淺析鐵路隧道新奧法施工存在的問題

顧慶榮/甘肅綜合鐵道工程承包有限公司

淺析鐵路隧道新奧法施工存在的問題

顧慶榮/甘肅綜合鐵道工程承包有限公司

【摘 要】本文主要是對我國按新奧法原理設計施工的山嶺隧道施工中存在的一些普遍問題進行分析研究，在此基礎之上提出如下觀點，希望能夠為同行業人員提供一些參考。

【關鍵詞】山嶺隧道；自穩時間；施工流程；支護時間；分析

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。新奧法概念是奧地利學者拉布西維茲教授于20世紀50年代提出的。引入我國后在鐵路隧道得到廣泛應用，也積累了大量成功經驗。一般的設計規程是：洞室開挖成型后，及時初噴混凝土，封閉圍巖表面，防止風化掉塊，然后再支護鋼架施工錨桿，復噴混凝土至設計厚度，控制圍巖進一步變形，防止失穩，造成坍塌，至此初期支護完成，按照《鐵路隧道監控量測技術規程》的要求，進行監控量測，沉降及收斂變形符合規程要求后即認為圍巖基本穩定，施工二次襯砌，符合新奧法理念。但現場實際施工大多與上述不符，普遍存在如下幾方面通病。

一、施工流程。

對于山嶺隧道，以Ⅳ～Ⅴ級圍巖為例，洞室開挖完成后，若為石質地段，受鉆爆技術以及圍巖本身軟硬不均、整體性差等條件限制，洞室表面里出外進，很難達到《鐵路隧道工程施工質量驗收標準》關于洞身開挖的要求，盡管已進行了排險作業，但現場施工人員普遍認為：立即施作鋼支撐（型鋼）強支護，才能阻止圍巖的變形，保證安全的后續作業空間，這也是現場施工人員乃至技術人員認為格柵鋼架（現場加工質量往往也不盡如人意）無法起到支撐作用的原因。若先按設計要求進行初噴作業，以單線鐵路隧道Ⅴ級圍巖上臺階開挖進尺1m為例，至少需要1小時左右的時間，在這一時間段圍巖變形可能加大，造成掉塊，甚至坍塌?；诖朔N觀念，施工人員很少按設計流程支護，開挖后先支護鋼架，當鋼架支護施作完成，即認為已經提供了相對安全的作業空間，再進行錨桿噴混凝土支護。

根據鐵路隧道的實踐，得出坑道自穩時間大致基準見表1

表1 坑道自穩時間實例

由上表可看出除Ⅴ級圍巖外，圍巖自穩時間都充分滿足按設計要求支護一循環的時間，按設計流程施工能夠保證施工安全，對于Ⅴ級圍巖地段，就需要根據現場實際情況分析，最主要的是進行圍巖穩定性評價，必要時可縮短開挖進尺，以達到及時支護目的。其次需要注意的問題是避免一次掘進尺度過大，一般情況下，設計文件都有要求，應按設計施工。

二、鋼架施工。

對于鋼架與圍巖充分接觸，現場很少按要求作，特別是拱部；鋼架落底不穩，清除虛渣后，鋼架下沉，如果下沉過于明顯現場做法是用石塊支墊，然后沿鋼架施作錨桿，將鋼架與錨桿焊接，不施作混凝土墊塊，造成鋼架與圍巖之間存在明顯間隙。對于軟弱圍巖，洞室開挖后，圍巖應力重分布，洞室周邊形成塑性區，伴隨著圍巖向坑道內位移，塑性區進一步擴大最終產生破壞。開挖后及時施作錨桿、噴混凝土、鋼支撐初期支護，能有效控制圍巖的繼續變形，防止坍塌。對于拱部而言，在鋼架與噴混凝土共同形成柔性支護前，鋼架在一定程度上起到了部分支撐的作用，若拱部鋼架與圍巖間隙過大，造成圍巖變形過程中沒有得到及時阻擋，隨著變形增大，圍巖自身承載能力減小，圍巖荷載增大，鋼架很難支撐，極易造成坍塌，或者留下安全隱患。

根據鐵路隧道的實踐，統計坑道開挖后變形值見表2

表2 坑道位移值

《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2005）規定單線隧道開挖預變形值見表3

表3 預留變形量

根據上表以Ⅴ級圍巖，泥巖夾砂巖地層，埋深50～100m單線鐵路隧道（設計時速120km／h）為例，設計預留變形量為70mm，理想狀態下可視為圍巖與支護共同受力變形，達到70mm后，支護發揮最大作用，同時很好的利用圍巖自身強度，開挖后若鋼架拱部與圍巖間隙為30mm，即可視為在沒有支撐的條件下，圍巖變形已達到彈塑性變形的下限，鋼架支護隨后受力與圍巖一起變形，在此過程中鋼架有個自身調整穩定的過程，由此看來當鋼架最終起到支撐作用時，圍巖變形或許已超出塑性變形極限，接近破壞狀態，甚至出現坍塌，這也是很多已支護段發生坍塌的原因之一，即使不發生坍塌，圍巖的過度松弛也不利于圍巖自支護能力的利用。

由此可看出鋼架施工質量是保證施工安全、提高圍巖自身支護能力的保證。應嚴格控制鋼架施工質量，落底牢固，與圍巖密貼，按設計要求設置墊塊，并根據開挖情況適當加密。

三、砂漿錨桿。

錨桿施作質量差是隧道施工中普遍存在的問題，主要是錨桿數量、長度達不到設計要求，錨桿鉆孔施工費時費力是客觀原因，施工人員輕視錨桿作用是主要原因。特別是土質地段，施工認為砂漿中的水會軟化圍巖，或者采用樹脂錨桿代替全長粘結砂漿錨桿。隧道開挖后，洞身周邊形成松弛區，錨桿的施工能有效控制松弛區擴大，起到懸吊、擠壓、組合梁或鎖腳的作用，有助于圍巖自身支護能力的發揮，前提條件是錨桿施工有足夠長度，能穿透應力松弛區，并且有足夠的密度。

樹脂錨桿施工方便，抗拔力較高，但是對于土質隧道或軟弱破碎石質隧道，由于圍巖自身強度較低，樹脂錨桿錨固點有限，很難提供足夠的抗拔力，全長粘結砂漿錨桿可以通過相對較大的摩擦面提供足夠的抗拔力。寶中線大寨嶺隧道是我國第最早按新奧法原理設計、施工的土質山嶺隧道。根據現場對36根砂漿錨桿抗拔試驗，平均錨固力為67KN，說明錨桿與砂漿、砂漿與土體有著良好的粘著力。測定的11個斷面隧道周邊圍巖平均松弛厚度：拱頂1.63m，拱腳1.69m，邊墻中部1.75m，軌頂面處2.05m。與有限元分析及變形收斂值進行的分析是一致的。設計采用的2.5m長砂漿錨桿也是滿足要求的。

由此可見設計要求的全長粘結砂漿錨桿是十分必要的，可以提高圍巖自身支護能力，保證施工安全。施工中減少錨桿數量、減短錨桿長度的做法增大了施工安全風險，降低了工程質量，必須杜絕。

四、結束語

通過上述分析可看出，目前我國山嶺隧道施工中普遍存在的幾個問題，是影響質量安全的重要因素，應加強現場管理，保證施工質量，確保安全。

參考文獻：

[1]關寶樹.隧道工程設計要點集[M].北京：人民交通出版社,2003.12.

[2]鐵道部寶中鐵路建設辦公室.寶中鐵路[M].北京：中國鐵道出版社，2004.12.

[2]鐵路隧道設計規范.TB 10003-2005.