隧洞工程新奧法施工的淺析與運用

【摘要】通過分析新奧法施工的基礎理論，隧洞工程地質特點，總結新奧法施工基本要點；新奧法施工在隧洞工程復雜地質環境中的有效運用。

【關鍵詞】隧洞工程；巖承理論基礎；應力集中效應；承載環；支護時效

1、引言

洞室工程設計施工理論主要運用巖承理論。巖承理論強調：圍巖穩定是巖體自身具備承載自穩能力；不穩定圍巖喪失穩定有一個過程。理解為在圍巖失穩之前，在其有效時限內，提供必要的幫助或限制，則巖體仍然能夠進入穩定狀態。以巖承理論為基礎，新奧法施工在洞室工程中得以廣泛的運用。

2、隧洞工程新奧施工

2.1 新奧法施工原理：

根據巖承理論，允許圍巖收斂變形。根據不同洞室結構、不同地質條件，分析收斂變形失穩因素，進行相應開挖、支護（襯砌）工程，使其達穩定承載結構，其工藝、方法即我們探討的新奧法施工。新奧法是巖承理論在隧道工程施工的代表方法。

新奧法施工原理簡單稱之為蛋殼原理。雞蛋均勻受力不易破壞，在于其任一外截面結構均為拱狀，能較好傳力而不易發生結構破壞，我們稱之為拱狀穩定受力；整體均勻受力不易破壞，當不均勻應力集中在局域點、面易產生破壞現象（規律），稱之為應力集中效應。隧洞工程新奧法施工特點即避免應力集中效應，讓巖體形成穩定狀態的承載環。

2.2 新奧法施工的基本要點：

2.2.1 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。

2.2.2 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，通過收斂變形擠壓形成穩定承載體；另一方面又必須限制它，使巖體不致過度松弛而喪失或大幅度降低承載能力。收斂變形量需以支護工程加以控制，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。

2.2.3 為了改善支護結構的受力性能，施工中應盡快閉合形成筒形結構，支護工程應與圍巖緊密結合，避免應力傳遞斷層，同時斷面形狀應盡可能圓順，避免應力集中現象。

2.2.4 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。

2.2.5 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。

2.2.6 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。

上述新奧法施工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、新奧法施工在工程運用中的案例：

隧洞支護是其形成穩定承載體的關鍵環節。根據支護需要達到的時效性，理解為三種支護類形，即開挖前的超前支護，開挖成型后的臨時支護，臨時支護結合永久支護，三種支護手段，對其支護時間要求的理解尤為關鍵；根據洞室工程不同類型及不同地質情況，所需支護工程的剛度要求不同（保證支護后傳力結構的穩定），歸納理解為柔性支護、剛柔結合支護及剛性支護。

3.1 案例一：四川聯補電站導流洞出口隧洞掛口。

特點：超前豎向管棚、環向管棚、固灌、仰拱襯砌等綜合措施穩定圍巖。

隧洞口埋層淺，風化強，以及其應力分布特征，多于采用開挖前的超前支護及洞口鎖口措施。在洞口仰坡不具備穩定坡度或無條件削坡成穩定邊坡時，通常采用明洞配合洞口超前支護掛口進洞，利用明洞為承載體在其上部形成穩定仰坡。

聯補導流洞出口地質情況復雜：①洞口段巖體破碎、松弛、風化嚴重；②山體較高較陡，隧洞掛口無明挖至較好巖體條件；③在明洞配合超前支護方案，其明洞拉槽開挖過程中，曹體邊墻由于圍巖地質狀況，側向壓力破壞突出，導致拉槽不成功。調整后采用開挖支護方案如下：①明洞拉槽段，開挖前地表向下兩排超前豎向管棚（兩側邊墻），臨時解決側向壓力邊墻破壞作用，確保明洞開挖襯砌施工期穩定；②明洞襯砌抵至洞口后，以明洞為承載體，洞頂回填形成洞口穩定邊、仰坡；③洞室開挖前，洞口段從坡面向下固結灌漿，固結松弛圍巖塊體，增加圍巖完整性的同時，增強山體側壓作用下的傳力結構穩定；④洞口段超前管棚確保開挖成型，開挖后及時鋼拱架支護及砼澆筑。⑤洞口段砼襯砌段后，底部仰拱及時進行，形成閉合的穩定傳力結構。該工程開挖、支護、襯砌整體措施，為新奧法施工的綜合體現。

