新奥法施工技术在各种工程中的应用研究

吕荣纲

【摘 要】本论文探究了新奥法的概念、发展、施工原理、原则、施工程序和施工技术，采用实例法全面研究了它在矿山井巷工程、采场地压管理、公路工程、隧道工程及地下铁道、国防工程、水利工程、水电工程、地下建筑等其它工程中的广泛应用，指出这种方法的优越性和广阔前景，为相关工程技术人员提供了宝贵的借鉴。

【关键词】新奥法；施工原理；工程；应用

1.新奥法简介

1.1新奥法的概念

所谓新奥法，就是奥地利隧道施工新方法的简称，英文为New Austrian Tunneling Method，简写NATM，是上世纪六十年代由L.V. 拉布西维兹、米勒-菲切尔等隧道专家提出的一套隧道施工理论和方法，它迅速为各国工程界所接受并获得广泛的应用。新奥法是应用岩体力学的的理论，充分利用岩体的自支撑能力，结合现代量测监控技术，采取柔性支护的手段来达到隧道或巷道的稳定。

1.2新奥法的发展

新奥法与传统矿山法都属于钻爆法，它最早是应用于隧道工程。拉布西维茨1934年尝试在地下工程中使用喷浆支护。在1942～1945年建造的洛伊布尔隧道中首次采用了双层薄衬砌。1948年，他提出了量测工作的重要性。在1953～1955年修建普鲁茨-伊姆斯特电站的有压输水隧洞时，按拉布西维茨的建议采用锚杆支护而获得成功。1963年拉布西维茨将这种施工方法正式命名为新奥法。1964～1969年他又提出了在岩石压力下隧道稳定性的理论分析，强调采用薄层支护，并及时修筑仰拱以闭合衬砌的重要性。经过20多年的实践和推广，新奥法日趋成熟，在山岭隧道中被普遍使用，并已广泛用于其它岩土类工程。中国从上世纪60年代初开始推广喷锚支护，到80年代新奥法已被广泛采用于矿山井巷、隧道等工程。

2.新奥法施工原理和技术

2.1新奥法的岩体力学原理

传统矿山法依据的是“松弛载荷理论”，该理论是泰沙基和普罗托奇雅可诺夫于上世纪二十年代提出的。它认为，稳定的岩体有自稳能力，不产生载荷；不稳定的岩体则可能因松弛产生坍塌，需要用支护结构予以支承，作用于支护结构的载荷就是围岩松弛范围内可能坍塌的岩体的重力。而新奥法依据的是“岩承理论”，该理论认为，围岩稳定是岩体自身有承载自稳能力；不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果在这个过程中提供必要的帮助和限制，则围岩仍然能够进入稳定状态[1]。可见，这种理论非常重视过程和对过程的有效控制，充分利用围岩的自承载能力是其基点。

2.2新奥法的支护技术

与新奥法的力学原理相适应，新奥法摈弃了刚性支架的大量使用，如木支架、钢筋混凝土预制构件支架、钢支架、整体混凝土支护和砌石支护这些靠支架强行支撑松弛围岩的传统支护方法，而是采用柔性支护来加固围岩，如喷射混凝土支护、锚杆支护、锚网支护、锚喷联合支护、锚杆注浆支护、锚喷网联合支护等，并且要恰当掌握支护时机，支护结构尽量形成闭合的薄壁圆桶结构，可以和围岩一同产生有限的变形以释放应力而获得更高的自承能力。新奥法把岩体既看作产生载荷的原因也看作主要承载结构，支护结构和岩体要形成统一体并共同发挥承载作用。

2.3新奥法的量测技术

新奥法是掘进施工由经验和定性走向定量分析的方法。根据工程的地质、规模和施工要求，要制定合理的量测计划和确定量测项目。量测项目主要有位移、应力应变、接触应力等三大类。可以采用水平仪量测围岩表面垂直位移和地面沉陷，用伸长计量测围岩在不同半径处的变形，用收敛计量测收敛变形，用压力盒测定接触应力，等等。通过记录、整理、分析这些数据，可以进行围岩的稳定性分析，用于调整施工方案或指导施工，故而新奥法是设计和施工一体化方法。

3.新奥法施工

3.1新奥法施工原则

新奥法的施工原则可以概括为“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。

“少扰动”就是在进行掘进时尽量减少对围岩的扰动破坏。因此，要优先选用机械开挖，如单臂掘进机、全断面掘进机、掘锚支综掘机。采用钻爆法时要用光面爆破或预裂爆破，控制循环进尺和及时支护。

“早喷锚”是指开挖后及时施作初期支护，使围岩的变形进入受控状态，既可防止围岩松弛坍塌又允许适度变形以产生自承能力。若围岩稳定性较差时可以采取超前支护。

“勤量测”指采用量测仪表来量测围岩位移、应力应变和接触应力等，通过数据来分析围岩的稳定性或变化趋势，以便调整开挖方法、支护方法等。

“紧封闭”是指尽量采用喷锚支护，避免围岩暴露而致强度和稳定性降低，要适时对围岩施作封闭性支护，使围岩和支护结构处于良好的共同工作的状态。

3.2新奥法施工程序

新奥法施工程序如下图：

4.新奥法在各种工程中的应用

4.1新奥法在井巷工程中的应用

新奥法由传统矿山法演化而来，是传统矿山法的推陈出新。井巷掘进在矿山工程中占40～60%，对矿山的生产、安全和开采成本影响很大。在矿山井巷工程中，有些使用期很短，如矿块天井、凿岩巷道、拉底巷道、装矿巷道等采切工程；有些使用期较长，如主副井、斜坡道、通风井、主溜井、主要硐室、石门和阶段运输平巷等开拓工程。对于采切工程，一般采用传统矿山法施工就可。对于开拓工程，尽量采用新奥法施工，但要求明显比隧道低。

