新奧法在隧道施工中的應(yīng)用及發(fā)展

(山東建筑大學(xué) 山東 濟(jì)南 250000)

新奧法在隧道施工中的應(yīng)用及發(fā)展

焦紅王少泉

(山東建筑大學(xué)山東濟(jì)南250000)

新奧法在隧道施工中應(yīng)用廣泛，具有動態(tài)的力學(xué)受力特性。介紹了新奧法施工的原理，將圍巖視為承載結(jié)構(gòu)的重要組成部分。分析了新奧法的應(yīng)用過程，在實(shí)際工程的應(yīng)用中不斷得到發(fā)展和進(jìn)步。突出新奧法在施工過程中監(jiān)測的重要性，以及新奧法延伸發(fā)展的超前支護(hù)。同時新奧法也存在相關(guān)的問題，文中也指出了在技術(shù)和施工水平上可能存在的不足，以便在未來能夠得到修正和提升，彌補(bǔ)在實(shí)際應(yīng)用中的缺陷。最后論述了新奧法的發(fā)展趨勢，與動態(tài)信息化的設(shè)計相協(xié)調(diào)，共同作用于實(shí)際的工程中。

新奧法;施工應(yīng)用;存在問題;延伸發(fā)展

一、前言

新奧法是目前公路隧道施工中應(yīng)用范圍最廣的先進(jìn)施工技術(shù)，新奧法是在總結(jié)大量隧道施工實(shí)踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)巖體力學(xué)基本原理提出的一種科學(xué)的隧道施工方法。采用多種輔助施工措施包括管棚、注漿、鋼支撐支護(hù)等加固圍巖,充分調(diào)動圍巖的自承能力,開挖后適時支護(hù)、封閉成環(huán),使其與圍巖共同作用,施工過程中,加強(qiáng)量測監(jiān)控,為施工提供數(shù)據(jù)依據(jù)[1]。

新奧法以噴射混凝土和錨桿等作為初期支護(hù)的主要手段，開挖后適時對裸露圍巖進(jìn)行支護(hù)，使圍巖實(shí)現(xiàn)自承，并通過觀測圍巖收斂、變形和數(shù)據(jù)分析，來調(diào)整初期支護(hù)的參數(shù)和提供二次襯砌的施作時間，使各種支護(hù)既及時又合理，既經(jīng)濟(jì)又安全可靠。

二、新奧法施工的原理

新奧法是一種隧道施工方法，它與法國稱收斂約束法或有些國家所稱動態(tài)監(jiān)測設(shè)計施工法的基本原理一致，是目前國內(nèi)外廣泛采用的動態(tài)監(jiān)測設(shè)計施工方法[2]。該法在巖體力學(xué)的基礎(chǔ)上，把已往的普氏理論的圍巖荷載視作能自承載的結(jié)構(gòu)，并借助噴錨支護(hù)等加固作用充分發(fā)揮圍巖的自承性能，而這也是新奧法的精髓。隧道開挖后，解除了開挖斷面內(nèi)巖體的應(yīng)力，使圍巖處于臨空狀態(tài)，破壞了隧道頂面區(qū)域的應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖的徑向應(yīng)力突然降為零，而環(huán)向應(yīng)力則驟然升高，圍巖由原來的三維應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎S應(yīng)力狀態(tài)。開挖后，圍巖的彈性變形瞬間完成，但彈塑性和塑性變形將隨時間的推移繼續(xù)發(fā)展，這種變形是在圍巖應(yīng)力重分布過程中產(chǎn)生的。

因此，必須利用新奧法的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗變形過程中的應(yīng)力擴(kuò)散。在支護(hù)過程中，首先應(yīng)選用錨噴進(jìn)行初期支護(hù)。在二次支護(hù)過程中，選用模筑混凝土進(jìn)行復(fù)合襯砌，如圖1所示。而錨噴支護(hù)則是由噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)噴混凝土和錨桿組合形成的整體支護(hù)結(jié)構(gòu)。噴射混凝土是把帶有速凝劑的混凝土混合料利用混凝土噴射機(jī)和高壓水混合，再在高壓空氣的作用下將其噴射至巖面，并快速地凝結(jié)成形。

