新奥法的基本原理

新奥法的基本原理新奥法的创始人之一，奥地利的L·米勒（L·Muller）教授根据多年来新奥法设计、施工与实践的经验教训、存在的问题与对策，于1978年总结出新奥法基本原则22条。（1）隧道是以其自身的围岩来支护的，衬砌与围岩应紧密地贴合在一起，使围岩与衬砌形成整体性结构。（2）在隧道的开挖过程中，应最大限度的保持围岩的原始强度。（3）尽可能地防止围岩松动，因围岩松动必将导致其强度降低。以往惯用的木支架、石材支架及钢拱支架不能与围岩紧密贴合，故不可避免的出现围岩松动。而采用喷射混凝土可以及时封闭围岩，因此可以防止围岩松动（图1）。图1防止引起岩体强度降低的围岩松动（4）应尽量避免围岩出现单向或双向应力状态。井巷开挖后，岩体由三向应力状态转变为双向应力状态，岩体强度大大下降。若能及时锚喷，可提供足够大的径向支护抗力，使围岩从最不利的双向应力向三向应力状态转化。（5）恰当地控制围岩变形，即一方面要允许围岩向巷道空间收缩变位，以便形成岩石支撑环，而另一方面，又要限制其产生过大变形造成围岩强度降低。其措施是在围岩壁面施以支护结构来阻止围岩发生松动破坏（图2）。图2恰当地控制围岩变形（6）应适时地进行支护。既不能过早，也不能太晚。支护结构的刚度不宜太大，也不要过柔，以便充分发挥围岩自身的承载能力。（7）应该正确地确定岩体或岩体支护系统的特定的时间因素。（图3）是以隧道开挖后围岩能保持稳定的时间为基础，对围岩进行分类。图3按围岩稳定时间对围岩分类根据不同的围岩其自承时间不同而采用不同的支护方式。作者在图中给出了1秒到100年的时间范围，根据围岩的自承时间将围岩分为A～G共七类。可从图3中看出围岩A、B、C三类围岩的自承时间在3个月以上，主要支护形式为锚喷支护，D类为锚喷网支护，E、F、G三类为钢拱喷射混凝土支护。（8）如果预计在隧道开挖时围岩产生较大变形或松动，则所采用的支护应能覆盖全部开挖岩面并能与围岩紧密贴合。使用喷射混凝土能够达到这两点要求，而木支架或钢拱支架与围岩为点支撑，它只能有效地阻止围岩变形或松动。（9）第一次支护应该是薄壁柔性结构，以便最大限度地限制弯矩和由弯矩而引起的拉裂破坏。一般采用的支护厚度为150mm～250mm。（10）如果第一次支护的喷层的承载能力确实不能保证围岩的稳定性时，应通过打锚杆、挂金属网或增设钢拱架联合支护来解决（图4）。图4锚杆、喷混凝土、钢拱架联合支护（11）从力学角度上看，新奥法构筑的隧道可以认为是由围岩支承环与第一次支护、第二次支护构成的厚壁圆筒。围岩支承环和支护结构是在形变协调条件下共同工作的结构物。而传统的观点则是把隧道看成是双墩拱，认为该拱是承担围岩荷载的结构物。新奥法把围岩从加载的因素（或把支护从支撑概念）转变成承载的因素（或把支护变为加固概念）是个飞跃（图5）。图5围岩支承环与支护结构共同工作（12）当隧道为双层支护时，内圈支护不宜太厚，且内外两层支护要紧密贴合，粘结为一个整体，不要成为摩擦结合，要使两层支护之间仅能传递径向力。（13）若采用二次支护时，第一次支护所形成的围岩支护系统就应该是稳定的。第二次支护（内衬砌）的作用在于进一步提高工程的安全性。但在有大量涌水时，或在围岩变形尚未稳定前就构筑第二次支护时，则一次支护与二次支护都需要考虑结构的稳定性问题。当渗水具有侵蚀性时，只有采取了防腐蚀措施时才能把锚杆看成是永久性支护的一个组分。