公路隧道新奧法開挖支護施工技術分析

張永君

(山西路橋集團左涉公路有限公司，山西 左權 032600)

0 前 言

新奧法最早由奧地利拉布西維茲于20世紀50年代創立，后經不斷修正和完善被廣泛應用在隧道開挖及支護施工實踐中，并取得了良好的質量安全反饋；新奧法不同于普通礦山法，該技術同時集成了開挖和支護兩個重要施工分項，同時借助超前地質預報技術、監控量測技術現場對施工進度、圍巖支護及開挖模式進行修正優化，是一套系統性極強的隧道施工方案。新奧法施工以維持隧道圍巖原始強度為原則，通過開挖與圍巖支護配合的方式抵抗隧道圍巖應力松弛破壞，最大程度發揮圍巖自身的承載性能；同時，新奧法施工的寬容性更高，在掌子面推進過程中允許一定限度的圍巖形變，以緩慢釋放圍巖內應力，避免“巖爆”事故的發生。

1 公路隧道新奧法施工原理及應用范圍

1.1 公路隧道新奧法施工原理概述

隧道圍巖在新奧法施工過程中同時扮演承載和支護兩個角色，圍巖與支護結構共同構成承載復合結構，在掌子面推進過程中應盡量減少對圍巖的擾動，維持圍巖原始穩定性；掌子面推進過程中應及時做好首次支護，一方面約束圍巖荷載釋放規模，控制圍巖形變，另一方面，控制圍巖應力重分布影響邊際，降低開挖荷載對圍巖的不良擾動，尤其是隧道拱部開挖應保證一次成型；首次支護宜使用噴錨支護，使用高壓噴射混凝土提高支護材料與圍巖的貼合性，徹底封閉圍巖裂隙，阻塞暗流及地下水滲透通道，緩解應力集中效應，有助于環向應力的合理傳遞；為了強化隧道圍巖支護結構的剛度和密封性，隧道支護應盡快封閉，可通過增設仰拱、鋼拱等設施提升隧道支護結構的可靠性。圖1為隧道仰拱布置示意圖。

圖1 隧道仰拱布置示意圖

1.2 公路隧道新奧法應用范圍

新奧法施工技術并非適用于任何隧道結構，在隧道工程實踐中，開挖及支護方式選取必須結合隧道地質條件和水文條件。以山區公路施工過程中常見的山嶺隧道為例，常用的隧道開挖技術有機械掘進法和礦山開挖法兩種，其中，機械掘進法適用于長距離隧道，且機械掘進施工技術能夠滿足復雜地質條件要求，對隧道圍巖的變形控制效率更高，可用于圍巖等級較高的隧道開挖項目；礦山開挖法分為傳統礦山法和新奧法兩種，二者均使用鉆爆的形式掘進，但支護形式不同，傳統礦山法采用鋼木組合支護，新奧法則常用噴射混凝土、錨噴混凝土或澆筑混凝土進行支護。表1羅列了常見土質隧道施工方法。

表1 常見土質隧道施工方法

2 新奧法常見開挖方式和支護結構概述

2.1 新奧法常見開挖方式概述

采用新奧法開挖隧道時，具體開挖方式的選取不能單純以某一單獨因素決定，必須綜合隧道圍巖等級、施工作業空間、隧道埋深、開挖斷面、襯砌形式等眾多因素綜合決定，必須本著安全第一的原則，不能只圖施工進度和施工效率而忽略施工安全。目前，已被應用到工程實際中的開挖方式主要有：全斷面開挖法、臺階開挖法、分部開挖法及中隔墻法。

1)全斷面開挖法。本文提及的全斷面開挖法特指新奧全斷面開挖法，全斷面開挖對設計開挖面一次性開挖成型，由于開挖作業面尺寸較大，能夠滿足大型施工機械作業空間需求，極大地提高了施工效率；全斷面開挖一次成型能夠降低施工荷載對隧道圍巖穩定性的干擾，可以先開挖成型再做圍巖襯砌；目前，全斷面開挖技術主要應用于Ⅱ級及以下圍巖，對于部分掌子面面積小于50 m2，且隧道圍巖等級為Ⅲ級時，先對圍巖進行注漿補強后仍可采用全斷面開挖法。圖2為全斷面開挖掌子面示意圖。