圖1 新奧法隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)

在隧道支護(hù)過程中應(yīng)用新奧法的錨噴支護(hù)技術(shù)，主要是將圍巖作為承載結(jié)構(gòu)的重要組成部分。在二次襯砌支護(hù)過程中，主要是將其作為后期圍巖的飾面和壓力的承載體，因而在進(jìn)行二次襯砌支護(hù)之前必須對圍巖的變形和初期支護(hù)以及隧道周邊情況等進(jìn)行綜合性評估。但無論是初期支護(hù)還是永久支護(hù)，都應(yīng)選用薄殼型的柔性結(jié)構(gòu)，從而在減少襯砌受彎變形的同時減少撓曲引起的斷裂。

三、新奧法在施工中的運(yùn)用

在工程預(yù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過勘察和量測獲得關(guān)于圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)系統(tǒng)工作狀態(tài)的動態(tài)信息，并對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的力學(xué)計算和理論分析，用拱頂下沉量和周邊收斂可實(shí)現(xiàn)對隧道內(nèi)變形的良好監(jiān)測，量測數(shù)據(jù)反映的規(guī)律能較合理地代表圍巖變形過程及發(fā)展趨勢[3]。按照圍巖穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則，評價圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)系統(tǒng)功能的安全性與經(jīng)濟(jì)性，用于修改和確定支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)、支護(hù)時機(jī)和施工對策，并指導(dǎo)后續(xù)施工，從而達(dá)到優(yōu)化工程設(shè)計和施工的目的。

(一)新奧法中加強(qiáng)監(jiān)測對施工的重要性

將監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析評價回歸到隧道襯砌結(jié)構(gòu)中來，需要特別注意襯砌結(jié)構(gòu)在施工過程中的變形問題。由于不可避免的超欠挖，以及施工不到位，實(shí)際施作的支護(hù)結(jié)構(gòu)往往和設(shè)計結(jié)構(gòu)有較大出入，主要表現(xiàn)為在隧道環(huán)向呈現(xiàn)不規(guī)則的凹凸起伏，在隧道縱向呈現(xiàn)波浪起伏。由于變異幅度很大，可能改變支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載特性，因此，在監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中必須以實(shí)測結(jié)構(gòu)為模型，才能得出準(zhǔn)確結(jié)論。要快速分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，就必須快速獲得真實(shí)模型。監(jiān)控量測的流程分析如圖2所示。

圖2 監(jiān)控量測的流程分析

初期支護(hù)結(jié)束之后，由于其變形相對穩(wěn)定，因而應(yīng)加設(shè)模板，并進(jìn)行二次襯砌的澆筑。而新奧法的特點(diǎn)就在于集施工監(jiān)測、力學(xué)計算以及經(jīng)驗方法于一體，因而整個隧道的勘探、設(shè)計、施工等環(huán)節(jié)交叉融合，所以應(yīng)在對地質(zhì)進(jìn)行初步調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)驗方法或數(shù)學(xué)計算對其進(jìn)行預(yù)設(shè)計，確定支護(hù)參數(shù)，并在施工時做好監(jiān)控測試系統(tǒng)的布置。

(二)新奧法施工的延伸發(fā)展

超前支護(hù)借鑒混凝土拱殼施工法，在拱形槽內(nèi)塞入剛架和鋼筋網(wǎng)而不是回填混凝土或砂漿，廊道開挖后剛架即作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分。這種超前支護(hù)方法充分發(fā)揮了剛架即時承載的長處，工藝比較簡單。在較差的圍巖中創(chuàng)造性地應(yīng)用超前支護(hù)，在未開挖隧道之前，根據(jù)圍巖的實(shí)際情況分別采用高壓旋噴注漿、小導(dǎo)管注漿、錨桿或大管棚注漿來提前加固圍巖，使其開挖后能夠自承一段時間，給施作錨噴支護(hù)和支立拱架提供安全環(huán)境[4]。超前支護(hù)可單項使用，也可多項同時使用，以促進(jìn)圍巖基本穩(wěn)定為宜。超前支護(hù)就是要發(fā)揮圍巖的自承能力，避免發(fā)生塌方，這正是新奧法的延伸和發(fā)展。

