2010年公路監(jiān)理師道路與橋梁輔導(dǎo)：新奧法施工
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)發(fā)布時(shí)間：2010-06-04 11:43:19
新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡(jiǎn)稱(chēng)，原文是New Austrian Tunnelling Method 簡(jiǎn)稱(chēng)NATM ，新奧法概念是奧地利學(xué)者拉布西維茲（L. V. RABCEW ICZ）教授于50年代提出的， 它是以隧道工程經(jīng)驗(yàn)和巖體力學(xué)的理論為基礎(chǔ)，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護(hù)手段的一種施工方法，經(jīng)過(guò)一些國(guó)家的許多實(shí)踐和理論研究，于60年代取得專(zhuān)利權(quán)并正式命名。之后這個(gè)方法在西歐、北歐、美國(guó)和日本等許多地下工程中獲得極為迅速發(fā)展，已成為現(xiàn)代隧道工程新技術(shù)標(biāo)志之一。六十年代NATM 被介紹到我國(guó)，七十年代末八十年代初得到迅速發(fā)展。至今，可以說(shuō)在所有重點(diǎn)難點(diǎn)的地下工程中都離不開(kāi)NATM.新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修筑隧道的一種基本方法。
下面僅對(duì)新奧法施工作一簡(jiǎn)要敘述。
1 新奧法施工特點(diǎn)
1.1及時(shí)性
新奧法施工采用噴錨支護(hù)為主要手段，可以最大限度地緊跟開(kāi)挖作業(yè)面施工，因此可以利用開(kāi)挖施工面的時(shí)空效應(yīng)，以限制支護(hù)前的變形發(fā)展，阻止圍巖進(jìn)入松動(dòng)的狀態(tài)，在必要的情況下可以進(jìn)行超前支護(hù)，加之噴射混凝土的早強(qiáng)和全面粘結(jié)性因而保證了支護(hù)的及時(shí)性和有效性。
在巷道爆破后立即施工以噴射混凝土支護(hù)能有效地制止巖層變形的發(fā)展，并控制應(yīng)力降低區(qū)的伸展而減輕支護(hù)的承載，增強(qiáng)了巖層的穩(wěn)定性。
1.2封閉性
由于噴錨支護(hù)能及時(shí)施工，而且是全面密粘的支護(hù)，因此能及時(shí)有效地防止因水和風(fēng)化作用造成圍巖的破壞和剝落，制止膨脹巖體的潮解和膨脹，保護(hù)原有巖體強(qiáng)度。
巷道開(kāi)挖后，圍巖由于爆破作用產(chǎn)生新的裂縫，加上原有地質(zhì)構(gòu)造上的裂縫，隨時(shí)都有可能產(chǎn)生變形或塌落。當(dāng)噴射混凝土支護(hù)以較高的速度射向巖面，很好的充填圍巖的裂隙，節(jié)理和凹穴，大大提高了圍巖的強(qiáng)度。（提高圍巖的粘聚力C和內(nèi)摩擦角）同時(shí)噴錨支護(hù)起到了封閉圍巖的作用，隔絕了水和空氣同巖層的接觸，使裂隙充填物不致軟化、解體而使裂隙張開(kāi)，導(dǎo)致圍巖失去穩(wěn)定。
1.3粘結(jié)性
噴錨支護(hù)同圍巖能全面粘結(jié)，這種粘結(jié)作用可以產(chǎn)生三種作用：
�、� 聯(lián)鎖作用，即將被裂隙分割的巖塊粘結(jié)在一起若圍巖的某塊危巖活石發(fā)生滑移墜落，則引起臨近巖塊的聯(lián)鎖反應(yīng)，相繼喪失穩(wěn)定，從而造成較大范圍的冒頂或片幫。開(kāi)巷后如能及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)，噴錨支護(hù)的粘結(jié)力和抗剪強(qiáng)度是可以抵抗圍巖的局部破壞，防止個(gè)別威巖活石滑移和墜落，從而保持圍巖的穩(wěn)定性。
�、趶�(fù)和作用，即圍巖與支護(hù)構(gòu)成一個(gè)復(fù)合體（受力體系）共同支護(hù)圍巖。噴錨支護(hù)可以提高圍巖的穩(wěn)定性和自身的支撐能力，同時(shí)與圍巖形成了一個(gè)共同工作的力學(xué)系統(tǒng)，具有把巖石荷載轉(zhuǎn)化為巖石承載結(jié)構(gòu)的作用，從根本上改變了支架消極承擔(dān)的弱點(diǎn)。
