挖面积最大达354.18 m2,车站设计为复合式衬砌结构。设计采用双侧壁导坑法施工,分左右侧壁导坑,自上而下分三步台阶进行,上下部导坑相距3 m～6 m,单循环位进尺1.0 m。车站埋深在16 m～17 m,上覆土层主要为厚0.3 m～3.5 m的素填土,下伏厚层状砂岩,车站围岩为砂质泥岩,围岩级别为Ⅲ级,Ⅴ级。

2 监控量测

图1为地铁车站的周边位移与拱顶下沉量测布置图,量测断

面有18条收敛测线和3个拱顶下沉测点。周边位移收敛量测主要是充分掌握施工初期围岩变形状态,拱顶下沉量测主要监测隧道拱顶下沉位移与速度,以预测预报围岩可能发生的坍塌等险情。

2.1 周边位移收敛

图2与图3分别为车站左导坑和核心土开挖后的收敛变化曲线,从收敛时间变化曲线可以看出,位移基本规律大致相同,在开挖的前几天内曲线较陡,随时间的推移逐渐平缓。

通过量测和计算得出不同断面围岩同一部位的收敛平均值和稳定时间,Ⅲ级围岩稳定的时间相对较短,一般为15 d左右,累计收敛值为5 mm左右;Ⅴ级围岩的稳定时间相对较长,一般为20 d左右,累计收敛值为9 mm左右。

值得指出的是,即使是同一级别的围岩也会因为地质情况的不同以及具体的施工工序和施工方法存在差别。

该地铁车站普遍存在上台阶收敛值和速率相对较大,下台阶则相对较小。分析其原因,主要是在施工下台阶时,上台阶的拱顶测点A1位置经过一段时间的变形后会暂时相对稳定,加之及时施作锚杆和初期支护,有效地抑制了围岩的变形。

在核心土开挖过程中,由于开挖前核心土有一定支撑作用,开挖后拱顶位置会失去该支撑作用,要完全依赖围岩的自承能力,所以,开挖上台阶核心土时,变形相对较大属正常情形,并可以将拱顶下沉数据与围岩变形值进行对比,考查是否存在异常数据。从量测结果可以看出,核心土的下台阶开挖,变形相对较小。因为,在下台阶开挖过程中,拱顶的变形已经完成了大部分,所以,收敛值相对较小。

2.2 拱顶下沉量测

一般情况下,用拱部观测计、铟钢尺配合精密水准仪进行量测拱顶下沉。在不良地质和复杂地形环境条件下,拱顶下沉量测更具有实践指导价值,其可以预测预报围岩可能坍塌等一系列险情。但是,在大断面地铁车站量测中,有时用这种方法进行量测具有一定的困难,可在现场实际量测过程中选取一个比较合理的断面,采用拱顶下沉观测与周边位移收敛量测参考对比。量测对比发现,水准仪量测的误差比收敛计量测的误差稍微大一点。

表1为K7+880断面的两种量测方法结果。量测结果分析表明,两种量测方法存在一定的对比性,因此,在用水准仪量测不方便的情况下,可以用收敛计量测,再进行修正。

通过对现场若干个断面观测发现,爆破前后,拱顶下沉受爆破震动影响,最初几天下沉量比较大,但量测结果的及时反馈以及通过减小爆破进尺与10 m范围内增设锚杆等开挖和支护措施的实施,有效控制了拱顶下沉。

注:ΔL为收敛计量测的收敛累计值;ΔLcosα为修正后的收敛累计值

2.3 钢格栅应力应变量测

应力应变量测结果见表2。

量测结果分析表明,格栅的应力大小也是围岩变形的一种体现,围岩变形大,格栅拱架的应力就大;同时,把格栅的应力量测和围岩的变形量测结合起来,就能更准确地反映出设计的合理性、施工参数的合理性以及施工对已开挖部分的影响,并及时加强支护和调整施工参数。

3 结语

1)在复杂地形与不良地质条件下,地铁大断面施工监控量测是一个非常重要的施工环节。隧道施工监控量测对及时掌握与控制开挖初期围岩变形,确保施工安全具有重要的现实指导意义。2)由于施工条件的限制,如爆破后要出渣完毕才能布设量测点和元件,同时,布设测点和安装元件也需要一定的时间,所以,很难及时掌握开挖初期的围岩状态和变形资料。因此,及时布置测点、精准控制量测数据显得尤为重要。3)目前,施工单位在隧道顶部和掌子面围岩完整性较好等情形时,对施工监控量测尚不够重视,这往往容易导致工程问题与事故的发生。