四、新奧法應(yīng)用中存在的問題

噴錨支護(hù)施工存在不及時的現(xiàn)象，給支護(hù)施工質(zhì)量和安全帶來一定隱患。在圍巖情況較好的情況下采用錨桿、噴射混凝土施工方式進(jìn)行初期支護(hù)，但經(jīng)常因為施工進(jìn)度或以往經(jīng)驗等因素而造成初期支護(hù)不及時的現(xiàn)象。如支護(hù)不及時，很可能會因后期的爆破擾動，以致垮落、失穩(wěn)[5]；對于自穩(wěn)能力差的破碎圍巖，難以把握初期支護(hù)的時機(jī)，等到巖石松動時才去支護(hù)，失去了利用圍巖自身承載能力的機(jī)會，增加了施工的安全風(fēng)險。

噴射混凝土存在厚薄不均的現(xiàn)象，易造成應(yīng)力集中而破壞圍巖。在施工過程中，初期支護(hù)的噴射混凝土厚度基本能夠滿足初期支護(hù)要求，但由于超欠挖等原因?qū)е卤桓埠穸炔痪鶆颍@樣在圍巖表層形成的柔性被覆外拱就會出現(xiàn)應(yīng)力分布不均的情況，致使被覆層出現(xiàn)裂縫，大大降低噴射混凝土被覆的效果，同時應(yīng)力集中部位的圍巖變形加劇而出現(xiàn)局部石渣滑落的危險。

目前針對該工程在光面爆破關(guān)鍵技術(shù)的研究應(yīng)用上還不夠深入，光爆效果不理想。在光面爆破技術(shù)應(yīng)用中存在對圍巖特性研究不夠深入，鉆孔布局不能根據(jù)巖性變化進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)整，坑道超欠挖量較大，對圍巖擾動大。

施工管理水平和操作人員素質(zhì)距離新奧法的技術(shù)組織要求相差太遠(yuǎn)，施工流程和質(zhì)量指標(biāo)難以達(dá)到規(guī)定，使得新奧法在實(shí)行中大打折扣。例如，在軟弱、破碎的地層中施工，不按照“噴—錨一網(wǎng)一支一噴”的標(biāo)準(zhǔn)程序走，而是省卻工序，邊挖邊支，最后再噴。結(jié)果形成開挖面較長時間地裸露，臨空面圍巖出現(xiàn)較大的松弛和變形，自穩(wěn)能力有了不同程度地下降;更為惡劣的情形是在支撐背后的超挖空洞里填塞石塊和雜物，以噴射混凝土覆蓋之;還有支撐接頭連接強(qiáng)度不足、軸線偏離超標(biāo)的情形等。這些不規(guī)范、不道德的操作行為降低了圍巖和支護(hù)的設(shè)計承載能力，埋下了嚴(yán)重的質(zhì)量隱患，并嚴(yán)重危害施工安全，甚至可能造成隧道坍塌。所以，提高施工管理水平和加強(qiáng)施工人員的技術(shù)培訓(xùn)也應(yīng)該是施行新奧法的重要環(huán)節(jié)。

五、新奧法未來的發(fā)展延伸

工程預(yù)設(shè)計是開始施工的技術(shù)依據(jù)，也是信息采集和修正設(shè)計的基礎(chǔ)。預(yù)設(shè)計是在獲取使用要求、工程地質(zhì)條件、巖體力學(xué)參數(shù)及圍巖分級、隧道圍巖壓力等相關(guān)資料基礎(chǔ)上，開展包括隧道斷面尺寸、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式及初步參數(shù)、施工工藝等工作，最終形成工程施工圖紙。

