公路隧道新奥法开挖与支护技术

董俊杰 周彪

摘要：目前随着我国交通运输高速化、重载化，开发基础设施建设步伐的加快，修建长大公路隧道越来越受到重视。本文重点分析了公路隧道的新奥法开挖与支护技术。

关键词：公路隧道  新奥法 开挖与支护

中图分类号：X734文献标识码： A

引言

隧道是处于复杂地质条件下的建筑工程，它受天然形成的地质状态如地应力、地质物理参数、地下水、地质断层等因素和人工开挖操作如开挖方式、支护方式、支护时间等因素影响很大。由于隧道所处的地质环境不同，其围岩稳定特性也不同，因此应采用的支护方式和开挖方式也就不一样。目前隧道的开挖方式主要有全断面开挖方法、台阶法、台阶分部开挖法、导坑法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法等。本文重点分析了公路隧道的新奥法开挖与支护技术。20世纪60年代提出的新奥法施工方法，目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一。从70年代以来，我国在地下工程的各个领域中，广泛推广渊源于新奥法隧道施工概念而发展起来的现代支护新技术—喷锚支护，至今无论在理论研究还是在工程实践中都己经有了长足的进步。

1.1新奥法隧道施工的主要特点有：①隧道施工的概念与传统的支护理论不同，新奥法的主要原理，可解释为这样一种概念，即将隧道断面周围岩石从荷载的发生者转变为承载者。②既能有效地支护围岩，同时又允许围岩变形。新奥法认为，先施做薄的辅助混凝土衬砌，监测其变形过程，待变形达到稳定状态后才可修筑永久性支护。③锚喷支护应用于破碎岩体，锚杆支护的传统概念是锚杆只能用于锚固隧道上部有可能脱落的岩石，而不能用于节理发育的破碎岩体之中。④变形动态与监测施工，新奥法通过围岩压力释放来实现二次平衡，因此通过测量围岩和支护变形动态，控制隧道稳定是新奥法的核心内容。

1.2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； 在下述条件下新奥法必须与一些辅助相配合 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； 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。

2 隧道开挖

2.1隧道开挖的基本原则是在保证围岩稳定或减少对围岩的扰动的前提条件下，选择恰当的开挖方法和掘进方式，并应尽量提高掘进速度。即在选择开挖方法和掘进方式时，一方面应考虑隧道围岩地质条件及其变化情况，选择能很好地适应地质条件及其变化，并能保持围岩稳定的方法和方式另一方面应考虑隧道范围内岩体的坚硬程度，选择能快速掘进，并能减少对围岩的扰动的方法和方式。

2.2隧道开挖方法实际上是指开挖成形方法。按开挖隧道的横断面分部情形来分，开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法、留核心土台阶开挖法、分部开挖法等。台阶开挖法，一般是将设计断面分上半断面和下半断面两次开挖成型，也有采用台阶上部弧形导坑超前开挖的。台阶法适用于IV、ⅴ级围岩且含软弱夹层带或节理发育地段。根据围岩的破碎程度，台阶法又可分为长台阶法、短台阶法、超短台阶法。由台阶法变化而来，上台阶超前倍洞跨，主要应用在采用短台阶法开挖遇到土质、涌水、掌子面坍塌等段落。特点是施工调整不大，在遇到短距离围岩变化时可优先采用，能较快提高施工的安全性，但工序增多，进尺较短(一般不超过1m)。分部开挖法是将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某部超前开挖，故可称为导坑超前开挖法。常用的有上下导坑超前开挖法、上导坑超前开挖法、单（双）侧壁导坑超前开挖法等。

2.3光面爆破在隧道工程中的应用己经十分广泛，它不仅能提高隧道的掘进速度，科学有效的控制爆破还能避免超欠挖，保证后期支护效果。光面爆破的实质就是在隧道掘进设计断面的轮廓线上布置加密的周边眼，减小药包直径，减少装药量，采用低密度和低爆速的炸药，以控制炸药爆破能量及其作用，降低爆炸冲击波的峰值作用，削减它在岩石中引起的应力波强度，避免在炮孔周围产生压碎区，而使爆破作用集中到需要爆落的一侧岩体上，减弱对原岩体的破坏作用。

