新奧法隧道施工探討

【摘 要】新奧法是在利用圍巖本身所具有的承載效能的前提下，采用毫秒爆破和光面爆破技術(shù)，進(jìn)行全斷面開(kāi)挖施工，并以形成復(fù)合式內(nèi)外兩層襯砌來(lái)修建隧道的洞身，即以噴混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼支撐等為外層支護(hù)形式，稱為初次柔性支護(hù)，系在洞身開(kāi)挖之后必須立即進(jìn)行的支護(hù)工作。

【關(guān)鍵詞】新奧法 圍巖 隧道施工 承載效能 初次柔性支護(hù)

【中圖分類號(hào)】U455 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2015）02-0186-02

一 新奧法施工概述

新奧法即新奧地利隧道施工方法（New Austrian Tunnelling Method，簡(jiǎn)稱NATM）的簡(jiǎn)稱。新奧法概念是奧地利學(xué)者拉布西維茲（L.V.RABCEW ICZ）教授于20世紀(jì)50年代提出的，它是以隧道工程經(jīng)驗(yàn)和巖體力學(xué)的理論為基礎(chǔ)，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護(hù)手段的一種施工方法，經(jīng)過(guò)一些國(guó)家的許多實(shí)踐和理論研究，于20世紀(jì)60年代取得專利權(quán)并正式命名。之后這個(gè)方法在西歐、北歐、美國(guó)和日本等許多地下工程中獲得極為迅速的發(fā)展，已成為現(xiàn)代隧道工程新技術(shù)的標(biāo)志之一。20世紀(jì)60年代NATM被介紹到我國(guó)，20世紀(jì)70年代末80年代初得到迅速發(fā)展。至今，可以說(shuō)在所有重點(diǎn)難點(diǎn)的地下工程中都離不開(kāi)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。

二 新奧法施工特點(diǎn)

1.及時(shí)性

新奧法施工采用噴錨支護(hù)為主要手段，可以最大限度地緊跟開(kāi)挖作業(yè)面施工，因此可以利用開(kāi)挖施工面的時(shí)空效應(yīng)，以限制支護(hù)前的變形發(fā)展，阻止圍巖進(jìn)入松動(dòng)的狀態(tài)，在必要的情況下可以進(jìn)行超前支護(hù)，加之噴射混凝土的早強(qiáng)和全面粘結(jié)性，保證了支護(hù)的及時(shí)性和有效性。

在巷道爆破后立即施工以噴射混凝土支護(hù)能有效地制止巖層變形的發(fā)展，并控制應(yīng)力降低區(qū)的伸展而減輕支護(hù)的承載，增強(qiáng)了巖層的穩(wěn)定性。

2.封閉性

由于噴錨支護(hù)能及時(shí)施工，而且是全面密粘的支護(hù)，因此能及時(shí)有效地防止因水和風(fēng)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(hù)原有巖體的強(qiáng)度。

巷道開(kāi)挖后，圍巖由于爆破作用產(chǎn)生新的裂縫，加上原有地質(zhì)構(gòu)造上的裂縫，隨時(shí)都有可能產(chǎn)生變形或塌落。當(dāng)噴射混凝土支護(hù)以較高的速度射向巖面，很好地充填圍巖的裂隙和凹穴，大大提高了圍巖的強(qiáng)度（提高圍巖的粘聚力C和增大內(nèi)摩擦角）。同時(shí)噴錨支護(hù)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(kāi)，導(dǎo)致圍巖失去穩(wěn)定。

3.粘結(jié)性

噴錨支護(hù)與圍巖能全面粘結(jié)，這種粘結(jié)可以產(chǎn)生三種作用：

第一，聯(lián)鎖作用，即將被裂隙分割的巖塊粘結(jié)在一起。若圍巖的某塊危巖活石發(fā)生滑移墜落，則引起臨近巖塊的聯(lián)鎖反應(yīng)，相繼喪失穩(wěn)定，從而造成較大范圍的冒頂或片幫。開(kāi)巷后如能及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)，噴錨支護(hù)的粘結(jié)力和抗剪強(qiáng)