在測試技術(shù)方面，無論是遠(yuǎn)程有線、無線通信技術(shù)都已經(jīng)比較成熟，在施工現(xiàn)場這一塊，以總線通信技術(shù)為代表的通信技術(shù)也非常成熟，因此，要實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)的在線監(jiān)測，通信技術(shù)不是問題，關(guān)鍵問題是如何廉價、便捷地布設(shè)龐大的傳感器系統(tǒng)。分布式傳感器系統(tǒng)是解決這一問題的重要手段。以圍巖壓力為例，采用分布式壓力傳感器，將可以獲得更豐富的壓力信息，避免因偏壓、超挖，導(dǎo)致測得的壓力量值及分布與實(shí)際不符。

動態(tài)信息采集是判斷圍巖是否穩(wěn)定、工程預(yù)設(shè)計是否妥當(dāng)?shù)幕臼侄魏鸵罁?jù)，也是修正工程預(yù)設(shè)計的基本依據(jù)，因此，信息采集在整個信息化動態(tài)設(shè)計與施工技術(shù)中發(fā)揮著承上啟下的紐帶作用，是十分重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。信息化施工是一個動態(tài)的過程,實(shí)施信息化施工必然要求管理、合同等方面與之相適應(yīng)[6]。動態(tài)信息采集通過現(xiàn)場量測實(shí)現(xiàn)，并在確定量測基準(zhǔn)值和制定安全管理機(jī)制基礎(chǔ)上，分析量測結(jié)果，修正設(shè)計。

篩選量測項目的原則是量測簡單、結(jié)果可靠、成本低廉、數(shù)據(jù)易于分析反饋，結(jié)合本次隧道工程特點(diǎn)安排了洞內(nèi)觀察、圍巖表面收斂監(jiān)測、圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測和地質(zhì)超前預(yù)報等現(xiàn)場量測項目，目的是正確反映圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的動態(tài)。

六、結(jié)語

新奧法作為一種先進(jìn)理念，其科學(xué)性已經(jīng)得到了證實(shí)，但由于巖土材料的復(fù)雜性，其在實(shí)踐中還面臨著諸多難題。原本量測數(shù)據(jù)的采集、處理和分析就是新奧法的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是新奧法需要繼續(xù)深入發(fā)展的重要方面之一，監(jiān)測系統(tǒng)不完善使得信息要素缺失，新奧法在

實(shí)際運(yùn)用中遇到困難。同時不規(guī)范的操作行為降低了圍巖和支護(hù)的設(shè)計承載能力，埋下了嚴(yán)重的質(zhì)量隱患，甚至造成隧道坍塌。公路隧道施工企業(yè)必須結(jié)合工程實(shí)際，科學(xué)運(yùn)用新奧法進(jìn)行隧道圍巖的支護(hù)、隧道施工的監(jiān)測以及隧道的開挖施工，確保公路隧道工程質(zhì)量。隨著在工程施工中不斷地實(shí)踐總結(jié)，新奧法技術(shù)將會不斷得到完善，在地下工程施工中將發(fā)揮更加重要的作用。

[1]王新建.新奧法原理在復(fù)雜地質(zhì)軟巖隧道施工中的應(yīng)用[J].上海鐵道科技,2006(2):48-49．

[2]彭佳林.新奧法在高速公路隧道設(shè)計與施工技術(shù)中的分析應(yīng)用[J].四川建材,2010,36(2):148-150．

[3]代高飛,應(yīng)松,夏才初等.高速公路隧道新奧法施工監(jiān)控量測[J].重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版， 2004,27(2):132-135．

[4]李小紅.隧道新奧法及其量測技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2002．

[5]TBJ10003—2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005．

[6]張延.信息化施工技術(shù)在山嶺偏壓隧道中的應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù),2009(2):109—111．

焦紅(1965-)，女，漢族，山東濟(jì)南，副教授，碩士，山東建筑大學(xué)，研究方向：鋼結(jié)構(gòu)、工程項目管理；王少泉(1993-)，男，漢族，江蘇泰州，研究生，山東建筑大學(xué)，研究方向：建造技術(shù)與項目管理。