公路隧道新奧法設計施工

摘要：本文主要闡述了現代公路隧道的發展概況，特點，新奧法施工設計施工的原理與方法。

關鍵詞：發展概況 特點 新奧法 設計方法 要點

0 引言

二十世紀以來，人類對地下空間的需求越來越多，因而對地下工程的研究有了一個突飛猛進的發展。有關現代公路隧道的修建，始于1927年美國紐約哈德遜河底的荷蘭盾隧道。其后，隨著隧道施工技術新奧法、挪威法、以及TBM等方法的確立，許多伴隨有全橫向式，或半橫向式，或縱向式，或混合式通風方式，以及現代照明和監控技術的長大公路隧道相繼建成。到2000年底，長度超過3.0km以上的公路隧道已有近400座，最長的達24.5km。在大量的地下工程實踐中，人們普遍認識到，隧道及地下洞室工程，其核心問題，都歸結在開挖和支護兩個關鍵工序上。即如何開挖，才能更有利于洞室的穩定和便于支護.若需支護時，又如何支護才能更有效地保證洞室穩定和便于開挖。這是隧道及地下工程中兩個相互促進又相互制約的問題。

1 現代公路隧道的特點

1.1隧道越修越長 隨著道路等級標準的逐漸提高和隧道設計理論和施工技術的不斷改進，公路隧道的修筑長度從上世紀初的二、三公里已發展到現在的數十公里。比較著名的有日本的關越隧道(11.05km)、意大利的勃朗峰隧道(11.6km)，奧地利的阿爾貝銘隧道(13972km)、瑞士的圣哥達隧道(16.82km)，最近通車的挪威奧爾蘭隧道更是長達24.5km。國內公路隧道的修筑雖然才20多年，但發展很快。代表性的有七道梁隧道(1.56km)、梧桐山隧道.(2.328km)、打浦路隧道(2.76km)、大溪嶺隧道(4.10km)、二郎山隧道(4.16km)，近年竣工的秦嶺終南山公路隧道，設計長度為18.004km。這些長大公路隧道的成功修建，除了道路等級標準要求的提高，人們寧繞勿穿觀念的改變外，新的施工工藝，現代通風監控技術和許多成功的經驗起著決定性的作用。

1.2曲線隧道逐漸增多 在新的隧道設計理論和施工技術的推動下，特別是在總結公路隧道運營管理的實踐經驗后，現代公路隧道的選線，已完全打破了過去的寧直勿彎的規則，曲線隧道逐漸增多，國外更是到處可見。正在施工的奧地利巴拉斯基復線隧道，結合地形和環境條件，設計了一段長達1.2km的曲線隧道。曲線隧道的設計，不僅可以避開不良地質，而且對促使行駛中的司機，提高警惕和不受出口“白洞”影響，避免引起交通事故很有幫助。

1.3雙洞取代單洞 由于單洞雙向交通不能充分利用汽車交通風，并且要求通風設備裝機容量增加，特別是單洞雙向交通的事故率遠遠高于雙洞單向交通。故而近十多年來，雙洞單向交通隧道逐漸取代單洞雙向交通隧道。國外目前正在將早期100多座單洞雙向交通隧道，改變為雙洞單向隧道。這對降低通風難度，節約能量，減少事故很有幫助，而且還可以提高交通量，滿足防災救災和備戰的要求。

1.4縱向通風方式占主導地位截至2008年的統計，全世界建成的近400座長度在3 0km以上的公路隧道，20世紀80年代以前的多為全橫向式通風或者半橫向式通風，以歐洲的瑞士、奧地利和意大利為代表。而近20多年，特別是縱向通風方式出現后，公路隧道的通風方式基本分為兩大派。歐洲仍以全橫向、半橫向居多，而亞洲以日本為代表，全為縱向。近年來，隨著汽車排污限制標準的提高，控制公路隧道通風量的因素已從CO逐漸過渡為煙霧濃度，加之雙洞方案逐漸取代單洞方案，所以分段縱向通風方式已經占主導地位。日本甚至認為.加靜電除塵器的分段縱向通風方式，可以適應任何交通形式和任何長度的公路隧道。近年來，歐洲各國也逐步轉變傳統的觀念，在許多新修或者增修的復線長大公路隧道中，用分段縱向通風方式取代過去的半橫向或全橫向通風方式。