3.2 案例二、四川柳坪電站引水隧洞開挖支護

特點：柔性支護與剛性支護結合，襯砌時效要求。

3.2.1 地質情況分析：巖體為碳質千枚巖，巖層致密，巖體強度低，軟化，膨脹能力強。由于巖體強度低，開挖后圍巖拱圈淺層范圍，易受到收斂變形擠壓應力產生巖體破壞，不能通過其擠壓成拱，形成穩定的應力承載圈，在后期膨脹蠕變過程中最終失穩。因此，收斂變形一定程度后進行的剛性支護，其時效性尤為重要。

3.2.2 開挖支護思路：①光面爆破，減少對巖層擾動（該隧洞為致密碳質千枚巖，開挖成型一般較好）；②及時進行剛、柔相結合的初期支護。及時性支護作用在于盡快封閉為拱狀受力結構，防止局部掉塊產生應力集中效應，從而引起塌方；剛柔結合支護作用在于即需提供一定收斂變形空間，同時針對碳質千枚巖強度低易破壞的特點，有支護剛度要求，防止收斂變形過大、過快引起失穩，為后期剛性支護提供時間條件。具體為型鋼拱架結合錨噴，局部根據需要進行超前管棚；③在一定時效期內（一般通過變形觀測），完成剛性支護（或襯砌）。如不具備永久襯砌條件，臨時剛性支護預留永久襯砌空間，或永臨結合結構。

3.3 柳坪隧洞塌方處理：

3.3.1 塌方過程及情況分析：隧洞 0+620～0+580段完成開挖及剛拱架聯合錨噴網支護施工后，由于拱頂以上20m范圍倒三角不利結構組合，掌子面（0+580）開挖后塌方，帶動后端不利結構層擴大塌方范圍，0+620～0+580已支護段整體坍塌。塌方體堆積高度15m（超出拱部結構線3m），頂部空腔高度17m。

3.3.2 一階段處理：由于安全考慮要求及現場不具備支護通道（渣體面后緣封住已開挖斷面），待坍塌基本穩定后進行了清渣工作；塌腔臨空面隨清渣工作的進行增大，應力重新分布過程中，由于圍巖屬于碳質千枚巖，強度低，受擠壓應力、自重應力作用下巖體破壞（擠壓破碎為石渣）引起塌方頂部進一步坍塌。

3.3.3 二階段處理：根據一階段的情況分析，進一步清渣工作將導致塌方處理不可控。將處理思路調整為：①保留渣體，在渣體頂部澆筑3m厚混凝土蓋撐住周邊圍巖，將上部應力通過混凝土拱蓋傳至邊墻。具體辦法為對渣體頂部打入2根φ95鋼管作為混凝土泵送管道，管口高出3～5m，管口間距10m，進行渣體頂部混凝土回填作業；②待頂部拱狀混凝土達一定強度后，按每循環1m進尺，分臺階完成混凝土邊墻接底工作。具體辦法為：混凝土邊墻頂住已澆筑混凝土頂蓋，單邊逐層下接。③混凝土墻體每完成3m接底工作，對墻體外圍圍巖徑項小導管固結灌漿，增加圍巖強度。④塌方段開挖襯砌貫通后，塌方前后端頭鎖口加強；0+580掌子面開挖前超前管棚灌漿，短進尺掘進，確保塌方段順利過渡。

三、結語

目前新奧法施工工藝、方法趨于成熟和完善，借鑒以往洞室工程不同地質情況下開挖、支護、襯砌施工思路，以探討交流。

參考文獻：

[1]王亞輝. “新奧法”改進工藝在特大洞室開挖施工中的應用[J]. 人民長江，2016，（11）：70-72.

[2]黃斌. 新奧法在小斷面引水隧洞工程中的應用[J]. 產業與科技論壇，2016，（03）：58-59.