新奥法在十八盘隧道工程中的应用

席培胜， 孙晓凯

（安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

新奥法是L．V．Rabcewicz教授在20世纪60年代在《WATER POWER》期刊上发表的文章中详细提出来的，是一种包括隧道设计和施工的新技术［1］。它主要是利用围岩的自承载能力和开挖断面的空间约束作用，以喷射混凝土和锚杆作为主要支护手段，将工程经验、实际测量、理论分析相结合，形成的一种隧道工程建设的新方法。六十年代新奥法被介绍到我国，以其施工快速、节约材料、施工安全，并且有很高的的动态性在我国得到迅速发展，七十年代末至八十年代初是其发展的一个高峰，在理论研究方面以及实际工程应用方面得到长足的发展，并且趋于成熟。目前绝大多数的重难点地下工程设计与施工都会运用新奥法原理，凭借其在软弱破碎围岩地段修筑隧道取得的良好工程效果，新奥法已发展成为修筑隧道工程和其它地下工程的不可或缺的一种方法。十八盘隧道的施工设计与建设就是采用新奥法进行设计与施工的。

1 工程概况

十八盘隧道长2887m，该隧道位于安徽省金寨县西南部吴家店镇与天堂寨镇之间，属中低山地貌，地形起伏较大，隧道起止桩号为K66＋255～K69＋142，洞身段最大埋深约228．2m。隧址区强风化层较厚，出露地层岩性为元古界大别山群花岗片麻岩。

1．1 隧道围岩级别划分依据

根据中华人民共和国行业标准《公路隧道设计规范》（JTG D70－2004）［2］及交通部标准《公路工程地质勘察规范》（JTG C20－2011）［3］对公路隧道围岩的分级规定，参考岩石的坚硬度和岩体完整度两个因素和定量的围岩基本质量指标BQ对围岩进行分类。BQ值根据下式计算求取:BQ＝90＋3Rc＋250Kv式中:Rc为岩石饱和单轴抗压强度实测值，Kv为岩体完整性系数，Kv＝（Vpm／Vpr）2，Vpm－岩体弹性纵波波速、Vpr－岩石弹性纵波波速；当Rc＞90Kv＋30时，以Rc＝90Kv＋30和Kv代入公式；当Kv＞0．04Rc＋0．4时，以 Kv＝0．04Rc＋0．4和 Rc带入计算。各转孔设计洞底标高以上三倍洞经范围内统计数据见表1。通过计算，得到围岩基本质量指标BQ，，再考虑地下水、软弱结构面产状和围岩初始应力状态等因素，得到修正指标［BQ］对围岩分类。据此十八盘隧道围岩划分为Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ三种围岩级别，各级围岩所占隧道比例如表2。

表2 围岩分级一览表

1．2 各级围岩岩性评价及分布

Ⅴ级围岩地层岩性为强风化及中微风化花岗片麻岩，片麻状构造，岩石风化强烈，岩体破碎，呈砂土状、砂砾状，主要分布在洞口段［4］。Ⅳ级围岩地层岩性为中微风化岩层，岩性坚硬，岩体破碎，主要分布在洞身埋深在47．0～92．2m的岩层中。Ⅲ级围岩地层岩性为中微风化岩层，岩性坚硬，岩体较破碎，分布在洞身埋深在72．6～228．2m的岩层中。

2 十八盘隧道施工技术方案

2．1 隧道开挖

2．1．1 隧道洞口开挖

洞口段处主要分布的是Ⅴ级围岩，洞口埋深较浅，岩体风化裂隙、节理裂隙发育。岩体呈碎、裂状，松散结构，围岩稳定性差。开挖时宜采用机械开挖或者预裂爆破，预裂爆破设计参数［5］如表3:

表3 预裂爆破设计参数

为保证洞口处围岩和边坡仰角的稳定性，隧道应修建洞门。金寨端洞口地形较平缓，接长明洞设置斜切式洞门；霍山端洞口地面纵向坡度较陡，结合地形采取贴壁进洞方案，设置端墙式洞门，降低洞口边坡高度，减少洞口开挖。

2．1．2 隧道洞身段开挖

隧道明洞段采用明挖法施工，其余均采用新奥法施工。隧道洞身段大量分布的是Ⅳ级、Ⅲ级围岩，采用台阶分部开挖法，先开挖两侧岩体，保留核心土，以核心土支挡开挖工作面，及时做拱部初期支护，在拱保护下开挖核心土保证开挖过程中的安全性。在施工过程中，根据工程实际情况，结合新奥法原理，必要时采用CD法（中隔壁法）。开挖断面如图1、图2所示:

