隧道新奥法施工

黎卫国

摘要：新奥法是“新奥地利隧道工程法”的简称，缩写为NATM。新奥法是一种“在岩质、土砂质中的下洞室围岩内形成环形支护结构的隧道设计施工的方法。采用新奥法修建地下隧洞时，锚杆和喷射混凝土是其主要的支护手段，而支护时机需通过现场量测围岩变形结果来确定。因此，锚杆支护、喷射混凝土支护和现场量测被誉为新奥法的“三大支柱”。

关键词：新奥法；理论要点；施工要点；支护

中图分类号：U455.48 文献标识码：A 文章编号：1674—3024（2016）11—96—03

引言

参加蒙华铁路君子隧道的施工建设，学到了隧道施工的一些基本方法。通过阅读关于隧道施工知识的文章及施工管理的经验，对隧道施工有了一点浅显的认识。

1君子隧道

1.1工程概况

君子隧道进口为胜天河。沿线经过君子村，雪白村，出口设在冯家窑村。隧道进口里程DK414+187，出口里程DK423+147，隧道全长8960m，为单洞双线隧道。

隧道所在范围内地层主要为第四系全新统冲洪积砂质新黄土，上更新统冲洪积砂质老黄土、粘质老黄土、粗圆砾土，三叠系上统延长组砂岩、粉砂岩。

1.2结构形式

隧道按新奥法原理设计与施工，暗挖隧道采用曲墙带仰拱的复合式衬砌形式，复合式衬砌由初期支护、防水隔离层与二次衬砌组成，初期支护采用湿喷工艺，二次衬砌采用模筑混凝土。

1.3开挖

1.3.1隧道Ⅱ级围岩采用全断面法开挖，Ⅲ级围岩采用台阶法开挖，Ⅳ级围岩采用三台阶法开挖，Ⅴ级围岩采用临时仰拱法开挖，Ⅴ级土质围岩采用三台阶大拱脚临时仰拱法开挖。施工中必须实施洞内外观察、拱顶下沉、净空收敛、地表沉降等监控量测。

1.3.2要求

①钻爆法施工的石质隧道必须采用光面爆破，炮眼布置满足规范要求，严格控制超欠挖；土质隧道或软弱岩质采用机械开挖。

②隧道洞口浅埋段断层破碎带、土石交界处或穿越构筑物等地段，要求施工控制爆破、短开挖、强支撑、及时衬砌，做到步步为营、稳扎稳打，以策施工安全。

（1）网喷混凝土

①喷混凝土采用湿喷工艺，喷混凝土应保证与围岩密贴，严禁喷混凝土与围岩之间出现空洞。

②喷混凝土应分层、分段、分片、自下而上喷射，分层喷射时，首次喷砼厚度不小于4cm。

（2）锚杆

①锚杆必须设置垫板，垫板应用螺帽上紧并与喷层面津贴。

②初支设置钢架时，锚杆可结合钢架位置布置，与钢架焊接，加强围岩与支护整体受力性能。

（3）钢架

①钢架在开挖或初喷混凝土后及时架设。

②安装前应清除钢架底虚渣及杂物，钢架底脚应置于牢固的基础上，钢架应尽量密贴围岩，外缘每隔2m用钢楔或混凝土块楔紧。

③锁脚锚管斜向下钻设，锁脚锚管与钢架通过锚固筋焊接。

（4）二次衬砌

①二次衬砌施做一般应在围岩和初期支护变形稳定后进行。

②在隧道洞口段、浅埋段、围岩松散破碎段，应尽早施做二次衬砌。

（5）黄土隧洞施工要点

①黄土隧道应避免围岩暴露时间过长引起变形及塌方。因故停工时，及时封闭掌子面。

②洞口工程与相邻工程应先统筹安排，避免影响隧道结构及山体稳定。

③黄土隧道施工中应及时进行量测数据的整理分析，一旦发现异常，应分析原因并采取技术措施保证施工安全，必要时应迅速及时撤离作业点。

2新奥法施工特点

2.1及时性

新奥法施工采用喷锚支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面施工，以限制支护前的变形发展，阻止围岩进入松动的状态，在必要的情况下可以进行超前支护，加之喷射混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。在开挖爆破后立即进行支护施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展，并控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载，增强了岩层的稳定性。

