浅谈新奥法在隧道施工中的应用

2011-08-15涂锦圣

科技传播 2011年3期

关键词：导坑侧壁台阶

涂锦圣

江西省煤田地质局普查综合大队，江西南昌 330001

0 引言

随着社会的发展，科学的进步，经济的发展，我国的交通事业也在迅速的发展，公路、铁路隧道工程日益增多，许多高等级路线采用隧道方案不仅改变了线形，缩短了里程，同时也为国家节省了大量的基建投资。新奥法就是隧道施工中经常采用的方法之一。

新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，是奥地利学者拉布西维兹在上世纪五十年代提出的，以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法。

1 新奥法设计施工的要点

1）由于岩体是隧道结构体系的主要承载单元，在施工中必须保护岩体,减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。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；

2）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；另一方面还要限制它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。施工中应采用能与围岩密贴、及时砌筑又能随时加强的柔性支护结构；

3）施工的各个阶段，应进行现场量测监控，及时获取可靠的、数量足够的量测数据，例如，坑道周边的位移或收敛、接触应力等，并及时反馈用来指导施工和修改设计；

4）为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快使之闭合，而成为封闭的筒形结构，隧道断面形状要尽可能地圆顺，以避免拐角处的应力集中；

5）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。

2 新奥法施工方案

按其开挖断面的大小及位置可分为：全断面法、台阶法、分部开挖法三大类及若干变化方案。

2.1 全断面法

按照隧道设计轮廓线一次爆破成型的施工方法叫全断面法。适用于岩质较均匀的Ⅳ～Ⅵ类硬岩中。隧道长度或施工区段长度不宜太短，否则采用大型机械化施工的经济性差。根据经验，这个长度应≥1km。注意以下问题：搞清开挖面前方的地质情况，随时准备好应急措施，确保施工安全；施工机械设备须配套，发挥机械设备的效率；加强施工通风，保证工作面有足够新鲜空气。

2.2 台阶法

根据台阶长度，台阶法可以分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法3种。

长台阶法的适用范围比全断面法广，凡是在全断面法中开挖面不能自稳，但围岩坚硬不要用仰拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法。短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初次支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，适用范围也很广，Ⅱ～Ⅵ类围岩都能采用，尤其适用于Ⅱ、Ⅲ类围岩，是新奥法施工中主要采用的方法。超短台阶法初次支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形，能更有效地控制地表沉陷，超短台阶法适用于膨胀性围岩和土质围岩，要求及早闭合断面的场合。

施工中应采用何种台阶法，根据以下两点来决定：一是初次支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短；二是上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备施工场地大小的要求。围岩较弱时以第一条为主，兼顾后者；在围岩较好时，主要考虑如何更好地发挥机械效率，保证施工的经济性，满足第二条即可。

2.3 分部开挖法

分部开挖法可有3种变化方案：台阶分部开挖法、单侧壁导坑法，双侧壁导坑法。

1）台阶分部开挖法，又称环形开挖留核心土法，将断面分成环形拱部、上部核心土、下部台阶等3部分。据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖；

2）单侧壁导坑法。将断面分成3块：侧壁导坑、上台阶和下台阶。侧壁导坑尺寸要充分利用台阶的支撑作用。侧壁导坑宽度不宜超过0.5倍洞宽，高度以到起拱线为宜，这样导坑可分两次开挖和支护，不需要架设工作平台，导坑与台阶的距离没有硬性规定，但一般应以导坑施工和台阶施工不发生干扰为宜。上、下台阶的距离则视围岩情况参照短台阶法或超短台阶法拟定；

3）双侧壁导坑法，又称眼镜工法。当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷为短台阶法的1/2。这种方法一般将断面分成4块：左、右侧壁导坑、上部核心土、下台阶。导坑尺寸拟定的原则同前，但宽度不宜超过断面最大跨度的1/3。左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重新分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。

3 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，允许围岩有一定的协调变形，不使支护结构承受过大的压力。施工顺序为：开挖→一次支护→二次支护。

开挖作业包括：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。便于充分利用围岩自身支撑能力开挖应采用灌面爆破或机械开挖，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，在同等岩质条件下，分块多次开挖长度可大一些，全断面开挖长度要小一些。

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，应尽快喷一层3mm～ 5mm的薄层混凝土，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，未被渣堆覆盖的开挖面完成一次喷射混凝土后再出渣。按规定布置锚杆，加固深度围岩，在围岩内形成承载拱，喷层、锚杆及岩面承载拱构成外拱，起临时支护作用，也是永久支护的一部分。复喷后应达到设计厚度,并要求将锚杆、金属网、钢拱架等覆裹在喷射混凝土内，第一次支护应在开挖后围岩自稳时间的1/2时间内完成。

一次支护后，在围岩变形趋于稳定时，进行第二次支护和封底，即永久性的支护（补喷射混凝土或浇注混凝土内拱），提高安全度、增强整个支护承载能力，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。