隧道新奧法施工要點分析

趙利利

（北京鑫暢路橋建設有限公司，北京市 101101）

0 前言

新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，該概念是奧地利學者拉布西維茲 (L.V.RABCEW ICZ)教授于上世紀50年代提出的。它是以隧道工程施工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。經過一些國家的許多實踐和理論研究,于上世紀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發(fā)展,已成為現(xiàn)代隧道工程新技術標志之一。上世紀60年代新奧法被介紹到我國,70年代末80年代初得到迅速發(fā)展。至今,可以說在所有重點、難點的地下工程中都離不開新奧法〔2〕。新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修筑隧道的一種基本方法。新奧法施工可以簡單地概括為：短進尺、弱爆破、早支護、勤量測〔2〕。

下面僅對新奧法施工作一簡要敘述。

1 施工特點

1.1 及時性

新奧法施工采用噴錨支護為主要手段，可以最大限度地緊跟開挖作業(yè)面施工，因此可以利用開挖施工面的時空效應，限制支護前的變形發(fā)展，阻止圍巖進入松動的狀態(tài)，在必要的情況下可以進行超前支護，加之噴射混凝土的早強和全面粘結性，因而保證了支護的及時性和有效性。

在巷道爆破后立即噴射混凝土支護，能有效地制止巖層變形的發(fā)展，并控制應力降低區(qū)的伸展而減輕支護的承載，增強了巖層的穩(wěn)定性。

1.2 封閉性

由于噴錨支護能及時施工，而且是全面密粘的支護，因此能及時有效地防止因水和風化作用造成圍巖的破壞和剝落，制止膨脹巖體的潮解和膨脹，保護原有巖體強度。

巷道開挖后，圍巖由于爆破作用產生新的裂縫，加上原有地質構造上的裂縫，隨時都有可能產生變形或塌落。當噴射混凝土支護以較高的速度射向巖面，就能很好地充填圍巖的裂隙和凹穴，大大提高了圍巖的強度（提高圍巖的黏聚力和內摩擦角）。同時，噴錨支護起到了封閉圍巖的作用，隔絕了水和空氣同巖層的接觸，使裂隙充填物不致軟化、解體，從而增強圍巖的穩(wěn)定。

1.3 粘結性

噴錨支護同圍巖能全面粘結，這種粘結作用可以產生3種作用：

（1）聯(lián)鎖作用，即將被裂隙分割的巖塊粘結在一起。若圍巖的某塊危巖、活石發(fā)生滑移墜落，則引起臨近巖塊的聯(lián)鎖反應，相繼喪失穩(wěn)定，從而造成較大范圍的冒頂或片幫。開巷后如能及時進行噴錨支護，其粘結力和抗剪強度是可以抵抗圍巖的局部破壞，防止個別危巖、活石滑移和墜落，從而保持圍巖的穩(wěn)定性。

（2）復和作用，即圍巖與支護構成一個復合體（受力體系）共同支護圍巖。噴錨支護可以提高圍巖的穩(wěn)定性和自身的支撐能力，同時與圍巖形成了一個共同工作的力學系統(tǒng)，具有把巖石荷載轉化為巖石承載結構的作用，從根本上改變了支架消極承擔的弱點。

（3）增加作用，即開巷后及時進行噴錨支護，一方面將圍巖表面的凹凸不平處填平，消除因巖面不平引起的應力集中現(xiàn)象，避免過大的應力集中所造成的圍巖破壞；另一方面，使巷道周邊圍巖達到雙方向受力狀態(tài)，提高了圍巖的黏結力和內摩擦角，也就是提高了圍巖的強度。

1.4 柔性

噴錨支護屬于柔性薄層支護，能夠和圍巖緊粘在一起共同作用。由于噴錨支護具有一定柔性，可以和圍巖共同產生變形，在圍巖中形成一定范圍的非彈性變形區(qū)，并能有效控制允許圍巖塑性區(qū)有適度的發(fā)展，使圍巖的自承能力得以充分發(fā)揮。另一方面，噴錨支護在與圍巖共同變形中受到壓縮，對圍巖產生越來越大的支護反力，能夠抑制圍巖產生過大變形，防止圍巖發(fā)生松動破壞。

2 理論及施工要點

2.1 新奧法與傳統(tǒng)施工方法的區(qū)別

傳統(tǒng)方法認為巷道圍巖是一種荷載，應用厚壁混凝土支護松動圍巖。而新奧法認為圍巖是一種承載機構，構筑薄壁、柔性、與圍巖緊貼的支護結構（以噴射混凝土、錨桿為主要手段）并使圍巖與支護結構共同形成支撐環(huán)來承受壓力，并最大限度地保持圍巖穩(wěn)定性，而不致松動破壞。