3 支护方法

3.1 喷射混凝土。向洞室内表面围岩喷射混凝土，能使被裂隙分割的岩块体粘接起来，保持岩块体的咬合和镶嵌作用，通过提高岩块体的粘接力和摩擦力来有效的防止围岩松动，并避免或缓和了应力集中现象的发生，而且给围岩表面以抗力和剪力，使围岩处于有利于稳定的三轴应力状态，并通过喷混凝土层自身的结构刚度，来阻止不稳定体的坍塌。喷射混凝土自身有一定的刚度，能够抵抗岩土体的坍塌，并且往往和其它支护方法共同作用，承受支护结构的受压变形，因此喷射混凝土支护方法是现代隧道施工最常用的方法之一。

3.2 锚杆支护。在岩土体中打入锚杆，能约束岩土体的变形，并通过向围岩施加压力，使原来处于二轴应力状态的洞室内表面的围岩保持三轴应力状态，从而阻止了围岩体刚度的恶化，尤其是松动区内围岩的刚度。通过在岩土体中的系统锚杆的作用，在岩土体中形成了被约束变形的岩土体加固圈，形成了能够承受外部荷载的岩土体承载拱，与岩土体共同承受外部荷载，增强了岩土体的稳定性。

3.3 挂钢筋网。钢筋网通常是与锚杆连接在一起使用的，由于锚杆布设有一定的间距，而锚杆约束作用之间的岩土体就非常薄弱，易发生坍落，为此在锚杆之间用钢筋网连接，可以使松散的岩土块体处于三轴应力状态中，保持稳定作用。同时锚杆之间相互连接，减小了由于单个锚杆失效，造成局部坍落的可能性。

3.4 钢支撑。钢支撑是利用支撑结构自身的刚度来稳定岩土体，控制岩土体的变形，一般在工作面开挖完成后，按设计间距立刻安装，这样能够充分发挥钢支撑的作用，稳定岩土体。钢支撑主要用于岩土体自身稳定性极差的地层，通常有两种形式，一种是用钢筋制作的格栅钢架结构，另一种是用型钢制作的工字钢支撑。并且钢支撑经常与喷射混凝土、锚杆、钢筋网同时使用，以确保岩土体的稳定。

3.5 注浆导管超前支护。超前注浆导管在超前支护方法上其作用类似于超前锚杆，纵向支撑松散的岩体，在隧道开挖的开挖轮廓线施做，由后部的钢支撑和前方未开挖部分岩土体支撑起中间部分的岩土体，起纵向梁作用。同时由于通过对导管内注浆和砂浆锚杆注浆，浆液将进入岩土体的裂隙中，形成刚度较大的土层加固圈，提高了岩土体的稳定性。这种方法对于裂隙发育的块状岩体效果为佳，超前注浆导管的对岩土体的注浆加固作用较超前锚杆效果要突出。由于向岩土体内注入了浆液，填补了岩土体中裂隙，不但提高了岩上体的力学性能指标，同时起到了防水的作用，地下水往往会降低围岩等级，易使岩体失稳，发生坍塌，因此，这种方法对于含水地层的支护加固效果尤其显著。

3.6 管棚超前支护。管棚施工方法主要用于岩土体的成拱效果极差的岩土体地层，这种地层由于地层自重，产生较大的岩土体侧向压力，隧道内会发生纵向的坍塌，引起前于地层自重，产生较大的岩土体侧向压力，隧道内会发生纵向的坍塌，引起前方地层的陷落。为确保进洞的安全，首先在洞口部位施工管棚，采用直径较大的钢管超前布置在开挖的外轮廓线，超前的距离较大，形成纵向钢梁的作用，可以有效的减小由于岩土体自重产生的侧向压力，稳定前方地层。

4 结语

新奥法施工目前己成为地下工程的主要设计施工方法之一，以其为指导的开挖、支护方式在不同的围岩级别中有着较大的区别。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，在修建下坑、西坪、大瑶山、军都山等铁路隧道以及中梁山、二郎山、西山坪等多座公路隧道中，应用新奥法远离及其相应的技术，取得了较大的成就。本文主要分析公路隧道的开挖与支护，以期能够促进公路隧道动态信息化施工发展。

参考文献

[1]耿峦峰.单拱四车道公路隧道全断面开挖力学特性分析[J].山西建筑 2009.04.