談新奧法隧道施工技術(shù)

摘要：隨著隧道施工技術(shù)的不斷發(fā)展，新奧法施工技術(shù)已逐步被人們所認(rèn)可，也得到了廣泛的應(yīng)用，既保證了施工工期，也保證了施工的安全和質(zhì)量，本文結(jié)合多年的隧道施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新奧法隧道施工技術(shù)進(jìn)行闡述，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：新奧法 隧道施工技術(shù)

1 新奧法的定義

新奧地利隧道施工方法（New Austrian Tunneling Method，簡(jiǎn)寫NATM）的簡(jiǎn)稱是新奧法。它是20世紀(jì)60年代由奧地利土木工程師L.V.Rabcewicz等在長(zhǎng)期從事隧道施工實(shí)踐中在總結(jié)隧道建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從巖石力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)并創(chuàng)立的。早在1934年，Rabcewicz就提前出了在隧道中應(yīng)用“噴漿”的技術(shù)。

2 新奧法的基本原理

①隧道結(jié)構(gòu)的主要承載是圍巖。②在隧道圍巖支護(hù)過(guò)程中，一方面允許圍巖有一定位置移動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生受力區(qū)；另一方面，為避免圍巖變形過(guò)大而產(chǎn)生嚴(yán)重松弛卸載，必須限制圍巖位移的程度。③為使圍巖在開(kāi)挖卸載后不失去原有的強(qiáng)度，開(kāi)挖后需對(duì)圍巖進(jìn)行加固。④初次支護(hù)主要作用是避免圍巖嚴(yán)重松弛和卸載，需要圍巖的承受自身重量，不是用來(lái)承擔(dān)隧道圍巖所失去的承載力。⑤應(yīng)適時(shí)的建造初次支護(hù)，在挖開(kāi)圍巖后間隔一定時(shí)間，使圍巖發(fā)生形變進(jìn)而形成承力保護(hù)區(qū)，起到較好的支撐性能。⑥圍巖自我穩(wěn)定時(shí)間，一方面在建造過(guò)程中量測(cè)隧道周邊的位移來(lái)評(píng)定；另一方面依靠對(duì)圍巖地質(zhì)條件的初步調(diào)查。⑦通常可視其整體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)為薄殼，是因?yàn)閲娚浠炷嗤帘旧淼膹?qiáng)度高和輕度變形的特點(diǎn)決定了它的可塑性和收縮的能力。⑧在沒(méi)有被腐蝕破壞的情況下，就可把初次支護(hù)看作承重結(jié)構(gòu)的一部分。⑨由于噴射混泥土具有結(jié)合圍巖、填平洞壁不平整面等特點(diǎn)，因此噴射混泥土常作為初次支護(hù)，并且能使圍巖不發(fā)生應(yīng)力重分布以及使用鋼筋網(wǎng)、錨桿和鋼拱架。⑩孔洞的施工方法決定了從開(kāi)挖到封閉所需的時(shí)間。施工時(shí)通過(guò)測(cè)量控制和修改圍巖的變化，通過(guò)前期的地質(zhì)調(diào)查對(duì)施工資料進(jìn)行估計(jì)。■為規(guī)避施工時(shí)工程荷載對(duì)隧道受力的影響，限制圍巖的二次應(yīng)力重分布程度以及松動(dòng)圈的范圍。通常利用對(duì)拱部減少開(kāi)挖次數(shù)進(jìn)行一次開(kāi)挖方案。■從物理靜力學(xué)的角度看，隧道橫截面盡可能接近圓形或橢圓形。并且限制超挖和欠挖，開(kāi)挖后及時(shí)封閉結(jié)構(gòu)，并建造仰拱。■可建造薄層內(nèi)襯砌，以提高隧道結(jié)構(gòu)的安全性，最終達(dá)到密封的效果，內(nèi)層與外層相互之間只傳遞壓力，使結(jié)構(gòu)內(nèi)不產(chǎn)生過(guò)大的彎曲應(yīng)力。■根據(jù)建造過(guò)程中的應(yīng)力及變形狀態(tài)的測(cè)量，對(duì)其安全性、整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。■一般不增加其厚度而增加鋼筋含量（即鋼拱），以提高襯砌的強(qiáng)度；可通過(guò)增加錨桿的根數(shù)或長(zhǎng)度以形成圍巖受力環(huán)區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)增大整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度。■可通過(guò)在外殼上安裝軟管及密封的排水設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)外源水壓和靜水壓力的控制。

2 新奧法施工的基本要點(diǎn)