�、墼黾幼饔谩ｉ_(kāi)巷后及時(shí)繼進(jìn)行噴錨支護(hù)，一方面將圍巖表面的凹凸不平處填平，消除因巖面不評(píng)引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免過(guò)大的應(yīng)力集中所造成的圍巖破壞；另一方面，使巷道周邊圍巖由雙方向受力狀態(tài)，提高了圍巖的粘結(jié)力C和內(nèi)摩擦角，也就是提高了圍巖的強(qiáng)度。
1.4柔性
噴錨支護(hù)屬于柔性薄性支護(hù)，能夠和圍巖緊粘在一起共同作用，由于噴錨支護(hù)具有一定柔性，可以和圍巖共同產(chǎn)生變形，在圍巖中形成一定范圍的非彈性變形區(qū)，并能有效控制允許圍巖塑性區(qū)有適度的發(fā)展，使圍巖的自承能力得以充分發(fā)揮。另一方面，噴錨支護(hù)在與圍巖共同變形中受到壓縮，對(duì)圍巖產(chǎn)生越來(lái)越大的支護(hù)反力，能夠抑制圍巖產(chǎn)生過(guò)大變形，防止圍巖發(fā)生松動(dòng)破壞。
2 新奧法理論要點(diǎn)及施工要點(diǎn)
2.1 新奧法與傳統(tǒng)施工方法的區(qū)別：傳統(tǒng)方法認(rèn)為巷道圍巖是一種荷載，應(yīng)用厚壁混凝土加以支護(hù)松動(dòng)圍巖。而新奧法認(rèn)為圍巖是一種承載機(jī)構(gòu)，構(gòu)筑薄壁、柔性、與圍巖緊貼的支護(hù)結(jié)構(gòu)（以噴射混凝土、錨桿為主要手段）并使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成支撐環(huán)，來(lái)承受壓力，并最大限度地保持圍巖穩(wěn)定，而不致松動(dòng)破壞。
新奧法將圍巖視為巷道承載構(gòu)件的一部分，因此，施工時(shí)應(yīng)盡可能全斷面掘進(jìn)，以減少巷道周邊圍巖應(yīng)力的擾動(dòng)，并采用光面爆破、微差爆破等措施。減少對(duì)圍巖的震動(dòng)，以保全其整體性。同時(shí)注意巷道表面盡可能平滑，避免局部應(yīng)力集中。
新奧法將錨桿、噴射混凝土適當(dāng)進(jìn)行組合，形成比較薄的襯砌層，即用錨桿和噴射混凝土來(lái)支護(hù)圍巖，使噴射層與圍巖緊密結(jié)合，形成圍巖-支護(hù)系統(tǒng)，保持兩者的共同變形，故而可以最大限度地利用圍巖本身的承載力。
2.2保護(hù)巷道圍巖自身的承載能力
新奧法施工在巷道開(kāi)挖后采取了一系列綜合性措施：構(gòu)筑防水層、圍巖巷道排水；選擇合理的斷面形狀尺寸；給支護(hù)留變形余量；開(kāi)巷后及時(shí)做好支護(hù)、封閉圍巖等，都是為保護(hù)巷道圍巖的自身承載能力，使圍巖的擾動(dòng)影響控制在最小范圍內(nèi)，并加固圍巖，提高圍筵強(qiáng)度。使其與人工支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受巷道壓力。
2.3允許圍巖由一定量的變形，以利于發(fā)揮圍巖的固有強(qiáng)度。同時(shí)巷道的支護(hù)結(jié)構(gòu)，也應(yīng)具有預(yù)定的可縮量，以緩和巷道壓力。
圍巖的變形是控制在一定范圍內(nèi)的，必須避免圍巖變形過(guò)大，從而導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度的削弱以致引起垮落、失穩(wěn)。支護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的變形量，允許巷道圍巖產(chǎn)生一定的變形，以緩和來(lái)自巷道的巨大壓力，更進(jìn)一步減輕支護(hù)荷載。
2.4新奧法施工過(guò)程中量測(cè)工作的特殊性
由于巖體生成條件與地質(zhì)作用的復(fù)雜性，施工條件的復(fù)雜性，以及對(duì)工程設(shè)計(jì)參數(shù)的精確要求，得要通過(guò)許多量測(cè)手段，在施工過(guò)程中對(duì)圍巖動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。并用監(jiān)測(cè)結(jié)果修改初步設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工。