新奧法將圍巖視為巷道承載構件的一部分，因此，施工時應盡可能全斷面掘進，以減少巷道周邊圍巖應力的擾動，并采用光面爆破、微差爆破等措施，減少對圍巖的震動，以保全其整體性。同時注意巷道表面盡可能平滑，避免局部應力集中。

新奧法將錨桿、噴射混凝土適當進行組合，形成比較薄的襯砌層。即用錨桿和噴射混凝土來支護圍巖，使噴射層與圍巖緊密結合，形成圍巖-支護系統(tǒng)，保持兩者的共同變形，故而可以最大限度地利用圍巖本身的承載力。

2.2 保護巷道圍巖自身的承載能力

新奧法施工在巷道開挖后采取了一系列綜合性措施：構筑防水層、圍巖巷道排水；選擇合理的斷面形狀尺寸；給支護留變形余量；開巷后及時做好支護、封閉圍巖等。這些都是為保護巷道圍巖的自身承載能力，使圍巖的擾動影響控制在最小范圍內，并加固圍巖，提高圍巖強度，使其與人工支護結構共同承受巷道壓力。

2.3 允許圍巖有一定量的變形

允許圍巖有一定變形的施工方法，有利于發(fā)揮圍巖的固有強度。同時巷道的支護結構，也應具有預定的可縮量，以緩和巷道壓力。

2.4 施工過程中量測工作的特殊性

由于巖體生成條件與地質作用的復雜性、施工條件的復雜性，以及對工程設計參數(shù)的精確要求，需要通過許多量測手段，在施工過程中對圍巖動態(tài)和支護結構工作狀態(tài)進行監(jiān)測，并用監(jiān)測結果修改初步設計，指導施工。

量測的結果可以作為施工現(xiàn)場分析參數(shù)和修改設計的依據，因而能夠預見事故和險情，以便及時采取措施，防患于未然提高施工的安全性。

綜上所述，新奧法的支護原則是：圍巖不僅是載物體，而且是承載結構；圍巖承載圈和支護體組成巷道的統(tǒng)一體，是一個力學體系；巷道的開挖和支護都是為保持改善與提高圍巖的自身支撐能力服務的。

3 主要支護手段與施工順序

新奧法是以噴射混凝土、錨桿支護為主要支護手段。因錨桿噴射混凝土支護能夠形成柔性薄層，與圍巖緊密粘結的可縮性支護結構，允許圍巖有一定的協(xié)調變形，而不使支護結構承受過大的壓力。

施工順序可以概括為：開挖→一次支護→二次支護,見圖1所示。

圖1 開挖順序示意圖

3.1 開挖

開挖作業(yè)的內容依次包括：鉆孔、裝藥、爆破、通風、出渣等[3]。開挖作業(yè)與一次支護作業(yè)同時交叉進行。為保護圍巖的自身支撐能力，一次支護工作應盡快進行。為了充分利用圍巖的自身支撐能力，開挖應采用光面爆破（控制爆破）或機械開挖，并盡量采用全斷面開挖。地質條件較差時可以采用分塊多次開挖。一次開挖長度應根據巖質條件和開挖方式確定，即：當巖質條件好時長度可大一些，條件差時長度可小一些；在同等巖質條件下，分塊多次開挖長度可大一些，全斷面開挖長度要小一些；一般在中硬巖中長度約2～2.5 m，在膨脹性地層中為0.8～1.m[2]。

3.2 支護作業(yè)

作業(yè)內容包括：一次噴射混凝土、打錨桿、聯(lián)網、立鋼拱架、復噴混凝土。

保險合同履行階段，主要是根據保險合同相關約定及時足額的繳納保險費用，并履行合同的各項約定。避免出險后，發(fā)現(xiàn)未按合同約定繳足保費，而對后續(xù)的理賠工作帶來不必要的麻煩。

在巷道開挖后，應盡快噴1層混凝土（3～5 mm）。為爭取時間，在較松散的圍巖掘進中第1次支護作業(yè)是在開挖的渣堆上進行的，待把未被渣堆覆蓋的開挖面的一次噴射混凝土完成后再出渣。

按一定系統(tǒng)布置錨桿，加固深度圍巖，在圍巖內形成承載拱，由噴層、錨桿及巖面承載拱構成外拱，起臨時支護作用，同時又是永久支護的一部分。復噴后應達到設計厚度（一般為10～15 mm）,并要求將錨桿、金屬網、鋼拱架等覆裹在噴射混凝土內。