图1 台阶分部法断面

图2 CD开挖法断面

2．2 隧道支护

2．2．1 超前支护

新奥法的基本方法就是要在岩体开挖后及时采取支护措施，保证围岩稳定性，给后续施工提供安全的工作面。对于围岩性质差的Ⅴ级围岩，在开挖前要做超前支护，加固地层确保安全进洞。Ⅴ级围岩洞口处采用φ89中管棚作为超前支护，导管采用热轧无缝钢花管，外径89mm，壁厚6mm，每段长4～6m，分段拼装达到超前支护长度，导管上钻注浆孔，孔径8mm，孔间距15cm，呈梅花形布置，尾部2．5m留不钻孔的止浆段，环向间距40cm，外插脚以1°～3°为宜，采用1:1水泥浆，管棚注浆终压1～2MPa，维持5～10分钟。洞身段采用以注浆小导管为超前支护，小导管采用φ50×5mm钢管，长4．5m，环向间距40cm，外插角5°～8°，与钢拱架配套施工，每隔4榀一环，管搭接长度为1．46m，钢管尾部端须焊接于钢拱腹部，以增强共同支护作用。Ⅳ级围岩超前支护采用φ25mm超前中空注浆，锚杆长度300cm，环向间距40cm，外插角5°～8°，每隔2榀拱架设置一环，超前中空注浆锚杆的水平搭接长度为1．47m，锚杆尾端须焊接于钢拱腹部。Ⅲ级围岩稳定性好，可不做超前支护。

2．2．2 初期支护

围岩开挖后应立即进行必要的支护，使围岩与支护密贴，以稳定围岩。初期支护主要采用喷射混凝土与打锚杆的方式来稳定围岩。对于Ⅴ级围，喷射C25早强混凝土24cm厚，采用湿喷工艺，可分4～6层分喷。锚杆采用φ25mm，长度350cm，60cm×100cm布置。铺设φ8mm钢筋网，网格间距20×20cm。搭接Ⅰ18工字钢钢拱架，纵向间距60cm，拱架之间采用纵向连接筋连接，连接筋环向间距为100cm，并在钢架支护内缘、外缘交错布置。Ⅳ级围打入φ25mm中空注浆锚杆，长度300cm，100cm×100cm布置。钢筋网采用φ8mm，间距20×20cm。搭接Ⅰ12．6工字钢钢拱架，纵向间距100cm。拱架与开挖轮廓之间所有间隙必须用C25早强喷射混凝土充填密实，先喷拱架与轮廓之间隙，再喷拱架周围，然后再喷拱架之间，混凝土厚度18cm。Ⅲ级围岩采用三级22mm早强砂浆锚杆，长度250cm，120×120cm布置，铺设φ6mm钢筋网，网格间距20×20cm，喷C25早强混凝土12cm，可不做钢架。

2．2．3 二次衬砌

新奥法的基本原理就是充分利用围岩的自承载能力达到稳定状态，在初期支护之后，待围岩收敛达到稳定时，及时施作二次衬砌。Ⅴ级围岩，采用C30防水混凝土，先施作45cm厚钢筋混凝土仰拱，使浇筑成型的仰拱与达到稳定的初期支护形成闭合环，提高整体稳定性。再施作拱墙，同样采用C30防水混凝土，浇筑45cm厚钢筋混凝土作拱墙。Ⅳ级围用C25防水混凝土浇筑40cm厚素混凝土仰拱及拱墙，增强初期支护效果。Ⅲ级围岩岩性好，稳定性强，采用C25防水混凝土浇筑35厚素混凝土拱墙，根据工程实际情况，适当增强衬砌。

2．3 施工监测

监测是整个施工过程中必不可少的一项工作，也是新奥法的精髓所在。新奥法设计施工原理就是通过不间断的动态监测，反映围岩稳定性情况，以及初期支护与二次衬砌是否达到要求，以便于及时修正工程设计，改变施工方法。可以通过洞内直接观察掌子面和已施工区段，量测洞内围岩表面收敛，量测围岩内部位移以及地质超前预报，得到工程实际量测值，对照规范规定的量测基准值，在允许范围内，则表明围岩和支护稳定［6］。否则，修正设计，以满足要求。

3 结束语

新奥法隧道施工方法是在工程实践中总结出来的，在实践中不断发展和丰富，国内很多隧道工程均采用新奥法设计施工，十八盘隧道也是采用新奥法施工。该方法强调预设计中对围岩的准确分级，施工过程中围岩开挖方式、支护以及衬砌方式的选择，并进行严格的监控量测，整个设计施工过程是高度动态的过程，从而实现高度安全、经济合理、进度高效的目标。

1 王渭明，杨更社，张向东，等．岩石力学［M］．徐州:中国矿业大学出版，2010．

2 重庆交通科研设计院．JTG D70－2004公路隧道设计规范［S］．北京:人民交通出版社，2004．

3 中交第一公路勘察设计研究院有限公司．JTG C20－2011公路工程地质勘察规范［S］．北京:人民交通出版社，2011．

4 Leca，E．，Clough，G．Preliminary Design For NATM tunnel Support in Soil［J］．American Society of Civil Engineering，1992，118（4）:558－575．

5 王树理．地下建筑结构设计［M］．北京:清华大学出版社，2009:157－158．

6 郑金明，刘高，谢裕江．新奥法在山岭隧道软岩工程中的应用及存在的问题［J］．施工技术，2011，40:80－84．