度可以抵抗圍巖的局部破壞，防止個(gè)別危巖活石滑移和墜落，從而保持圍巖的穩(wěn)定性。

第二，復(fù)合作用，即圍巖與支護(hù)構(gòu)成一個(gè)復(fù)合體（受力體系）共同支護(hù)圍巖。噴錨支護(hù)可以提高圍巖的穩(wěn)定性和自身的支撐能力，同時(shí)與圍巖形成一個(gè)共同工作的力學(xué)系統(tǒng)，具有把巖石荷載轉(zhuǎn)化為巖石承載結(jié)構(gòu)的作用，從根本上改變支架消極承擔(dān)的弱點(diǎn)。

第三，增加作用。開(kāi)巷后及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)，一方面將圍巖表面的凹凸不平處填平，消除因巖面不平引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免過(guò)大的應(yīng)力集中所造成的圍巖破壞；另一方面，使巷道周邊圍巖形成雙方向受力狀態(tài)，提高了圍巖的粘聚力C和增大內(nèi)摩擦角，也就是加固了圍巖的穩(wěn)定。

4.柔性

噴錨支護(hù)屬于柔性薄性支護(hù)，能夠和圍巖緊粘在一起共同作用。由于噴錨支護(hù)具有一定柔性，可以和圍巖共同產(chǎn)生變形，在圍巖中形成一定范圍的非彈性變形區(qū)，并能有效控制允許圍巖塑性區(qū)有適度的發(fā)展，使圍巖的自承能力得以充分發(fā)揮。另外，噴錨支護(hù)在與圍巖共同變形中受到壓縮，對(duì)圍巖產(chǎn)生越來(lái)越大的支護(hù)反力，能抑制圍巖產(chǎn)生過(guò)大變形，防止圍巖發(fā)生松動(dòng)破壞。

三 新奧法施工工藝流程和關(guān)鍵技術(shù)

新奧法以噴射混凝土、錨桿支護(hù)為主要支護(hù)手段，因錨桿噴射混凝土支護(hù)能形成柔性薄層，與圍巖緊密粘結(jié)的可縮性支護(hù)結(jié)構(gòu)，允許圍巖有一定的協(xié)調(diào)變形，而不使支護(hù)結(jié)構(gòu)承受過(guò)大的壓力。

施工順序可以概括為：開(kāi)挖→一次支護(hù)→二次支護(hù)。

1.開(kāi)挖

隧道開(kāi)挖前，首先就隧道分部開(kāi)挖順序、部位標(biāo)高進(jìn)行科學(xué)的確定，然后就各部位的鉆眼、裝藥、爆破等細(xì)節(jié)合理地調(diào)整系數(shù)，以達(dá)到超欠挖最少、輪廓成形圓順的效果。

中導(dǎo)洞及主洞的分部位開(kāi)挖標(biāo)高位置確定，應(yīng)充分考慮工程量比例的合理安排、初期支護(hù)難度、材料合理應(yīng)用以及機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)空間等需要。

第一，工程量比例適當(dāng)：分部位開(kāi)挖法施工要求每步工程量要適當(dāng)，以便開(kāi)挖施工的三個(gè)部位能形成流水式作業(yè)，減少開(kāi)挖和支護(hù)時(shí)間，充分發(fā)揮機(jī)械的使用功能。

第二，支護(hù)難度考慮：尤其是拱部開(kāi)挖，斷面空間大小既要考慮工人操作的簡(jiǎn)單、快速，又要考慮支護(hù)材料的合理下料不至于浪費(fèi)。如拱部工程量斷面過(guò)大或過(guò)小，勢(shì)必會(huì)增加出碴、支護(hù)的難度和時(shí)間，給安全施工帶來(lái)極大隱患。

第三，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)空間要求：一般情況下，拱部開(kāi)挖標(biāo)高應(yīng)能滿足ZL-50裝載機(jī)在其間能運(yùn)行自如，拱部不宜斷面過(guò)大。

當(dāng)然還要考慮斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力要求，盡量避免初支結(jié)束后支點(diǎn)處于不利的受力支點(diǎn)上。

2.鉆眼施工

隧道鉆眼的好壞，會(huì)影響到斷面輪廓成形的圓順以及超欠挖的多少。而鉆眼施工的各工序中，眼數(shù)、眼深、布眼角度、布眼形式等均需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整系數(shù)，才能達(dá)到最理想的效果。

第一，掏槽眼：其選擇形式根據(jù)地質(zhì)資料，選擇楔形掏槽，既達(dá)到了掏槽效果，又節(jié)約了鉆眼數(shù)量和時(shí)間。眼深比其他眼深20～30cm。