完成第1次支護的時間非常重要，一般情況應在開挖后圍巖自穩(wěn)時間的二分之一時間內完成。目前的施工經驗是松散圍巖應在爆破后3 h內完成，主要由施工條件決定〔1〕。

在地質條件非常差的破碎帶或膨脹性地層（如風華花崗巖）中開挖巷道，為了延長圍巖的自穩(wěn)時間，給一次支護爭取時間和安全的作業(yè)面，需要在開挖工作面的前方圍巖進行超前支護（預支護），然后再開挖。

在安裝錨桿的同時，在圍巖和支護中埋設儀器或測點，進行圍巖位移和應力的現(xiàn)場測量。依據測量得到的信息來了解圍巖的動態(tài)，以及支護抗力與圍巖的相適應程度。

一次支護后，在圍巖變形趨于穩(wěn)定時，進行第二次支護和封底，即永久性的支護（或是補噴射混凝土、澆注混凝土內拱），以起到提高安全度和整個支護承載能力增強的作用，而此支護時機可以由監(jiān)測結果確定。

底板不穩(wěn)、底鼓變形嚴重，必然牽動側墻或使頂部支護不穩(wěn)，所以應盡快封底，以形成封閉式的支護，謀求圍巖的穩(wěn)定。當整個支護系統(tǒng)完全封閉并與巷道圍巖緊密地結合在一起時，來自圍巖的壓力則均勻地分布在整圈支護系統(tǒng)上。

4 適用范圍及注意事項

4.1 適用范圍

（1）具有較長自穩(wěn)時間的中等巖體；

（2）弱膠結的砂和石礫以及不穩(wěn)定的礫巖；

（3）強風化的巖石；

（4）剛塑性的黏土泥質灰?guī)r和泥質灰?guī)r；

（5）堅硬黏土，也有帶堅硬夾層的黏土；

（6）微裂隙的，但含很少黏土的巖體；

（7）在很高的初應力場條件下，堅硬的和可變堅硬的巖石。

4.2 注意事項

（1）上述條件下應用新奧法必須與一些輔助方法相配合：

a.有強烈地壓顯現(xiàn)的巖體；

b.膨脹性巖體（要與仰拱與底部錨桿相配合）；

c.在一些松散巖體中，要與鋼背板配合；

d.在蠕動性巖體中，要與凍結法或預加固法等配合。

（2）在下列場合中應用應慎重：

a.大量涌水的巖體；

b.由于涌水會產生流砂現(xiàn)象的圍巖；

c.極為破碎，錨桿鉆孔、安裝都極為困難的巖體；

d.開挖面完全不能自穩(wěn)的巖體等。

5 體會

（1）實施不僅要求有良好的施工組織和管理，也要求技術人員和量測人員都十分熟練，沒有這一點就易于發(fā)生錯誤。作業(yè)質量與每一個人的仔細操作有關。

（2）開挖暴露出的地質會立即改變其狀態(tài)，因此要求地質人員要親臨現(xiàn)場，以便發(fā)現(xiàn)問題。

（3）對干噴射帶來的灰塵，以及化學藥品的損害必須加強防護，尤其是對眼睛的防護，濕噴雖然可以避免此缺點，但在同樣條件下，不如干噴那樣能有效地支護巖體。

另外，若圍巖過于破碎，分層情況嚴重時，鋼拱架從下到上的支撐過程就有一定的局限性，特別是當不能采用全斷面開挖時缺點就更為明顯，所以應根據現(xiàn)場實際情況酌情適當改變。例如：采用鋼格柵支撐結構，分段連接，最后在仰拱處閉合，就可以較好地解決問題；同時，利用鎖腳錨桿將鋼格柵在起拱點處與圍巖鎖緊，與整個圍巖緊密地連接在一起，達到整體受力、有序傳力的施工效果。該措施能夠更好地降低安全風險，確保安全施工。

不可否認，新奧法也存在不少缺點，不過經過工程技術人員和科技工作者的共同努力一定可以把新奧法不斷完善，在我國的現(xiàn)代化建設進程中發(fā)揮更加重要的作用。

[1]周愛國.隧道工程現(xiàn)場施工技術[M].北京：人民交通出版社，2004：30-70.

[2]范智杰.隧道施工與檢測技術[M].北京：人民交通出版社，2006：1-20.

[3]公路隧道施工技術規(guī)范[S].