隧道新奧法施工

黎衛國

摘要：新奧法是“新奧地利隧道工程法”的簡稱，縮寫為NATM。新奧法是一種“在巖質、土砂質中的下洞室圍巖內形成環形支護結構的隧道設計施工的方法。采用新奧法修建地下隧洞時，錨桿和噴射混凝土是其主要的支護手段，而支護時機需通過現場量測圍巖變形結果來確定。因此，錨桿支護、噴射混凝土支護和現場量測被譽為新奧法的“三大支柱”。

關鍵詞：新奧法；理論要點；施工要點；支護

中圖分類號：U455.48 文獻標識碼：A 文章編號：1674—3024（2016）11—96—03

引言

參加蒙華鐵路君子隧道的施工建設，學到了隧道施工的一些基本方法。通過閱讀關于隧道施工知識的文章及施工管理的經驗，對隧道施工有了一點淺顯的認識。

1君子隧道

1.1工程概況

君子隧道進口為勝天河。沿線經過君子村，雪白村，出口設在馮家窯村。隧道進口里程DK414+187，出口里程DK423+147，隧道全長8960m，為單洞雙線隧道。

隧道所在范圍內地層主要為第四系全新統沖洪積砂質新黃土，上更新統沖洪積砂質老黃土、粘質老黃土、粗圓礫土，三疊系上統延長組砂巖、粉砂巖。

1.2結構形式

隧道按新奧法原理設計與施工，暗挖隧道采用曲墻帶仰拱的復合式襯砌形式，復合式襯砌由初期支護、防水隔離層與二次襯砌組成，初期支護采用濕噴工藝，二次襯砌采用模筑混凝土。

1.3開挖

1.3.1隧道Ⅱ級圍巖采用全斷面法開挖，Ⅲ級圍巖采用臺階法開挖，Ⅳ級圍巖采用三臺階法開挖，Ⅴ級圍巖采用臨時仰拱法開挖，Ⅴ級土質圍巖采用三臺階大拱腳臨時仰拱法開挖。施工中必須實施洞內外觀察、拱頂下沉、凈空收斂、地表沉降等監控量測。

1.3.2要求

①鉆爆法施工的石質隧道必須采用光面爆破，炮眼布置滿足規范要求，嚴格控制超欠挖；土質隧道或軟弱巖質采用機械開挖。

②隧道洞口淺埋段斷層破碎帶、土石交界處或穿越構筑物等地段，要求施工控制爆破、短開挖、強支撐、及時襯砌，做到步步為營、穩扎穩打，以策施工安全。

（1）網噴混凝土

①噴混凝土采用濕噴工藝，噴混凝土應保證與圍巖密貼，嚴禁噴混凝土與圍巖之間出現空洞。

②噴混凝土應分層、分段、分片、自下而上噴射，分層噴射時，首次噴砼厚度不小于4cm。

（2）錨桿

①錨桿必須設置墊板，墊板應用螺帽上緊并與噴層面津貼。

②初支設置鋼架時，錨桿可結合鋼架位置布置，與鋼架焊接，加強圍巖與支護整體受力性能。

（3）鋼架

①鋼架在開挖或初噴混凝土后及時架設。

②安裝前應清除鋼架底虛渣及雜物，鋼架底腳應置于牢固的基礎上，鋼架應盡量密貼圍巖，外緣每隔2m用鋼楔或混凝土塊楔緊。

③鎖腳錨管斜向下鉆設，鎖腳錨管與鋼架通過錨固筋焊接。

（4）二次襯砌

①二次襯砌施做一般應在圍巖和初期支護變形穩定后進行。

②在隧道洞口段、淺埋段、圍巖松散破碎段，應盡早施做二次襯砌。

（5）黃土隧洞施工要點

①黃土隧道應避免圍巖暴露時間過長引起變形及塌方。因故停工時，及時封閉掌子面。

②洞口工程與相鄰工程應先統籌安排，避免影響隧道結構及山體穩定。

③黃土隧道施工中應及時進行量測數據的整理分析，一旦發現異常，應分析原因并采取技術措施保證施工安全，必要時應迅速及時撤離作業點。

2新奧法施工特點

2.1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面施工，以限制支護前的變形發展，阻止圍巖進入松動的狀態，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。在開挖爆破后立即進行支護施工以噴射混凝土支護能有效地制止巖層變形的發展，并控制應力降低區的伸展而減輕支護的承載，增強了巖層的穩定性。

2.2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，很好的充填圍巖的裂隙，節理和凹穴，大大提高了圍巖的強度。（提高圍巖的粘聚力C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、解體而使裂隙張開，導致圍巖失去穩定。

2.3牯結性

噴錨支護同圍巖能全面粘結，這種粘結作用可以產生三種作用：

2.3.1聯鎖作用，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生滑移墜落，則引起臨近巖塊的聯鎖反應，相繼喪失穩定，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，噴錨支護的粘結力和抗剪強度是可以抵抗圍巖的局部破壞，防止個別威巖活石滑移和墜落，從而保持圍巖的穩定性。