量測(cè)的結(jié)果可以作為施工現(xiàn)場(chǎng)分析參數(shù)和修改設(shè)計(jì)的依據(jù)，因而能夠預(yù)見(jiàn)事故和險(xiǎn)情，以便及時(shí)采取措施，防患于未然提到施工的安全程度。
由上所述，新奧法的支護(hù)原則是：圍巖不僅是載物體，而且是承載結(jié)構(gòu)；圍巖承載圈和支護(hù)體組成巷道的統(tǒng)一體，是一個(gè)力學(xué)體系；巷道的開(kāi)挖和支護(hù)都是為保持改善與提高圍巖的自身支撐能力服務(wù)。
3 新奧法的主要支護(hù)手段與施工順序
新奧法是以噴射混凝土、錨桿支護(hù)為主要支護(hù)手段，因錨桿噴射混凝土支護(hù)能夠形成柔性薄層，與圍巖緊密粘結(jié)的可縮性支護(hù)結(jié)構(gòu)，允許圍巖又一定的協(xié)調(diào)變形，而不使支護(hù)結(jié)構(gòu)承受過(guò)大的壓力。
施工順序可以概括為：開(kāi)挖→一次支護(hù)→二次支護(hù)。
3.1開(kāi)挖
開(kāi)挖作業(yè)的內(nèi)容依次包括：鉆孔、裝藥、爆破、通風(fēng)、出渣等。開(kāi)挖作業(yè)與一次支護(hù)作業(yè)同時(shí)交叉進(jìn)行，為保護(hù)圍巖的自身支撐能力，第一次支護(hù)工作應(yīng)盡快進(jìn)行。為了沖分利用圍巖的自身支撐能力開(kāi)挖應(yīng)采用灌面爆破（控制爆破）或機(jī)械開(kāi)挖，并盡量采用全斷面開(kāi)挖，地質(zhì)條件較差時(shí)可以采用分塊多次開(kāi)挖。一次開(kāi)挖長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)巖質(zhì)條件和開(kāi)挖方式確定。巖質(zhì)條件好時(shí)，長(zhǎng)度可大一些，巖質(zhì)條件差時(shí)長(zhǎng)度可小一些，在同等巖質(zhì)條件下，分塊多次開(kāi)挖長(zhǎng)度可大一些，全斷面開(kāi)挖長(zhǎng)度就要小一些。一般在中硬巖中長(zhǎng)度約為2-2.5米，在膨脹性地層中大約為0.8-1米。
3.2第一次支護(hù)作業(yè)包括：一次噴射混凝土、打錨桿、聯(lián)網(wǎng)、立鋼拱架、復(fù)噴混凝土
在巷道開(kāi)挖后，應(yīng)盡快地噴一層薄層混凝土（3-5mm），為爭(zhēng)取時(shí)間在較松散的圍巖掘進(jìn)中第一次支護(hù)作業(yè)是在開(kāi)挖的渣堆上進(jìn)行的，待把未被渣堆覆蓋的開(kāi)挖面的一次噴射混凝土完成后再出渣。
按一定系統(tǒng)布置錨桿，加固深度圍巖，在圍巖內(nèi)形成承載拱，由噴層、錨桿及巖面承載拱構(gòu)成外拱，起臨時(shí)支護(hù)作用，同時(shí)又是永久支護(hù)的一部分。復(fù)噴后應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)厚度（一般為10-15mm），并要求將錨桿、金屬網(wǎng)、鋼拱架等覆裹在噴射混凝土內(nèi)。
完成第一次支護(hù)的時(shí)間非常重要，一般情況應(yīng)在開(kāi)挖后圍巖自穩(wěn)時(shí)間的二分之一時(shí)間內(nèi)完成。目前的施工經(jīng)驗(yàn)是松散圍巖應(yīng)在爆破后三小時(shí)內(nèi)完成，主要由施工條件決定。
在地質(zhì)條件非常差的破碎帶或膨脹性地層（如風(fēng)華花崗巖）中開(kāi)挖巷道，為了延長(zhǎng)圍巖的自穩(wěn)時(shí)間，為了給一次支護(hù)爭(zhēng)取時(shí)間，安全的作業(yè)，需要在開(kāi)挖工作面的前方圍巖進(jìn)行超前支護(hù)（預(yù)支護(hù)），然后再開(kāi)挖。