圖2 全斷面開挖掌子面示意圖

2)臺階開挖法。臺階開挖法在新奧法施工項目中的應用最為廣泛，由于可對臺階長度進行任意調整，因此，臺階開挖法的適用性極高；傳統的臺階開挖法將掌子面劃分為上半面和下半面，根據臺階長度可進一步細分為長臺階法和短臺階法；雖然臺階開挖法的工程適用性良好，但相較于全斷面開挖法，臺階開挖的施工周期更長，圍巖被擾動頻率更高，圍巖支護封閉周期較長，在未完全封閉周期內的圍巖變形更加顯著。綜上，在使用臺階開挖法進行施工時，應綜合圍巖等級、現場施工效率、支護條件等因素決定臺階長度，因其施工控制難度較低，目前，臺階開挖法更多被應用在Ⅳ級及以上的軟弱圍巖中。

3)分部開挖法。分部開挖法本質上是對臺階開挖的進一步細化和升級，根據不同分部的施工順序和方式，分部開挖法又可細分為：環形開挖留核心土法、上下導坑法、側壁導坑法及中洞法等；顧名思義，分部開挖法先將開挖掌子面劃分為若干部分，對不同部分進行分別開挖和成型，分部開挖法主要應用在圍巖等級較高的軟弱圍巖或存在塌方誘因的圍巖地帶。以工程上常見的環形開挖留核心土法為例，該方法借助預留的核心土結構臨時支撐開挖面，其施工可靠性明顯高于短臺階法，但環形開挖留核心土法的施工進度緩慢，且施工子作業面數量較多，不利于隧洞內通風。圖3為環形開挖留核心土開挖法作業面示意圖。

圖3 環形開挖留核心土開挖法作業面示意圖

4)中隔墻法(又可分為普通中隔墻法和交叉中隔墻法)。中隔墻法同樣適用于軟弱圍巖地帶，尤其是在控制隧洞內地基沉陷問題上效果更加顯著，目前，中隔墻法已經被廣泛應用在城市地下軌道交通建設項目中。

2.2 新奧法常見支護結構概述

目前，在公路隧道工程施工實踐中，基本不允許“毛洞”的存在，必須根據圍巖等級及現場施工情況對隧道內壁進行合理的支護，工程上又將隧道支護結構統稱為襯砌。隧道襯砌除了應滿足隧道內通行凈空要求外，還應具備承載性、可靠性及可施工性，以實現圍巖與襯砌結構的協同承載。以新奧法為例，新奧法隧道襯砌結構的主要功能是約束圍巖變形，控制圍巖因應力松弛效應引起的巖體失穩、坍塌、掉落等病害。

根據隧道圍巖等級及設計施工條件，常用的隧道支護結構分為防備支護、構造支護及承載支護三種。防備支護無法抵抗圍巖壓應力，主要起到封閉“毛洞”、保護巖壁的作用，防備支護可直接向“毛洞”噴射混凝土或單獨打錨桿支護，其施工工序簡單、難度較低；構造支護適用于圍巖處于彈性變形限度內的隧道，隧道圍巖可獨立形成穩定結構，所需外界支護補強要求較低；為了降低施工難度，襯砌厚度、錨桿直徑及長度等參數可根據現場施工構造要求直接決定，構造支護一般可選噴射混凝土、打錨桿、澆筑混凝土等方式進行施工；對于存在塑性形變的隧道圍巖必須進行可靠支護，支護結構一般選用復合襯砌結構，其中，“一襯”以噴射混凝土配合錨桿加固，“二襯”則使用現澆混凝土構筑，且襯砌間應增設防滲保護層。

3 結 語

綜上所述，新奧法開挖支護施工體系基本覆蓋了各種圍巖等級隧道，其工程適用性、可靠性及工程經濟性均有明顯優勢；在選定具體的隧道開挖方法及支護形式時，必須全面考慮隧道圍巖等級、隧道地質條件、施工作業水平、工程安全性及工程經濟性等各種因素，從而制定出科學合理的新奧法施工技術方案。

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