矿山巷道除特殊情况下一般采用直墙拱顶，多数不设仰拱不闭合。除了主副井外，由于巷道断面较小，很少采用再砌或再喷混凝土的复式支护。多采用钻爆法开挖，有条件时可采用掘进机开挖，岩层极为松软时可以人工开挖。钻爆法施工时一般分掏槽眼、辅助眼和周边眼，采用光面爆破技术，按照掏槽眼——辅助眼——边帮眼——底板眼的顺序进行微差爆破。根据围岩的稳定性和地压力的大小，用工程类比法确定初选支护方式和支护参数，一般用喷射混凝土支护、锚杆支护、锚网支护、锚喷联合支护、锚喷网联合支护等。在施工中，根据量测监控的数据来分析判断初选支护方案是否恰当，用逼近法或抽稀法来调整以找到最佳支护方案。迄今为止，依据岩体力学理论计算而得出的锚喷支护方案仅供参考。大姚铜矿采用光面爆破技术、锚喷网联合支护掘进阶段运输平巷，取得了良好的技术经济效果。

4.2新奥法在采场中的应用

新奥法提出的岩承理论和柔性支护理论，在采场地压管理中发挥着重要作用。无论是非金属矿山还是金属矿山，只要采取地下开采，都需要处理采场地压问题。在地采矿山中，特别是采用空场法和采后充填法来开采水平和微倾斜矿床、缓倾斜矿床或倾斜矿床，都会面临采场顶板控制问题。在顶板坚固性和稳定性差的时候，常常采用系统锚杆、锚网联合、锚杆桁架、锚带网等支护方法来处理顶板或局部不稳的地方，以保证回采期间顶板的稳定和采场安全。在露采时，常常采用喷射混凝土、锚杆、锚网、锚索等支护方法来加固边坡或平台。其实际效果往往远胜木桩、挡土墙和砌石加固，且造价更低。

4.3新奥法在隧道工程中的应用

新奥法起源于传统矿山法，成就于隧道工程。由于隧道工程断面较大、长度较长、穿过的岩层较复杂、要求更高，是新奥法应用最彻底的领域。从开挖方式上，隧道掘进可以采用钻爆法、全断面掘进机、盾构法等多种手段。钻爆法时可以采用全断面法和台阶法施工，尽量减少开挖对围岩的破坏。如围岩稳定性较差，开挖前可以采用锚杆、小导管或管棚超前支护[2]。从支护手段上，隧道初期支护可以采用锚杆支护、喷射混凝土支护、锚喷联合支护或锚喷网联合支护，并且往往做成封闭的薄壁圆桶结构（设仰拱），并进行注浆封水或导管排水，还常常进行二次衬砌或复喷混凝土支护（起安全储备和美观作用）。如地压过大时，可以采用钢纤维、钢拱架或钢筋格栅混凝土支护。大箐隧道采用钻爆法正台阶施工、锚喷初期支护、模筑钢筋格栅混凝土二次支护的方案，取得了很大的成功。

4.4新奥法在公路工程中的应用

新奥法在公路工程中也有广泛应用，在开挖深路堑、处理高陡边坡、稳定路基方面都发挥作用。对稳定的石质边坡，可以进行喷浆覆盖以防止风化；对不稳定的石质边坡，可以采用沙浆锚杆加固，可以用锚喷加固，可以用锚网加固并防止落石。还可以用位移量测和变形量测手段来分析高陡边坡的稳定性，可以用长锚索来加固边坡或填方路基。在昭待公路的修建过程中，用长锚索来加固边坡或填方路基得到大量使用。

4.5新奥法在其它工程中的应用

此外，新奥法在国防工程、水利工程、水电工程、地下铁道、地下建筑都有一定的应用。重要的地下弹药库和地下军事基地都使用新奥法施工。蔓湾水电站左岸的高陡边坡坍滑治理就大量采用锚喷支护和预应力锚索支护而取得成功。新奥法的二次支护方法在地下建筑和地下铁道建设中也被大量采用。

5.新奥法施工的注意事项

当然，新奥法也非万能和唯一的方法。相比于传统矿山法，它的施工技术更复杂，设备要求更高，成本也更高，施工速度更低，而且，在一些地质条件较复杂或软弱地层中，不适于新奥法施工。在下列情况下，不适于或需要采取适当的辅助措施才能进行新奥法施工：①涌水量过大的地层；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的岩层；④工作面不能暂时稳定的岩层；⑤沙石、碎石、沙砾层[3]。

6.结论

新奥法将岩体力学理论和工程施工紧密结合，从开挖、支护和量测监控的系统的思维出发，确保设计和施工的一体化，从而保证工程质量和安全，有很广很强的适用性。随着锚杆材料、喷浆工艺技术、光爆技术、量测技术等的发展，新奥法将应用越来越广泛。其施工成本会不断降低，施工速度会不断提高，而施工质量和安全却越来越高。

【参考文献】

[1]于书翰，杜谟远主编.隧道施工[M].人民交通出版社，2001.

[2]魏天刚.新奥法隧道施工技术.价值工程[J].2013，（5）.

[3]赵兴东主编.井巷工程[M].冶金工业出版社，2010.