2.2封闭性

由于喷锚支护能及时施工，而且是全面密粘的支护，因此能及时有效地防止因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨胀，保护原有岩体强度。

巷道开挖后，围岩由于爆破作用产生新的裂缝，加上原有地质构造上的裂缝，随时都有可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面，很好的充填围岩的裂隙，节理和凹穴，大大提高了围岩的强度。（提高围岩的粘聚力C和内摩擦角）。同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用，隔绝了水和空气同岩层的接触，使裂隙充填物不致软化、解体而使裂隙张开，导致围岩失去稳定。

2.3牯结性

喷锚支护同围岩能全面粘结，这种粘结作用可以产生三种作用：

2.3.1联锁作用，即将被裂隙分割的岩块粘结在一起若围岩的某块危岩活石发生滑移坠落，则引起临近岩块的联锁反应，相继丧失稳定，从而造成较大范围的冒顶或片帮。开巷后如能及时进行喷锚支护，喷锚支护的粘结力和抗剪强度是可以抵抗围岩的局部破坏，防止个别威岩活石滑移和坠落，从而保持围岩的稳定性。

2.3.2复和作用，即围岩与支护构成一个复合体（受力体系）共同支护围岩。喷锚支护可以提高围岩的稳定性和自身的支撑能力，同时与围岩形成了一个共同工作的力学系统，具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用，从根本上改变了支架消极承担的弱点。

2.3.3增加作用。开巷后及时继进行喷锚支护，一方面将围岩表面的凹凸不平处填平，消除因岩面不评引起的应力集中现象，避免过大的应力集中所造成的围岩破坏；另一方面，使巷道周边围岩由双方向受力状态，提高了围岩的粘结力C和内摩擦角，也就是提高了围岩的强度。

2.4柔性

喷锚支护属于柔性薄性支护，能够和围岩紧粘在一起共同作用，由于喷锚支护具有一定柔性，可以和围岩共同产生变形，在围岩中形成一定范围的非弹性变形区，并能有效控制允许围岩塑性区有适度的发展，使围岩的自承能力得以充分发挥。另一方面，喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生越来越大的支护反力，能够抑制围岩产生过大变形，防止围岩发生松动破坏。

3新奥法理论要点及施工要点

3.1新奥法与传统施工方法的区别：

传统方法认为巷道围岩是一种荷载，应用厚壁混凝土加以支护松动围岩。而新奥法认为围岩是一种承载机构，构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构（以喷射混凝土、锚杆为主要手段）并使围岩与支护结构共同形成支撑环，来承受压力，并最大限度地保持围岩稳定，而不致松动破坏。新奥法将围岩视为巷道承载构件的一部分，因此，施工时应尽可能全断面掘进，以减少巷道周边围岩应力的扰动，并采用光面爆破、微差爆破等措施。减少对围岩的震动，以保全其整体性。同时注意巷道表面尽可能平滑，避免局部应力集中。新奥法将锚杆、喷射混凝土适当进行组合，形成比较薄的衬砌层，即用锚杆和喷射混凝土来支护围岩，使喷射层与围岩紧密结合，形成围岩-支护系统，保持两者的共同变形，故而可以最大限度地利用围岩本身的承载力。

3.2基本要点

“少扰动、早喷锚，勤量测、紧封闭”。

岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。为此，施工中断面分块不宜过多，开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环：另一方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度和它参加工作的时间（包括闭合时间）来控制岩体的变形。为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合，而成为封闭的筒形结构。另外，隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，合理安排施工程序、进行设计变更及日常的施工管理。为了敷设防水层，或为了承受由于锚杆锈蚀，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载，可采用复合式衬砌。二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩和支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度。

3.3新奥法施工过程中量测工作的特殊性

由于岩体生成条件与地质作用的复杂性，施工条件的复杂性，以及对工程365JT设计参数的精确要求，得要通过许多量测手段，在施工过程中对围岩动态和支护结构工作状态和支护结构工作状态进行监测。并用监测结果修改初步设计，指导施工。量测的结果可以作为施工现场分析参数和修改设计的依据，因而能够预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然提到施工的安全程度。

由上所述，新奥法的支护原则是：围岩不仅是载物体，而且是承载结构；围岩承载圈和支护体组成巷道的统一体，是一个力学体系；巷道的开挖和支护都是为保持改善与提高围岩的自身支撑能力服务。