第二，輔助眼：由于隧道圍巖均為強(qiáng)風(fēng)化～風(fēng)化千枚狀板巖，節(jié)理（裂隙）相當(dāng)發(fā)育，結(jié)合每次爆破效果，眼距為80cm左右較為合理。

第三，周邊眼：決定輪廓成形是否圓順的關(guān)鍵。由于圍巖較差，一般按45cm環(huán)狀布孔。結(jié)合不同類別巖石，眼距控制在25～45cm。一些特別破碎地段，眼距為25cm時(shí)，采用隔眼裝藥方法進(jìn)行爆破。周邊眼要求眼位盡量在同一環(huán)狀平面上，并且眼深一致。

第四，底眼：一般要求不高，只是鉆眼應(yīng)盡量控制在同一底平面或設(shè)計(jì)的輪廓位置上，并盡量減少底部的超挖回填工作。眼深比其他眼深20～30cm。

第五，輔助眼、周邊眼的眼深要保持一致，這樣才有利于爆破后掌子面平齊，便于后續(xù)施工進(jìn)行。

3.裝藥爆破

鉆眼結(jié)束以后，裝藥也甚為重要。裝藥不當(dāng)，將導(dǎo)致爆破輪廓成形參差不齊，甚至局部引起較大的超欠挖。一般情況下（2.5m眼深）掏槽眼裝藥要足但應(yīng)適量，輔助眼藥量為二分之一到三分之一眼深的藥量，周邊眼視圍巖裂隙情況可少裝藥甚至不裝藥（即采用隔眼裝藥、預(yù)裂爆破）。

裝藥工作是個(gè)既要有理論又要有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的細(xì)活，應(yīng)安排經(jīng)驗(yàn)豐富的工人進(jìn)行操作。

為達(dá)到預(yù)裂爆破或者光面爆破效果，裝藥連線應(yīng)選擇不同段別的非電毫秒雷管，不同的眼別采用不同的段別雷管，最后統(tǒng)一成束由1～2個(gè)火雷管引爆。1段雷管適用于掏槽眼，3～5段適用于輔助眼，7或9段適用于周邊眼，底眼為9～11段。

四 結(jié)論

第一，巖體是隧道結(jié)構(gòu)體系中的主要承載單元，在施工中必須充分保護(hù)巖體，盡量減少對(duì)它的擾動(dòng)，避免過(guò)度破壞巖體的強(qiáng)度。為此，施工中斷面分塊不宜過(guò)多，開(kāi)挖應(yīng)當(dāng)采用光面爆破、預(yù)裂爆破或機(jī)械掘進(jìn)。

第二，為了充分發(fā)揮巖體的承載能力，應(yīng)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(huán)；另一方面又必須限制它，使巖體不致過(guò)度松弛而喪失或大大降低承載能力。在施工中應(yīng)采用能與圍巖密貼、及時(shí)筑砌又能隨時(shí)加強(qiáng)的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，如噴錨支護(hù)等。這樣，就能通過(guò)調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和其參加工作的時(shí)間（包括閉合時(shí)間）來(lái)控制巖體的變形。

第三，為了改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能，施工中應(yīng)盡快閉合，而成為封閉的筒形結(jié)構(gòu)。另外，隧道斷面形狀應(yīng)盡可能圓順，以避免拐角處的應(yīng)力集中。

第四，通過(guò)施工中對(duì)圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài)觀察、量測(cè)，合理安排施工程序、進(jìn)行設(shè)計(jì)變更及日常的施工管理。

第五，為了敷設(shè)防水層，或?yàn)榱顺惺苡捎阱^桿銹蝕，圍巖性質(zhì)惡化、流變、膨脹所引起的后續(xù)荷載，可采用復(fù)合式襯砌。

第六，二次襯砌原則上是在圍巖與初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的條件下修筑的，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，提高了支護(hù)體系的安全度。

參考文獻(xiàn)

[1]朱永全、宋玉香主編.隧道工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005

[2]高少?gòu)?qiáng)、隋修志主編.隧道工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2003

[3]李明華、李明.鐵路施工組織設(shè)計(jì)分類新方案的構(gòu)想[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（4）

〔責(zé)任編輯：龐遠(yuǎn)燕〕