摘要：基于某大断面车站施工,结合地下工程开挖施工监控量测,围绕周边位移、拱顶下沉以及钢格栅与钢拱架应力量测,进行了大断面隧道施工监控量测分析与结果处理,分析指出,当受到施工条件的限制,常规量测方案很难实施时,可适当采用可行的施工监控量测变通的方法。

关键词：地铁车站,大断面开挖,监控量测

参考文献

[1]关宝树.隧道施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]王先义.城市复杂环境条件下超大跨浅埋(超浅)隧道施工中的现场监控量测[J].建井技术,2002(6):22-25.

[3]章劲松,石雷.超浅埋暗挖大跨度隧道监控量测技术[J].安徽建筑工业学院学报,2007(3):2-5.

新奥法原理 篇6

随着交通事业的迅速发展, 公路隧道由于其穿山越岭的优越性, 在高等级公路建设中应用越来越广泛。笔者目前从事宝 (鸡) 天 (水) 高速公路建设工作, 在此就施工的超前预报与施工监控总结了一些自己的认识与体会, 希望对公路隧道施工有所帮助。

2、新奥法

新奥法是应用岩体力学的理论, 以维护和利用围岩的自身承载能力为基点, 采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段进行支护, 使围岩成为支护体系的组成部分, 并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道设计施工的方法和原则。新奥法的核心在于充分利用围岩的自身承载能力, 允许围岩变形同时采取措施抑制其有害变形。地层-支护曲线 (图1) 可以恰当地解释这一原理。在隧道开挖后, 根据支护的施作时机, 支护的方式一般可以划分为3种, 即:立即支护、适时支护和延迟支护。立即支护承受较大的围岩压力;适时支护接近最小的围岩压力;延迟支护承受松散压力, 但这时围岩已经失稳, 支护往往需要更大的刚性, 因而承受的围岩压力比适时支护的更大。

3、施工超前预报

隧道施工中一个突出问题就是如何保护围岩使之充分发挥自身承载能力。要达到这个目的, 在隧道施工之前, 必须充分认识了解围岩, 进行超前地质预报。从目前情况来看, 超前预报主要包括地质超前预报、隧道围岩涌水量预报两个方面的内容。

3.1 地质超前预报

地质超前预报的目的是根据隧道围岩主要工程地质特征、结构特征和完整状态等地质条件, 确定围岩类别, 为局部调整或变更设计、施工计划、保证安全施工提供可靠依据。

在地质调查初测阶段, 应收集隧道工程区内的地形、地质、水文资料, 提供初步设计所需的基础资料。初测阶段调查以地质测绘为主, 辅以必要的钻探、围岩弹性波探测等。在定测阶段, 应全面开展各项调查、勘探和试验工作, 了解岩体力学性能及结构面形状, 提出隧道对围岩类别和水文地质、工程地质条件的评价, 为设计提供计算参数, 对施工方法和相应的技术措施提出原则建议。当隧道工程遇到不良地质、特殊地质时, 还应进行专门调查, 其要求和内容应符合现行《公路隧道勘测规程》的规定。隧道结构是隐蔽工程, 加之在设计过程中很难完全掌握工程、水文地质状况, 存在的客观因素只能在施工过程中采取有针对性的措施, 因此施工前充分把握有关要点做到事前监理、超前控制显得尤为重要。

3.2 隧道围岩涌水量预报

目前, 隧道围岩涌水量的预报方法较多, 但主要分为两种, 近似方法与理论计算方法。

3.2.1 近似方法

这种方法主要包括涌水量曲线方程 (一般称Q-S曲线) 外推法和水文地质比拟法2种。预测时前者以勘探阶段抽 (放) 水试验的成果为依据, 后者则应用类似的隧道水文地质资料来计算, 但两者共同的应用前提是水文地质资料的相似性, 前者要求试验阶段与未来掘进阶段的条件相似, 后者则立足于勘探区与借以比拟的施工区条件一致, 因此, 它们属于近似的预测方法。

3.2.2 理论计算方法

理论计算方法很多, 包括水平衡法、解析法 (地下水动力学法) 、数值分析法、非线性理论方法等。但目前应用最广泛的还是简易水均衡法, 其原理是根据水文地质条件, 一定范围内大气降水的有效渗水补给量的部分或全部涌入隧道, 求出平均涌水量为:

式中:Qc p为隧道平均涌水量:F为地表补给降水量:α为大气降水渗入系数, η为折减系数。

在实际施工中, 还有许多近似简化公式, 既可以满足施工精度要求, 又节约了计算时间, 限于篇幅, 这里就不一一列举了。

4、施工监控

隧道施工过程中围岩的力学性态不仅受到岩石的生成条件和地质作用的影响, 还受到隧道开挖方法、支护类型、支护时机、支护参数等的影响, 寻求正确反映岩体性态的物理力学模型是非常困难的。因此通过施工过程对围岩的实时监控, 对监控数据进行分析和综合判断, 据以判定隧道围岩的稳定状态以及所定支护结构参数和施工的合理性, 进一步完善设计并采取相应的施工对策是非常必要的, 所以监控工作及监控量测结果分析就成为衡量设计、施工是否合理的一项重要工作。

4.1隧道收敛位移量测

隧道收敛位移量测包括拱顶下沉量测、周边收敛量测、地表下沉。周边位移是隧道围岩应力状态变化的最直观反映, 量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息, 根据变化速度可以为二次衬砌提供合理的支护时机。

4.1.1拱顶下沉量测

拱顶下沉主要用于确认围岩的稳定性。在每个量测断面的拱部等间距埋设三个自制的钢筋预埋件。埋设前, 先用小型钻机在待测部位成孔, 然后将预埋件放入, 并用混凝土填塞, 待混凝土凝固后即可量测。量测时需用一把长度适宜的钢卷尺, 尺端连接一个自制挂钩, 挂在测点上, 将尺子铅垂放下, 稳定后用水准仪量测。拱顶下沉量为:

4.1.2 周边收敛量测

位移量测线与拱顶下沉测点布置在同一断面。埋设测点时, 先在测点处用凿岩机开挖直径为40-80 mm, 深为25 mm的孔, 在孔中填满水泥砂浆后插入收敛预埋件, 尽量使两预埋件轴线在基线方向上, 并使预埋件销孔轴线处于铅垂位置, 上好保护帽, 待砂浆凝固后即可量测。各测线相邻2次测量的收敛值为:

Ri为第i次量测的拱顶下沉量 (mm) 。

4.1.3 地表下沉

地表下沉量测的主要目的在于了解下沉范围以及下沉量、下沉量随工作面推进的变化规律、下沉稳定的时间。一般用水平仪量测, 地表下沉测点布置在洞内净空变化量测基线和拱顶下沉量测测点所在断面内, 其纵向间距根据实际情况而定, 每个隧道至少布置两个纵向断面。横断面至少布置11个测点, 两测点的距离为2-5 m。在隧道中线附近测点应布置密些, 远离隧道中线可以疏些。最后根据数据绘制下沉量-时间关系曲线进行分析。

4.2 隧道围岩最终位移的预测

量测数据分析后, 反馈于设计、施工, 新奥法 (理论法) 就是将监控量测与理论计算相结合的反馈分析计算法。根据现场量测结果, 及时绘制位移-时间曲线 (如图2所示) 。

(1) 当位移一时间关系趋于平缓时, 应进行数据处理和回归分析, 以推算最终位移和掌握位移变化规律;

(2) 当位移一时间关系曲线出现反弯点时, 则表明围岩和支护已呈不稳定状态, 此时应密切监视围岩动态, 并加强支护, 必要时应立即暂停开挖, 采取停工加固并进行支护处理。

围岩的初期变位速度与隧道稳定时的最终变形量存在着较密切的关系, 当初变位速度较大时, 一般其最终变形量也相应较大, 反之, 初变位速度较小时, 最终变形量通常也较小。他们之间存在线性关系, 其回归方程为:

式中UM-围岩最终变形量 (m m) ;

-隧道初期变形速度 (m m/d) ;

A, B-回归系数, 该系数与围岩类别, 支护方式以及开挖工艺有关。

5、结语

笔者结合宝天高速公路隧道施工的一些经验, 介绍了新奥法施工的超前预报以及位移监控量测的理论基础。目前基于隧道超前预报与施工监控虽提出了许多理论方法, 但是在全国公路隧道施工过程中还没有较为普遍地应用。加强隧道工程的超前预报工作, 改善施工监测技术, 无疑对我国的隧道建设生产实践具有重大的现实意义。