4新奥法的主要支护手段与施工顺序

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，允许围岩又一定的协调变形，而不使支护结构承受过大的压力。

施工顺序可以概括为：开挖→一次支护→二次支护。

4.1开挖

开挖作业的内容依次包括：钻孔、装药、爆破、通风、出渣等。开挖作业与一次支护作业同时交叉进行，为保护围岩的自身支撑能力，第一次支护工作应尽快进行。为了充分利用围岩的自身支撑能力开挖应采用灌面爆破（控制爆破）或机械开挖，并尽量采用全断面开挖，地质条件较差时可以采用分块多次开挖。一次开挖长度应根据岩质条件和开挖方式确定。岩质条件好时，长度可大一些，岩质条件差时长度可小一些，在同等岩质条件下，分块多次开挖长度可大一些，全断面开挖长度就要小一些。一般在中硬岩中长度约为2-2.5米，在膨胀性地层中大约为0.8-1.米。

4.2支护

第一次支护作业包括：一次喷射混凝土、打锚杆、联网、立钢拱架、复喷混凝土。

在巷道开挖后，应尽快地喷一层薄层混凝土（3-5mm），为争取时间在较松散的围岩掘进中第一次支护作业是在开挖的渣堆上进行的，待把未被渣堆覆盖的开挖面的一次喷射混凝土完成后再出渣。

按一定系统布置锚杆，加固深度围岩，在围岩内形成承载拱，由喷层、锚杆及岩面承载拱构成外拱，起临时支护作用，同时又是永久支护的一部分。复喷后应达到设计厚度（一般为10-15mm），并要求将锚杆、金属网、钢拱架等覆裹在喷射混凝土内。

完成第一次支护的时间非常重要，一般情况应在开挖后围岩自稳时间的二分之一时间内完成。目前的施工经验是松散围岩应在爆破后三小时内完成，主要由施工条件决定。

在地质条件非常差的破碎带或膨胀性地层（如风华花岗岩）中开挖巷道，为了延长围岩的自稳时间，为了给一次支护争取时间，安全的作业，需要在开挖工作面的前方围岩进行超前支护（预支护），然后再开挖。

在安装锚杆的同时，在围岩和支护中埋设仪器或测点，进行围岩位移和应力的现场测量：依据测量得到的信息来了解围岩的动态，以及支护抗力与围岩的相适应程度。

一次支护后，在围岩变形趋于稳定时，进行第二次支护浇注和封底，即永久性的支护，起到提高安全度和整个支护承载能力增强的作用，而此支护时机可以由监测结果得到。

对于底板不稳，底鼓变形严重，必然牵动侧墙及顶部支护不稳，所以应尽快封底，形成封闭式的支护，以谋求围岩的稳定。

5新奥法适用范围

5.1岩体条件

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：

5.2在下述条件下应用新奥法必须与一些辅助方法相配合

①有强烈地压显现的岩体；

②膨胀性岩体（要与仰拱与底部锚杆相配合）；

③在一些松散岩体中，要与钢背板与之配合；

④在蠕动性岩体中，要与冻结法或预加固法等配合；

5.3在下列场合中应用应慎重

①大量涌水的岩体；

②由于涌水会产生流砂现象的围岩：

③极为破碎，锚杆钻孔、安装都极为困难的岩体；

④开挖面完全不能自稳的岩体等。

6新奥法的缺点主要有：

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；作业质量都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，不如千喷那样有效的支护岩体。

7结束语

新奥法在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速发展，已成为现代隧道工程新365JT技术标志之一。六十年代被介绍到我国，七十年代末八十年代初得到迅速发展。至今，可以说在所有重点难点的地下工程中都离不开NATM。新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法。

新奥法施工是从实际经验中总结出来的，又在不断实践经验中得以丰富其内容和进一步发展，新澳法施工在我国推广以来，经过几十年的发展。通过科研、设计、施工三结合，在修建隧道中，应用新奥法及其相应的技术，取得了较大的成就。不可否认，新奥法也存在不少缺点，不过经过工程技术人员和科技工作者的共同努力一定可以把新奥法不断完善，在铁路隧道施工建设中发挥更大的作用。