简述隧道工程施工方法之新奥法
点击:31 添加时间: 作者:ZHANGW 信息来源:广州市财政投资评审中心
 
    内容摘要:隧道工程是一项系统工程,它综合性强、涉及面广,结构复杂、施工难度大,基于此,本文就隧道工程结构类型及常用施工方法之新奥法进行简要的分析,希望能对读者有所帮助。
 
    一、隧道及其分类:
    位于地表以下,一个方向的尺寸远大于另两个方向的尺寸,两端起连通功能的人工建筑物称为地道。其横截面较小时称为坑道,横截面较大时称为隧道。隧道的构造主要由主体建筑物和附属建筑物两大部分组成。主体建筑物包括洞口和洞身;附属建筑物一般有防水排水系统,通风、照明与供电系统,隧道运营管理设施,辅助坑道等。
    (一)隧道按其所处的位置不同可分为山岭隧道、水下隧道(河底和海底)以及城市隧道等。
    (二)隧道按其横断面形状分为圆形、椭圆形、马蹄形、连拱形等。
    (三)隧道按其用途可分为交通隧道(包括公路隧道、铁路隧道、城市地铁、人行隧道等)和运输隧道(包括输水隧道、输气隧道、输液隧道等)。
    二、施工方法概述:
    隧道施工方法的选择主要依据地质、地形、环境条件及埋置深度,并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑确定。根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工技术的发展,隧道施工方法可按以下方式分类。
    (一)山岭隧道的支护方法有:矿山法、新奥法、掘进机法。
    (二)浅埋及软土隧道的施工方法有:明挖法、地下连续墙法、浅埋暗挖法、盾构法。
    (三)水底隧道的施工方法有:沉埋法、盾构法。
    隧道施工有以下特点:一是受工程地质和水文地质条件的影响较大;二是工作条件差,工作面小而狭窄,工作环境差;三是暗挖法施工对地面影响较小,但埋置较浅时,可能导致地面沉陷;四是有大量废渣,需妥善处理。
    埋置较浅的工程,施工时先从地面挖基坑或堑壕,修筑衬砌后再回填,这种施工方法称明挖法。当埋置深度超过一定限度后,明挖法不再适用,而要改用暗挖法,即不开挖地面,采用在地下挖洞的方式施工。
    暗挖法施工最初是采用矿山开拓巷道的方法,故也称为矿山法。隧道开挖后受爆破影响,造成岩体破裂形成松弛状态,随时都有可能落,因此施工中按分部顺序采取分割式一块一块的开挖,边挖边撑以求安全,所以支撑复杂,木料耗用多。现在应用越来越少。
    随着岩体力学的发展,在结合现场经验的基础上,20世纪中叶创建了新奥法。新奥法即奥地利隧道施工新方法,是奥地利学者腊布希维兹首先提出的,它是以喷射混凝土和锚杆作为主要支护手段,通过监测控制围岩的变形,便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法。
 
 
    三、隧道施工之新奥法
 
    (一)施工原理及特点

    新奥法是在利用围岩本身所具有的承载效能的前提下,采用毫秒爆破和光面爆破技术,进行全断面开挖施工,并以形成复合式内外两层衬砌来修建隧道的洞身,即以喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢支撑等为外层支护形式,称为初次柔性支护,即在洞身开挖之后必须立即进行支护工作。蕴藏在山体中的地应力由于开挖成洞而产生再分配,隧道空间靠空洞效应而得以保持稳定,也就是说,承载地应力的主要是围岩体本身。而采用初次喷锚柔性支护的作用,是使围岩体自身的承载能力得到最大限度的发挥,第二次衬砌主要是起安全储备和装饰美化作用。
    新奥法是以喷射混凝土、锚杆支护为主要支护手段,因锚杆喷射混凝土支护能够形成柔性薄层,与围岩紧密粘结的可缩性支护结构,允许围岩有一定的协调变形,而不使支护结构承受过大的压力。 
 