在安裝錨桿的同時(shí)，在圍巖和支護(hù)中埋設(shè)儀器或測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行圍巖位移和應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量：依據(jù)測(cè)量得到的信息來(lái)了解圍巖的動(dòng)態(tài)，以及支護(hù)抗力與圍巖的相適應(yīng)程度。
一次支護(hù)后，在圍巖變形趨于穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行第二次支護(hù)和封底，即永久性的支護(hù)（或是補(bǔ)噴射混凝土，或是澆注混凝土內(nèi)拱），起到提高安全度和整個(gè)支護(hù)承載能力增強(qiáng)的作用，而此支護(hù)時(shí)機(jī)可以由監(jiān)測(cè)結(jié)果得到。
對(duì)于底板不穩(wěn)，底鼓變形嚴(yán)重，必然牽動(dòng)側(cè)墻及頂部支護(hù)不穩(wěn)，所以應(yīng)盡快封底，形成封閉式的支護(hù)，以謀求圍巖的穩(wěn)定。
4 新奧法適用范圍
�、� 具有較長(zhǎng)自穩(wěn)時(shí)間的中等巖體；
② 弱膠結(jié)的砂和石礫以及不穩(wěn)定的礫巖；
�、� 強(qiáng)風(fēng)化的巖石；
�、� 剛塑性的粘土泥質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r；
�、� 堅(jiān)硬粘土，也有帶堅(jiān)硬夾層的粘土；
�、� 微裂隙的，但很少粘土的巖體；
⑦ 在很高的初應(yīng)力場(chǎng)條件下，堅(jiān)硬的和可變堅(jiān)硬的巖石；
在下述條件下應(yīng)用新奧法必須與一些輔助方法相配合
�、� 有強(qiáng)烈地壓顯現(xiàn)的巖體；
�、� 膨脹性巖體（要與仰拱與底部錨桿相配合）；
�、� 在一些松散巖體中，要與鋼背板與之配合；
�、� 在蠕動(dòng)性巖體中，要與凍結(jié)法或預(yù)加固法等配合；
在下列場(chǎng)合中應(yīng)用應(yīng)慎重
�、� 大量涌水的巖體；
�、� 由于涌水會(huì)產(chǎn)生流砂現(xiàn)象的圍巖；
�、� 極為破碎，錨桿鉆孔、安裝都極為困難的巖體；
④ 開(kāi)挖面完全不能自穩(wěn)的巖體等。
5 新奧法的缺點(diǎn)主要有：
① 實(shí)施不僅要求有良好的施工組織和管理，也要求技術(shù)人員和量測(cè)人員都十分熟練，沒(méi)有這一點(diǎn)就易于發(fā)生錯(cuò)誤；作業(yè)質(zhì)量都與每一個(gè)人的仔細(xì)操作有關(guān)。
�、� 開(kāi)挖暴露出的地質(zhì)會(huì)立即改變其狀態(tài)，因此要求施工地質(zhì)人員要親臨現(xiàn)場(chǎng)，以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；
③ 用能控制的施工量測(cè)，往往給施工帶來(lái)不便；
�、� 干噴射帶來(lái)的灰塵以及由于易受化學(xué)藥品的損害必須加強(qiáng)防護(hù)，尤其是對(duì)眼睛的防護(hù)，濕噴雖然可以避免此缺點(diǎn)，但在同樣條件下，不如干噴那樣有效的支護(hù)巖體。
新奧法施工是從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的，又在不斷實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中得以豐富其內(nèi)容和進(jìn)一步發(fā)展，新澳法施工在我國(guó)推廣以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，通過(guò)科研、設(shè)計(jì)、施工三結(jié)合，在修建下坑、西坪、大瑤山、軍都山等鐵路隧道以及中梁山、二郎山、西山坪等多座公路隧道中，應(yīng)用新奧法遠(yuǎn)離及其相應(yīng)的技術(shù)，取得了較大的成就。
不可否認(rèn)，新奧法也存在不少缺點(diǎn)，不過(guò)經(jīng)過(guò)工程技術(shù)人員和科技工作者的共同努力一定可以把新奧法不斷完善，在我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程中發(fā)揮更加重要的作用。