2.3.2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，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。

2.3.3增加作用。開巷后及時繼進行噴錨支護，一方面將圍巖表面的凹凸不平處填平，消除因巖面不評引起的應力集中現象，避免過大的應力集中所造成的圍巖破壞；另一方面，使巷道周邊圍巖由雙方向受力狀態，提高了圍巖的粘結力C和內摩擦角，也就是提高了圍巖的強度。

2.4柔性

噴錨支護屬于柔性薄性支護，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，并能有效控制允許圍巖塑性區有適度的發展，使圍巖的自承能力得以充分發揮。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，防止圍巖發生松動破壞。

3新奧法理論要點及施工要點

3.1新奧法與傳統施工方法的區別：

傳統方法認為巷道圍巖是一種荷載，應用厚壁混凝土加以支護松動圍巖。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，來承受壓力，并最大限度地保持圍巖穩定，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，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。

3.2基本要點

“少擾動、早噴錨，勤量測、緊封閉”。

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。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。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。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。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。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。

3.3新奧法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365JT設計參數的精確要求，得要通過許多量測手段，在施工過程中對圍巖動態和支護結構工作狀態和支護結構工作狀態進行監測。并用監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場分析參數和修改設計的依據，因而能夠預見事故和險情，以便及時采取措施，防患于未然提到施工的安全程度。

由上所述，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。

4新奧法的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，允許圍巖又一定的協調變形，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。

4.1開挖

開挖作業的內容依次包括：鉆孔、裝藥、爆破、通風、出渣等。開挖作業與一次支護作業同時交叉進行，為保護圍巖的自身支撐能力，第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灌面爆破（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。巖質條件好時，長度可大一些，巖質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，全斷面開挖長度就要小一些。一般在中硬巖中長度約為2-2.5米，在膨脹性地層中大約為0.8-1.米。

4.2支護

第一次支護作業包括：一次噴射混凝土、打錨桿、聯網、立鋼拱架、復噴混凝土。

在巷道開挖后，應盡快地噴一層薄層混凝土（3-5mm），為爭取時間在較松散的圍巖掘進中第一次支護作業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10-15mm），并要求將錨桿、金屬網、鋼拱架等覆裹在噴射混凝土內。

完成第一次支護的時間非常重要，一般情況應在開挖后圍巖自穩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三小時內完成，主要由施工條件決定。

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時間，為了給一次支護爭取時間，安全的作業，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場測量：依據測量得到的信息來了解圍巖的動態，以及支護抗力與圍巖的相適應程度。

一次支護后，在圍巖變形趨于穩定時，進行第二次支護澆注和封底，即永久性的支護，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測結果得到。

對于底板不穩，底鼓變形嚴重，必然牽動側墻及頂部支護不穩，所以應盡快封底，形成封閉式的支護，以謀求圍巖的穩定。

5新奧法適用范圍

5.1巖體條件

①具有較長自穩時間的中等巖體；

②弱膠結的砂和石礫以及不穩定的礫巖；

③強風化的巖石；

④剛塑性的粘土泥質灰巖和泥質灰巖；

⑤堅硬粘土，也有帶堅硬夾層的粘土；

⑥微裂隙的，但很少粘土的巖體；

⑦在很高的初應力場條件下，堅硬的和可變堅硬的巖石：

5.2在下述條件下應用新奧法必須與一些輔助方法相配合

①有強烈地壓顯現的巖體；

②膨脹性巖體（要與仰拱與底部錨桿相配合）；

③在一些松散巖體中，要與鋼背板與之配合；

④在蠕動性巖體中，要與凍結法或預加固法等配合；

5.3在下列場合中應用應慎重

①大量涌水的巖體；

②由于涌水會產生流砂現象的圍巖：

③極為破碎，錨桿鉆孔、安裝都極為困難的巖體；

④開挖面完全不能自穩的巖體等。

6新奧法的缺點主要有：

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生錯誤；作業質量都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，因此要求施工地質人員要親臨現場，以便發現問題；

③用能控制的施工量測，往往給施工帶來不便；

④干噴射帶來的灰塵以及由于易受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，不如千噴那樣有效的支護巖體。

7結束語

新奧法在西歐、北歐、美國和日本等許多地下工程中獲得極為迅速發展，已成為現代隧道工程新365JT技術標志之一。六十年代被介紹到我國，七十年代末八十年代初得到迅速發展。至今，可以說在所有重點難點的地下工程中都離不開NATM。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。

新奧法施工是從實際經驗中總結出來的，又在不斷實踐經驗中得以豐富其內容和進一步發展，新澳法施工在我國推廣以來，經過幾十年的發展。通過科研、設計、施工三結合，在修建隧道中，應用新奧法及其相應的技術，取得了較大的成就。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，在鐵路隧道施工建設中發揮更大的作用。