    (二)新奥法适用范围:
    1.具有较长自稳时间的中等岩体; 
    2.弱胶结的砂和石砾以及不稳定的砾岩;
    3.强风化的岩石; 
    4.刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩;
    5.坚硬粘土,也有带坚硬夹层的粘土;
    6.微裂隙的,但很少粘土的岩体; 
    7.在很高的初应力场条件下,坚硬的和可变坚硬的岩石;
    在下述条件下应用新奥法必须与一些辅助方法相配合:有强烈地压显现的岩体;膨胀性岩体(要与仰拱与底部锚杆相配合);在一些松散岩体中,要与钢背板与之配合;在蠕动性岩体中,要与冻结法或预加固法等配合;
    在下列场合中应用应慎重:①涌水量大的地层;②因涌水产生流沙现象的地层;③围岩破碎使锚杆钻孔和插入都极为困难场合;④开挖面不能自稳的围岩。 
 
    (三)新奥法的缺点: 
    1.实施不仅要求有良好的施工组织和管理,也要求技术人员和量测人员都十分熟练,没有这一点就易于发生错误;作业质量与每一个人的仔细操作有关。
   2.开挖暴露出的地质会立即改变其状态,因此要求施工地质人员要亲临现场,以便发现问题;
3.使用能控制的施工量测,往往给施工带来不便;
4.干喷射带来的灰尘以及由于易受化学药品的损害必须加强防护,尤其是对眼睛的防护,湿喷虽然可以避免此缺点,但在同样条件下,不如干喷那样有效的支护岩体。
 
    (四)主要原则:
    1.充分保护围岩,减少对围岩的扰动。
    2.充分发挥围岩的自承能力。
    3.尽快使支护结构闭合。
    4.加强监测,根据监测数据指导施工。
    可扼要地概括为“短进尺、弱爆破、紧封闭、早喷锚、勤测量”。因为隧洞的主要承载部分是围岩,支护结构起到发挥和保护围岩承载能力的作用。在静力学理论中,隧道的结构可视为岩体承载环和支护衬砌组成的圆筒结构,承载环的闭合起到了关键作用,因此围岩和衬砌的整体化应在初期衬砌中就及早完成,保证衬砌环的稳定与完整。从应力重分布来考虑.全断面掘进是比较理想的开挖方式。因此,施工方式归根结底要把握一个出发点,那就是保护,调动和发挥围岩的自承能力,在此基础上根据工程实际条件灵活地选择施工及辅助手段。

