新奧法在隧道施工中的應用及發展

(山東建筑大學 山東 濟南 250000)

新奧法在隧道施工中的應用及發展

焦紅王少泉

(山東建筑大學山東濟南250000)

新奧法在隧道施工中應用廣泛，具有動態的力學受力特性。介紹了新奧法施工的原理，將圍巖視為承載結構的重要組成部分。分析了新奧法的應用過程，在實際工程的應用中不斷得到發展和進步。突出新奧法在施工過程中監測的重要性，以及新奧法延伸發展的超前支護。同時新奧法也存在相關的問題，文中也指出了在技術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，彌補在實際應用中的缺陷。最后論述了新奧法的發展趨勢，與動態信息化的設計相協調，共同作用于實際的工程中。

新奧法;施工應用;存在問題;延伸發展

一、前言

新奧法是目前公路隧道施工中應用范圍最廣的先進施工技術，新奧法是在總結大量隧道施工實踐經驗的基礎上，根據巖體力學基本原理提出的一種科學的隧道施工方法。采用多種輔助施工措施包括管棚、注漿、鋼支撐支護等加固圍巖,充分調動圍巖的自承能力,開挖后適時支護、封閉成環,使其與圍巖共同作用,施工過程中,加強量測監控,為施工提供數據依據[1]。

新奧法以噴射混凝土和錨桿等作為初期支護的主要手段，開挖后適時對裸露圍巖進行支護，使圍巖實現自承，并通過觀測圍巖收斂、變形和數據分析，來調整初期支護的參數和提供二次襯砌的施作時間，使各種支護既及時又合理，既經濟又安全可靠。

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監測設計施工法的基本原理一致，是目前國內外廣泛采用的動態監測設計施工方法[2]。該法在巖體力學的基礎上，把已往的普氏理論的圍巖荷載視作能自承載的結構，并借助噴錨支護等加固作用充分發揮圍巖的自承性能，而這也是新奧法的精髓。隧道開挖后，解除了開挖斷面內巖體的應力，使圍巖處于臨空狀態，破壞了隧道頂面區域的應力平衡狀態，圍巖的徑向應力突然降為零，而環向應力則驟然升高，圍巖由原來的三維應力狀態變為二維應力狀態。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發展，這種變形是在圍巖應力重分布過程中產生的。

因此，必須利用新奧法的隧道支護結構抵抗變形過程中的應力擴散。在支護過程中，首先應選用錨噴進行初期支護。在二次支護過程中，選用模筑混凝土進行復合襯砌，如圖1所示。而錨噴支護則是由噴射混凝土、鋼筋網噴混凝土和錨桿組合形成的整體支護結構。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，并快速地凝結成形。

圖1 新奧法隧道支護結構

在隧道支護過程中應用新奧法的錨噴支護技術，主要是將圍巖作為承載結構的重要組成部分。在二次襯砌支護過程中，主要是將其作為后期圍巖的飾面和壓力的承載體，因而在進行二次襯砌支護之前必須對圍巖的變形和初期支護以及隧道周邊情況等進行綜合性評估。但無論是初期支護還是永久支護，都應選用薄殼型的柔性結構，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用

在工程預設計的基礎上，通過勘察和量測獲得關于圍巖穩定性和支護系統工作狀態的動態信息，并對量測數據進行必要的力學計算和理論分析，用拱頂下沉量和周邊收斂可實現對隧道內變形的良好監測，量測數據反映的規律能較合理地代表圍巖變形過程及發展趨勢[3]。按照圍巖穩定性判斷準則，評價圍巖穩定性和支護系統功能的安全性與經濟性，用于修改和確定支護系統的設計參數、支護時機和施工對策，并指導后續施工，從而達到優化工程設計和施工的目的。

(一)新奧法中加強監測對施工的重要性

將監測數據的分析評價回歸到隧道襯砌結構中來，需要特別注意襯砌結構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，實際施作的支護結構往往和設計結構有較大出入，主要表現為在隧道環向呈現不規則的凹凸起伏，在隧道縱向呈現波浪起伏。由于變異幅度很大，可能改變支護結構的承載特性，因此，在監測數據分析中必須以實測結構為模型，才能得出準確結論。要快速分析監測數據，就必須快速獲得真實模型。監控量測的流程分析如圖2所示。

圖2 監控量測的流程分析

初期支護結束之后，由于其變形相對穩定，因而應加設模板，并進行二次襯砌的澆筑。而新奧法的特點就在于集施工監測、力學計算以及經驗方法于一體，因而整個隧道的勘探、設計、施工等環節交叉融合，所以應在對地質進行初步調查的基礎上，結合經驗方法或數學計算對其進行預設計，確定支護參數，并在施工時做好監控測試系統的布置。

(二)新奧法施工的延伸發展

超前支護借鑒混凝土拱殼施工法，在拱形槽內塞入剛架和鋼筋網而不是回填混凝土或砂漿，廊道開挖后剛架即作為支護結構的一部分。這種超前支護方法充分發揮了剛架即時承載的長處，工藝比較簡單。在較差的圍巖中創造性地應用超前支護，在未開挖隧道之前，根據圍巖的實際情況分別采用高壓旋噴注漿、小導管注漿、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，給施作錨噴支護和支立拱架提供安全環境[4]。超前支護可單項使用，也可多項同時使用，以促進圍巖基本穩定為宜。超前支護就是要發揮圍巖的自承能力，避免發生塌方，這正是新奧法的延伸和發展。