①盡量采用大斷面或較大斷面開(kāi)挖，以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，作業(yè)多采用光面爆破和預(yù)裂爆破。②為了避免圍巖發(fā)生變形和松弛，按照圍巖特征采用相應(yīng)的支護(hù)類型、設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，對(duì)圍巖的柔性噴射混泥土和錨桿進(jìn)行初期支護(hù)。③使斷面及早閉合，在軟弱破碎圍巖地段，保證隧道穩(wěn)定，有效地發(fā)揮支護(hù)體系的作用。④在圍巖與支護(hù)變形穩(wěn)定的前提下進(jìn)行二次襯砌，使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，從而提高者整個(gè)支護(hù)體系的安全性。⑤為了避免棱角突出處應(yīng)力過(guò)于集中，所以施工時(shí)盡量保持隧道斷面周邊輪廓圓順性。⑥施工時(shí)對(duì)圍巖和支護(hù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察和量測(cè)，完善設(shè)計(jì)以及迪歐施工進(jìn)行日常管理，對(duì)施工進(jìn)行合理安排。

3 新奧法隧道施工方法

采用新奧法進(jìn)行隧道施工，常用方法大致分為三類：

3.1 全斷面法 按照設(shè)計(jì)開(kāi)挖面通過(guò)一次開(kāi)挖成型，該法可以采用深孔爆破，常選用于ⅳ-ⅵ類硬巖的石質(zhì)隧道。其開(kāi)挖順序是先進(jìn)行開(kāi)挖全斷面，然后是支護(hù)錨噴，最后是灌筑砼襯砌。由于全斷面開(kāi)挖法施工作業(yè)空間比較大的，易于進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)，利用大型配套機(jī)械進(jìn)行施工速度快，工序簡(jiǎn)單、干擾少，對(duì)施工的組織和管理比較方便。缺點(diǎn)是每循環(huán)工作量相對(duì)較大，圍巖相對(duì)穩(wěn)定性由于開(kāi)挖面積較大而降低，施工單位進(jìn)行全斷面開(kāi)挖時(shí)應(yīng)具有較強(qiáng)的開(kāi)挖、出渣與運(yùn)輸及支護(hù)能力。全斷面施工開(kāi)挖工作面大，缺點(diǎn)是每次深孔爆破震動(dòng)較大，因?yàn)楸茖?duì)圍巖的振動(dòng)次數(shù)少，嚴(yán)格控制爆破作業(yè)，需要進(jìn)行精心的鉆爆設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)：一是采用燭鉆爆施工效率高；二是采用深眼爆破提高掘進(jìn)速度。采用全斷面法開(kāi)挖的施工流程是：首先通過(guò)移動(dòng)式臺(tái)車對(duì)全斷面一次鉆孔，裝荷連線；其次把鉆孔臺(tái)車駕駛到50m以外的安全地帶，進(jìn)行引爆一次成型。利用鉆孔臺(tái)車出渣，清理完畢后把鉆孔臺(tái)車移動(dòng)到開(kāi)挖面，為下一個(gè)鉆爆循環(huán)施工

做準(zhǔn)備，同時(shí)進(jìn)行錨噴支護(hù)或先墻后拱襯砌。

3.2 臺(tái)階法 將斷面分成上半斷面和下半斷面兩部分通過(guò)兩次開(kāi)挖施工成型成為臺(tái)階法。開(kāi)挖順序是上半部開(kāi)挖后采用拱部錨桿噴射砼支護(hù)，進(jìn)行拱部襯砌；下半部通過(guò)對(duì)中央部分和邊墻進(jìn)行開(kāi)挖，邊墻開(kāi)挖時(shí)對(duì)錨桿噴射砼進(jìn)行支護(hù)和襯砌。對(duì)于ⅱ、ⅲ類較軟而節(jié)理發(fā)育的圍巖中多適用臺(tái)階法。超短臺(tái)階法：此法多用于機(jī)械化程度不高的各類圍巖地段，上臺(tái)階僅超前3-5m，斷面閉合較快。應(yīng)采用輔助施工措施穩(wěn)定開(kāi)挖工作面，當(dāng)遇到軟弱圍巖時(shí)需慎重考慮，必要時(shí)為確保施工安全。短臺(tái)階法：適用于ⅱ、ⅲ類圍巖，上臺(tái)階長(zhǎng)度5-50m，可改善初期支護(hù)受力條件，縮短仰拱封閉時(shí)間，但施工干擾較大，通常應(yīng)采用輔助開(kāi)挖措施穩(wěn)定開(kāi)挖面。為保證施工安全，當(dāng)遇到軟弱圍巖時(shí)需慎重考慮。長(zhǎng)臺(tái)階法：通常上臺(tái)階比下臺(tái)階超前50m以上，對(duì)上、下臺(tái)階進(jìn)行施工時(shí)可以利用大型機(jī)械進(jìn)行平行式作業(yè)，或者利用有限的大機(jī)械進(jìn)行交替式開(kāi)挖。當(dāng)對(duì)短隧道施工時(shí)，可以把上臺(tái)階全部挖通后，再對(duì)下臺(tái)階進(jìn)行施工。利用長(zhǎng)臺(tái)階法進(jìn)行施工時(shí)干擾較少，可通過(guò)單工序進(jìn)行作業(yè)。臺(tái)階開(kāi)挖的特點(diǎn)在于：①臺(tái)階開(kāi)挖不宜采用大型鑿巖臺(tái)車，而宜采用輕型鑿巖機(jī)打眼。②臺(tái)階有利于開(kāi)挖面的穩(wěn)定性，臺(tái)階法開(kāi)挖具有較快的施工速度和足夠的作業(yè)空間。尤其是當(dāng)上部挖通進(jìn)行支護(hù)后，對(duì)下部作業(yè)橋安全支撐作用。③缺點(diǎn)。通過(guò)臺(tái)階法進(jìn)行施工時(shí)上、下部臺(tái)階相互干擾彼此的施工作業(yè)，這是臺(tái)階法施工的不足之處。臺(tái)階開(kāi)挖會(huì)增加對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)，應(yīng)注意下部作業(yè)時(shí)對(duì)上部穩(wěn)定性的影響。