 
    (五)新奥法基本要点:
    1.洞室开挖后,应使围岩自身承担主要的支护作用,而衬砌只是对围岩进行加固,使其成为一个整体而共同发生作用。因此,必须最大限度地保持围岩的固有强度,以发挥围岩的自承能力。如及时喷射混凝土封闭岩壁,就能有效地防止围岩松弛,而不使其强度大幅度降低,同时也不存在因顶替支撑而使围岩变形松弛。总之应使围岩经常处于三轴应力约束状态,最为理想。
    2.预计围岩有较大变形和松弛时,应对开挖面施作保护层,而且应在恰当的时候敷设,过早或过迟均不利。其刚度不能太大或太小,又必须是能与围岩密贴,而要做成薄层柔性,允许有一定变形,以使围岩释放应力时起卸载作用,尽量不使其有弯矩破坏的可能。由于混凝土的抗压和抗剪强度比抗拉和抗弯强度大得多,这种支护和传统的支护相比,不是因受弯矩而是受压剪作用破坏的。。一次支护的位移收敛后,可在其光滑的表面上敷设高质量的防水层,并修筑为提高安全度的二次支护。前后两次支护与围岩之间都只有径向力作用。
    3.衬砌需要加强的区段,不是增大混凝土的厚度,而是加钢筋网、钢支撑和锚杆,使隧道全长范围采用大致相同的开挖断面。此外,新奥法不在坑道内架设杆件支撑,空间宽敞,可提高安全性和作业效率。
    4.量测监控是新奥法的基本特征,为正确掌握和评价围岩与支护的时间特性,可在进行室内试验的同时,在现场进行量测。量测的重点是围岩和支护的力学特征随时间的变化动态。量测内容为衬砌内的应力、围岩与衬砌间的接触应力以及围岩的变位,据以确定围岩的稳定时间、变形速度和围岩分类等最重要的参数,以便适应地质情况的变化,及时变更设计和施工。衬砌的做法和施作时间是依据围岩变位量测决定的。
    5.隧道支护在力学上可看作厚壁圆筒。它是由围岩支承环和衬砌环组成的结构,且两者存在共同作用。圆筒只有在闭合后才能在力学上起圆筒作用,所以除在坚硬岩层之外,敷设仰拱使衬砌闭合是特别重要的。
    围岩的动态主要取决于衬砌环的闭合时间。当上半断面超前掘进过多时,就相应地推迟了它的闭合时间,在隧道纵方向形成悬臂梁的状态而产生大弯曲的不良影响。另外,为防止引起围岩破坏的应力集中,断面应做到无角隅,最好采用圆形断面。
    6.围岩的时间因素还受开挖和衬砌等施工方法的影响,。考虑掘进循环周期、衬砌中仰拱的闭合时间、拱部导坑的长度以及衬砌强度等变化因素,应把围岩和支护作为一个整体来谋求稳定。从应力重分布角度去考虑,全断面一次开挖是最有利的;分部开挖会使应力反复分布而造成围岩受损。
    7.岩层内的渗透水压力,必须采取排水措施来降低。
   
 
    (六)施工量测:
    新奥法的支护结构至今仍处于经验设计的阶段,它的前提是要科学地进行围岩分类,并根据已经修建的类似工程的经验,提出支护设计参数或标准设计模式。这种工程类比法还只考虑了岩体结构、岩块单轴抗压强度、弱面特性等工程地质性质、坑道的跨度以及围岩自稳时间等主要因素,需在各种设计与施工规程的实施过程中,依据量测数据加以修正。现场监控设计,是根据现场监控量测数据,经分析比较或计算后,最后提出设计。根据理论解析和有限元数值计算进行的设计,必须由上述两种方法即经验和量测加以验证和完善。
    新奥法的施工作业必须根据事前的调查决定下列4个问题:①开挖方法;②支护布置及进行支护的最适宜时机;③是否设置仰拱及设置的时间和方法;④是否采用辅助施工方法及其种类等。用新奥法施工的绝大多数工程均采用各种台阶法进行开挖,其次是采用全断面法。新奥法要求保证光面爆破的质量,避免凹凸不平而引起应力集中和减少超挖,从而节约为填平表面所需的大量混凝土。
    新奥法的量测十分重要。在制定现场量测计划时,要根据隧道及地下工程的规模、地质资料、各量测项目的作用,并考虑工点所需解决的问题和量测计划的经济效益,选择合理的量测项目和方法。同时还必须考虑采用切实可靠的手段和仪其器,保证量测工作准确安全,并尽可能不妨碍施工。
    在应力应变、接触应力、位移等三大类量测项目中,新奥法应以位移的量测为主。通常是用收敛计量测收敛变形,用伸长计量测围岩在不同半径处的变形和获得围岩动态的范围,用水平仪量测围岩表面垂直位移和地面沉陷。此外,还可用量测锚杆测得锚杆的轴向应力,用压力盒测定接触应力,用应变计测定支撑和衬砌应力等。
 
 
    四、结束语
    总之,隧道工程是以理论力学、材料力学、结构力学、钢筋混凝土结构设计原理等为基础的专业工程,掌握了与隧道工程相关的设计构造原理、计算理论与方法、施工工艺以及管理等要点,有助于我们更好地进行造价控制。
 
摘录交通部2007年版《公路工程定额应用释义》、《隧道施工工程师手册》、《公路工程技术与计量(2015年版)》等。
 
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