摘要：在深刻理解新奥法隧道施工的基础上, 从超前预报与施工监控两方面探讨了公路隧道施工, 提出了以现场监控成果为基础的隧道施工信息化分析方法, 对公路隧道施工安全具有一定的指导作用。

关键词：新奥法,隧道施工,信息化分析

参考文献

[1].王忠勋.隧道围岩变形监控量测的实践[J].铁道建筑.2000年

[2].黄成光.公路隧道施工[M].人民交通出版社.2002年

[3].JTJ042-1994.公路隧道施工技术规范[M].人民交通出版社.1995年

新奥法原理 篇7

新奥法是以既有隧道工程经验和岩体力学的理论为基础, 将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法。目前新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修建隧道的一种基本方法, 技术经济效益是明显的。新奥法的基本要点可归纳如下:

(1) 岩体是隧道结构体系中的主要承载单元, 在施工中必须充分保护岩体, 尽量减少对它的扰动, 避免过度破坏岩体的强度。为此, 施工中断面分块不宜过多, 开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。

(2) 为了充分发挥岩体的承载能力, 应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形, 使围岩中能形成承载环;另一方面又必须限制它, 使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构, 例如, 锚喷支护等。这样, 就能通过调整支护结构的强度、刚度和它参加工作的时间 (包括闭合时间) 来控制岩体的变形。

(3) 为了改善支护结构的受力性能, 施工中应尽快闭合, 而成为封闭的筒形结构。另外, 隧道断面形状应尽可能圆顺, 以避免拐角处的应力集中。

(4) 通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测, 合理安排施工程序、进行设计变更及日常的施工管理。

(5) 为了敷设防水层, 或为了承受由于锚杆锈蚀, 围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载, 可采用复合式衬砌。

(6) 二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的, 围岩和支护结构形成一个整体, 因而提高了支护体系的安全度。

上述新奥法的基本要点可扼要的概括为:“少扰动、早喷锚, 勤量测、紧封闭”。

新奥法施工比传统的矿山法施工有许多优点。矿山法施工时, 隧道开挖后受爆破影响, 造成岩体破裂形成松弛状态, 随时都有可能塌落。基于这种松弛荷载理论依据, 其施工方法是采取分割时按顺序开挖, 并要求边挖边撑以保安全, 所以支撑复杂, 材料耗费多, 这种施工方法工作面小, 不能使用大型的凿岩钻孔设备和装卸运输工具, 故施工进度慢, 建设周期长, 机械化程度低, 耗用劳力多, 难以满足隧道建设工期的需要。经过反复方案比对, 结合本隧道的地质实际情况, 选用新奥法施工, 此施工方法在兰州市城市建设中第一次使用。本文重点介绍洞身工程施工的具体做法和体会。

洞身开挖工程是隧道施工中的主体, 根据伏龙坪隧道的洞外地形条件, 决定先从西口进行单头掘进, 即从隧道出口处, 左右线分别开始施工。开挖根据地质条件不同采取爆破法, 计划全部利用人工风镐配合挖掘机进行开挖。侧卸式装载机装渣, 自卸汽车运输。初衬混凝土计划根据施工的需要采取自制。二次衬砌的模筑混凝土采用定制台车、混凝土输送泵泵送入模的方式进行, 以商品混凝土为主。

根据不同的断面及围岩情况, 三车道断面采用侧壁导坑法、上下台阶留核心土法, 在围岩破碎地带必要时采取双侧壁导坑法进行施工。

1 上下台阶留核心土法

二车道断面主要以上下台阶留核心土法及侧壁导坑法施工为主, 对于洞口浅埋段必要时采取双侧壁导坑法进行施工 (见图1) 。

2 交叉中隔壁 (CRD) 法

交叉中隔壁 (CRD) 法施工工序:

(1) (1) 利用上一循环架立的钢架施作超前支护。

(2) 开挖1部。

(3) 施作1部的初期支护和临时支护, 即初喷4cm厚混凝土, 架立钢架 (包括导坑的临时钢架) , 并设置锁脚钢管。

(4) 钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

(2) (1) 开挖2部。

(2) 施作2部的初期支护和临时支护, 即初喷4cm厚混凝土, 架立钢架 (包括导坑的临时钢架) , 并设置锁脚钢管。

(3) 钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

(3) 开挖3部并施作初期支护和临时支护, 步骤和工序同1。

(4) 开挖3部并施作初期支护和临时支护, 步骤和工序同2。

(5) 每一洞室按每循环0.8m掘进。

(6) 拆除开挖尾部靠近二次衬砌仰拱6~8m范围内临时中隔壁钢架, 灌筑该段内Ⅻ部仰拱。

(7) 灌筑该段内Ⅻ部隧道底填充。接长中隔壁临时钢架, 使钢架底支撑于仰拱填充面上。

(8) (1) 根据监控量测结果分析, 待初步支护收敛稳定后, 逐段拆除临时钢架。

(2) 利用衬砌模板台车一次性灌筑Ⅸ部二次衬砌 (拱墙衬砌一次施作) 。

3 双侧壁导坑法

双侧壁导坑施工工序:

(1) A部开挖支护

(1) 施作超前预支护开挖A部。开挖由人工用风镐进行, 一个开挖循环进尺约2.0~3.0m (根据拟设置的型钢钢架纵向间距控制) 。开挖渣料由人工辅助用液压反铲挖装, 自卸汽车运输出渣。

(2) 开挖后立即喷射4cm厚的混凝土, 封闭开挖断面, 以免孔隙水从断面处渗出, 而使土体失稳。

(3) 架立型钢钢架 (包括导坑的临时支撑及横撑) , 并根据需要设置锁脚锚杆。钢架之间的间距按照设计规范及围岩情况确定, 每榀钢架的钢拱纵向用ф22钢筋连接, 钢筋环向间距1.0m。

(4) 施作径向锚杆、挂钢筋网, 然后复喷混凝土至设计厚度。

(2) B部开挖支护

(1) B部开挖主要采用1.0m3液压反铲开挖, 辅助以人工风稿对隧道开挖轮廓线进行整修。开挖循环进尺与A部相同, 开挖渣料由人工辅助用液压反铲挖装, 自卸汽车运输出渣。

(2) 开挖后的临时支护施作与A部相同。

(3) C、D部开挖支护

C部施作方法与A部基本相同, D部施作方法与B部基本相同。

(4) E部开挖支护

(1) 开挖由人工用风镐配合挖掘机进行, 一个开挖循环进尺约0.5~1.0m (根据拟设置的型钢钢架纵向间距控制) 。

(2) 拱部初喷4cm厚混凝土, 架设拱部钢架 (与导坑上部钢架联接) , 然后施作径向锚杆、挂钢筋网, 复喷混凝土至设计厚度。

(5) F部开挖支护

(1) 开挖主要采用1.0m3液压反铲作业, 辅助以人工风稿对临时钢架处进行清理。

(2) 掌子面喷8cm厚混凝土进行封闭, 以免孔隙水从断面处渗出, 而使土体失稳。

(3) F部底面开挖后, 初喷4cm厚混凝土后, 安装钢架, 使整个隧洞钢架形成封闭环。

(6) 逐步拆除临时钢架, 灌注Ⅸ部 (仰拱) 混凝土。待仰拱混凝土达到设计强度后, 灌注Ⅹ部 (仰拱填充) 混凝土。

(7) 根据监控量测结果分析, 待初期支护收敛后, 利用衬砌模板台车一次性灌筑Ⅺ部 (拱墙) 混凝土。

在上述洞身施工中, 监控量测贯穿全过程, 对围岩支护体系的稳定状态进行监测, 为初期支护和二次衬砌设计参数的调整提供依据安全, 是确保施工及结构运营安全, 指导施工程序, 便利施工管理的重要手段, 是施工过程中必不可少的程序。这里不再详述。

综上所述, 通过探讨南山路伏龙坪隧道新奥法施工的应用, 本人有如下体会:

体会一, 隧道施工的关键是选择适合于隧道具体情况的施工方法。应根据地质特点和机械设备等条件, 选用减少围岩扰动、充分发挥围岩的自承作用的开挖方法。

体会二, 施工中, 应按有关规范及标准图的要求, 进行监控量测, 及时反馈结果, 分析洞身结构的稳定, 为支护参数的调整、灌注二次衬砌的时机提供依据。

体会三, 隧道施工应坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤测量、衬砌紧跟”的原则。

参考文献

[1]王梦恕.大瑶山隧道—20世纪隧道修建新技术[M].广州:广东科技出版社, 1994.

[2]易萍丽.现代隧道设计与施工[M].北京:中国铁道出版社, 1997.

[3]公路隧道施工技术规范[S].中华人民共和国交通部, 1994.