3.3 分部開(kāi)挖法 分部開(kāi)挖法通常分為上下導(dǎo)坑法、臺(tái)階分部開(kāi)挖法、單（雙）側(cè)壁導(dǎo)坑法、上導(dǎo)坑超前開(kāi)挖法五種施工方案。分部開(kāi)挖法利用對(duì)開(kāi)挖斷面進(jìn)行局部開(kāi)挖整體成型，因?yàn)榉植块_(kāi)挖法是把某一部分作為前導(dǎo)提前開(kāi)挖，所以又稱導(dǎo)坑超前開(kāi)挖法。與超臺(tái)階法相比，臺(tái)階分部法可以加長(zhǎng)臺(tái)階，通常情況下單車道隧道為2倍洞跨，雙車道隧道為1倍洞跨，適用于一般土質(zhì)或易坍塌的軟弱圍巖地段；與單（雙）側(cè)臂導(dǎo)坑法相比臺(tái)階分部法機(jī)械化程度高，施工進(jìn)度更快。對(duì)于上下導(dǎo)坑超前開(kāi)挖法比較適用于ⅱ、ⅲ類圍巖，在地層比較松軟的地段開(kāi)挖隧道，通常采用上下導(dǎo)坑超前開(kāi)挖先拱后墻法。①優(yōu)點(diǎn)：利用導(dǎo)坑超前開(kāi)挖，提前探明地質(zhì)，便于調(diào)整后續(xù)施工方法。勞動(dòng)力與小型機(jī)械協(xié)同施工，工作面多，有利于分工，便于拉開(kāi)工序。②缺點(diǎn)：上、下導(dǎo)坑斷面小，施工作業(yè)工序較多，施工進(jìn)度慢，施工組織和管理難度比較大。雙側(cè)臂導(dǎo)坑法：該法適用于圍巖特別差和淺埋大跨度隧道，對(duì)地表下沉量要求嚴(yán)格。特點(diǎn)是：施工安全系數(shù)高，施工進(jìn)度慢，成本造價(jià)高。單側(cè)臂導(dǎo)坑法：隧道跨度較大、圍巖不穩(wěn)定、難以控制地面沉陷的地帶多用此方法。特點(diǎn)是：兼具正臺(tái)階法和雙臂導(dǎo)坑法的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前的隧道施工技術(shù)中，容易看出新奧法給傳統(tǒng)的隧道施工方法、施工技術(shù)甚至隧道設(shè)計(jì)理念帶來(lái)了重大沖擊。盡管如此，在過(guò)程施工中也不乏失敗的案例，我國(guó)推行新奧法的情況仍然應(yīng)該說(shuō)是不盡如人意。造成失敗的原因很多，除了施工管理、質(zhì)量控制、相關(guān)技術(shù)掌握等方面的因素外，有時(shí)隧道工程師對(duì)新奧法的實(shí)質(zhì)缺乏正確的理解也是不可忽視的原因，今后應(yīng)認(rèn)真理解應(yīng)用新奧法施工技術(shù)，以便使其更好地為我國(guó)的隧道工程項(xiàng)目服務(wù)。

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