1.5隧道服務水平很高隨著公路隧道通風、照明、監控等項技術的不斷完善，現代公路隧道的服務水平逐漸提高。特別是在一些長大公路隧道中，高質量的照明效果，適應不同交通工況和防火救災的通風系統，完善的交通標識，不同模式的監控方法，盡可能詳細的防災救災預案，齊備的基礎信息管理系統以及定期的檢測維護技術，這些均保證公路隧道具有一個很高的服務水平。

1.6跨海隧道成為共識繼芙法海底隧道成功地穿越了英吉利海峽后，隧道方案已成為跨海交通的主要形式。因為海底隧道不但避免了橋梁方案所帶來的海浪、臺風一系列結構力學問題，而且絲毫不影響海面航道交通和自然景觀，香港的海底隧道就是顯著的例子。目前正在蘊釀的海底隧道有第二條英吉利海峽隧道(37.5km)、北歐的大、小海帶海峽隧道、國內的瓊州海峽隧道、勃海灣隧道等。對于較長的海底隧道，毫無疑問利用鐵路的擺度方案明顯地優于公路直通方案。

1.7單功能向多功能轉變旅游觀光是現代長大公路隧道的另一顯明特點，突出的例子有英吉利海峽隧道、東京灣隧道、香港灣隧道、上海延安東路隧等。人們不僅將隧道當作是交通通道，而且視其為旅游觀光場所。川藏公路二郎山隧道，通車半年來，在洞口觀光照像的已達近二萬人次。這些隧道在設計過程中，就把隧道的交通功能和隧道區域的地理人文環境融為一體。在秦嶺終南山公路隧道的工可階段，陜西省政府就曾提出了將該隧道的通行功能和隧道區域的自然環境、旅游觀光融為一體的設想。

2 隧道設計施工的兩大理論及其發展過程

在隧道及地下洞室工程中，圍繞著以上核心問題的實踐和研究，在不同的時期，人們提出了不同的理論并逐步建立了不同的理論體系，每一種理論體系都包含和解決(或正在研究解決)了從工程認識(概念)、力學原理，工程措施到施工方法(工藝)等一系列工程問題。

一種理論是二十世紀20年代提出的傳統的“松弛荷載理論”。其核心內容是：穩定的巖體有自穩能力，不產生荷載：不穩定的巖體則可能產生坍塌，需要用支護結構予以支撐。這樣，作用在支護結構上的荷載就是圍巖在一定范圍內由于松弛并可能塌落的巖體重力。這是一種傳統的理論，其代表人物有泰沙基和普氏等人。它類似于地面工程考慮問題的思想，至今仍被廣泛的應用著。

另一種理論是二十世紀50年代提出的現代支護理論，或稱“巖承理論”。其核心內容是：圍巖穩定顯然是巖體自身有承載自穩能力：不穩定圍巖喪失穩定是有一個過程的，如果在這個過程中提供必要的幫助或限制，則圍巖仍然能夠進入穩定狀態。這種理論體系的代表性人物有拉布西維茲、米勒一菲切爾、芬納一塔羅勃和卡斯特奈等人。這是一種比較現代的理論，它已經脫離了地面工程考慮問題的思路，而更接近于地下工程實際，近半個世紀以來已被廣泛接受和推廣應用，并且表現出了廣闊的發展前景。

由以上可以看出，前一種理論更注意結果和對結果的處理：而后一種理論則更注意過程和對過程的控制，即對圍巖自承能力的充分利用。由于有此區別，因而兩種理論體系在過程和方法上各自表現出不同的特點。新奧法是巖承理論在隧道工程實踐中的代表方法。

3 利用新奧法進行隧道設計施工的原理

3.1新奧法的概念 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。它與法國稱收斂約束法或有些國家所稱動態觀測設計施工法的基本原則一致。