四、新奧法應用中存在的問題

噴錨支護施工存在不及時的現象，給支護施工質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行初期支護，但經常因為施工進度或以往經驗等因素而造成初期支護不及時的現象。如支護不及時，很可能會因后期的爆破擾動，以致垮落、失穩[5]；對于自穩能力差的破碎圍巖，難以把握初期支護的時機，等到巖石松動時才去支護，失去了利用圍巖自身承載能力的機會，增加了施工的安全風險。

噴射混凝土存在厚薄不均的現象，易造成應力集中而破壞圍巖。在施工過程中，初期支護的噴射混凝土厚度基本能夠滿足初期支護要求，但由于超欠挖等原因導致被覆厚度不均勻，這樣在圍巖表層形成的柔性被覆外拱就會出現應力分布不均的情況，致使被覆層出現裂縫，大大降低噴射混凝土被覆的效果，同時應力集中部位的圍巖變形加劇而出現局部石渣滑落的危險。

目前針對該工程在光面爆破關鍵技術的研究應用上還不夠深入，光爆效果不理想。在光面爆破技術應用中存在對圍巖特性研究不夠深入，鉆孔布局不能根據巖性變化進行準確的調整，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距離新奧法的技術組織要求相差太遠，施工流程和質量指標難以達到規定，使得新奧法在實行中大打折扣。例如，在軟弱、破碎的地層中施工，不按照“噴—錨一網一支一噴”的標準程序走，而是省卻工序，邊挖邊支，最后再噴。結果形成開挖面較長時間地裸露，臨空面圍巖出現較大的松弛和變形，自穩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度不足、軸線偏離超標的情形等。這些不規范、不道德的操作行為降低了圍巖和支護的設計承載能力，埋下了嚴重的質量隱患，并嚴重危害施工安全，甚至可能造成隧道坍塌。所以，提高施工管理水平和加強施工人員的技術培訓也應該是施行新奧法的重要環節。

五、新奧法未來的發展延伸

工程預設計是開始施工的技術依據，也是信息采集和修正設計的基礎。預設計是在獲取使用要求、工程地質條件、巖體力學參數及圍巖分級、隧道圍巖壓力等相關資料基礎上，開展包括隧道斷面尺寸、支護結構形式及初步參數、施工工藝等工作，最終形成工程施工圖紙。

在測試技術方面，無論是遠程有線、無線通信技術都已經比較成熟，在施工現場這一塊，以總線通信技術為代表的通信技術也非常成熟，因此，要實現支護結構力學指標的在線監測，通信技術不是問題，關鍵問題是如何廉價、便捷地布設龐大的傳感器系統。分布式傳感器系統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，導致測得的壓力量值及分布與實際不符。

動態信息采集是判斷圍巖是否穩定、工程預設計是否妥當的基本手段和依據，也是修正工程預設計的基本依據，因此，信息采集在整個信息化動態設計與施工技術中發揮著承上啟下的紐帶作用，是十分重要的技術環節。信息化施工是一個動態的過程,實施信息化施工必然要求管理、合同等方面與之相適應[6]。動態信息采集通過現場量測實現，并在確定量測基準值和制定安全管理機制基礎上，分析量測結果，修正設計。

篩選量測項目的原則是量測簡單、結果可靠、成本低廉、數據易于分析反饋，結合本次隧道工程特點安排了洞內觀察、圍巖表面收斂監測、圍巖內部位移監測和地質超前預報等現場量測項目，目的是正確反映圍巖和支護結構的動態。

六、結語

新奧法作為一種先進理念，其科學性已經得到了證實，但由于巖土材料的復雜性，其在實踐中還面臨著諸多難題。原本量測數據的采集、處理和分析就是新奧法的重點和難點，也是新奧法需要繼續深入發展的重要方面之一，監測系統不完善使得信息要素缺失，新奧法在

實際運用中遇到困難。同時不規范的操作行為降低了圍巖和支護的設計承載能力，埋下了嚴重的質量隱患，甚至造成隧道坍塌。公路隧道施工企業必須結合工程實際，科學運用新奧法進行隧道圍巖的支護、隧道施工的監測以及隧道的開挖施工，確保公路隧道工程質量。隨著在工程施工中不斷地實踐總結，新奧法技術將會不斷得到完善，在地下工程施工中將發揮更加重要的作用。

[1]王新建.新奧法原理在復雜地質軟巖隧道施工中的應用[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計與施工技術中的分析應用[J].四川建材,2010,36(2):148-150．

[3]代高飛,應松,夏才初等.高速公路隧道新奧法施工監控量測[J].重慶大學學報:自然科學版， 2004,27(2):132-135．

[4]李小紅.隧道新奧法及其量測技術[M].北京:科學出版社,2002．

[5]TBJ10003—2005鐵路隧道設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2005．

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

焦紅(1965-)，女，漢族，山東濟南，副教授，碩士，山東建筑大學，研究方向：鋼結構、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，研究方向：建造技術與項目管理。