新奧法概念是奧地利學者拉布西維茲教授于二十世紀50年代提出的。它是以既有隧道工程經驗和巖體力學的理論為基礎，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護手段的一種施工方法，經奧地利、瑞典、意大利等國的許多實踐和理論研究，于60年代取得專利權并正式命名。之后這個方法在西歐、北歐、美國和日本等許多地下工程中獲得極為迅速的發展，已成為現代隧道工程新技術的標志之一。我國近40年來，鐵路等部門通過科研、設計、施工三結合，在許多隧道修建中，根據自己的特點成功地應用了新奧法，取得了較多的經驗，積累了大量的數據，現已進入推廣應用階段。但在公路部門新奧法的應用僅為50％左右。目前新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修建隧道的一種基本方法，技術經濟效益是明顯的。

3.2新奧法的基本要點

3.2.1巖體是隧道結構體系中的主要承載單元，在施工中必須充分保護巖體，盡量減少對它的擾動，避免過度破壞巖體的強度。為此，施工中斷面分塊不宜過多，開挖應當采用光面爆破、預裂爆破或機械掘進。

3.2.2為了充分發揮巖體的承載能力，應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；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。在施工中應采用能與圍巖密貼、及時筑砌又能隨時加強的柔性支護結構，例如，錨噴支護等。這樣，就能通過調整支護結構的強度、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。

3.2.3為了改善支護結構的受力性能，施工中應盡快閉合，而成為封閉的筒形結構。另外，隧道斷面形狀應盡可能圓順，以避免拐角處的應力集中。

3.2.4通過施工中對圍巖和支護的動態觀察、量測，合理安排施工程序、進行設計變更及日常的施工管理。

3.2.5為了敷設防水層，或為了承受由于錨桿銹蝕，圍巖性質惡化、流變、膨脹所引起的后續荷載，可采用復合式襯砌。

3.2.6二次襯砌原則上是在圍巖與初期支護變形基本穩定的條件下修筑的，圍巖和支護結構形成一個整體，因而提高了支護體系的安全度。

上述新奧法的基本要點可扼要的概括為：“少擾動、早噴錨，勤量測、緊封閉”。

3.3利用彈簧理解新奧法原理

3.3.1洞室邊緣某一點A在開挖前具有原始應力(自重應力和構造應力)處于一個平衡狀態。如同一根彈性剛度為K的彈簧，在P0作用下處于壓縮平衡狀態。

3.3.2洞室開挖后，A點在臨空面失去約束，原始應力狀態要調整，如果圍巖的強度足夠大，那么經過應力調整，洞室可處于穩定狀態(不需支護)。然而大多數的地質情況是較差的，即洞室經過應力調整后，如不支護，就會產生收斂變形，甚至失穩(塌方)，所以必須提供支護力PE，才能防止塌方失穩。等同于彈簧產生了變形u后，在PE作用又處于平衡狀態。

3.3.3由力學平衡方程可知，彈簧在Po作用時處于平衡狀態：彈簧在發生變形u后，在PE的作用下又處于平衡狀態，假設彈簧的彈性系數為K，則有：

Po=PE+KU

討論：(1)當u=O時，Po=PE即不允許圍巖變形，采用剛性支護，不經濟：

(2)當ut時，PEl；當ul時，PEt。即圍巖發生變形，可釋放一定的荷載(卸荷作用)，所以要允許圍巖產生一定的變形，以充分發揮圍巖的自承能力。是一種經濟的支護措施，圍巖的自穩能力P=Po PE=KU；

(3)當u=u。時，發生塌方，產生松馳荷載，不安全。

4 新奧法設計施工的要點

4.1圍巖是受洞室開挖影響的那一部分巖(土)體，圍巖是三位一體的即：產生荷載、承載結構、建筑材料。

4.2隧道是修筑在應力巖體中的，具有特殊的建筑環境，不能等同于地面建筑。

4.3隧道結構體系＝圍巖＋支護體系。