（14）从力学上看，圆筒只有在全圆周上没有任何缝隙时才能起到圆筒的作用，因此隧道要封底（围岩非常坚硬除外），形成闭合圆筒，且封底要及时，一般为仰拱（图6）。图6设仰拱形成闭合圆筒（15）围岩的性态受封底时间的影响较大，若掘进工作面推进过快而延长了封底时间则使上拱圈承受不利的纵向弯矩，而下拱圈的岩石承受很高的应力。（16）隧道开挖后，破坏了原岩应力状态，围岩应力重新分布。为了不使应力重新分布过程复杂化并损坏岩体，应该采用全断面一次开挖。（17）隧道的施工方法影响着围岩的时间效应。因此，正确的施工方法对保证隧道的稳定性起着决定性作用。例如，一次掘进的长度、第一次支护的时间、封底时间、顶板上拱圈长度以及支护的反力等，均应系统地调整，以便控制围岩与支护系统的稳定过程。（18）为了避免隧道断面上尖角处的应力集中现象，应采用光滑的圆形断面。（19）正确确定围岩自承时间的手段是室内实验、现场实验、围岩变形量测等。此外，围岩的裸露时间、变形速度和岩石分类也可以为确定岩体或岩体支护系统的特定的时间因素（第（7）条）提供重要数据。自1952年以来对围岩的变位量测工作就已成为新奥法施工不可缺少的工作了。（20）第一次支护的形式及其设置的时间应根据所测得的岩体变形来确定（图7）。图7岩体变形量测（21）混凝土应力测定、支护与围岩接触面应力测定及施工期间进行的收敛变形量测等测得的数据反馈到设计与施工中，是指导设计与施工的重要依据（图8）。图8支护压力的量测（22）围岩的渗流压力以及作用于支护上的静水压力可通过各种排水设施或手段使之消除。必要时，要在第一次支护和第二次支护之间，设置专门的防水层来解决防水问题。上述的22条基本原理表明，不能把新奥法单纯地看成是一种施工方法或支护方法，而是一系列思想的综合和系统化，是一个具体应用岩体动态性质的完整的力学概念。根据以上22条原理，新奥法的核心思想可归纳为以下三个方面：一、支护要充分发挥围岩的承载能力。新奥法根据现代岩石力学支护围岩共同作用原理，明确指出围岩是承载的主体，初次支护和最终衬砌的目的，是为了保证和调动围岩的强度，帮助围岩实现自撑，使隧道尽快形成一个能自撑的土壤或岩石承载环。围岩一旦风化松动，岩体强度会大幅度降低，要发挥围岩的承载能力，首先一点就是尽可能不损害围岩原有的强度。贯用的木支架和钢拱支架不能避免围岩出现松动，采用喷混凝土或锚喷支护封闭围岩壁面可以防止围岩风化和松动，减少围岩强度的降低。因此，喷锚或锚喷支护是新奥法的重要特征。从力学角度讲，新奥法构筑的隧道可以认为是由围岩支承环与一次被覆、二次被覆构成的厚壁圆筒（图5）。支承环厚壁圆筒只有在全圆周上没有任何缝隙时才能起到圆筒的作用，形成闭合环非常重要。围岩的工作特性取决于衬砌的封闭时间，因此，除非确认底板围岩是非常坚硬而无需设置底拱外，一般都要设仰拱，并且在施工过程中要尽快对底板进行支护以形成闭合环。二、建立二次支护概念。巷道开挖初期的应力调整过程中，围岩变形量大、速度快。为适应这一特点，新奥法要求支护既能抑制围岩变形、防止围岩开裂松动，又要具有一定的可缩性，允许围岩适度变形，只有这样才能最大限度地减少支护受力，充分发挥围岩的支承能力。锚杆支护是一种可缩性支护，但是喷层、混凝土衬砌却是刚度较大的脆性支护；喷层厚度大则刚度大，在变形压力作用下很快就会破坏。为提高喷层和衬砌的柔性，初次支护要采用厚度较薄的薄壁结构，以减少弯矩，提高其变形适应能力。当初次支护强度需要增强时，可以使用锚杆、钢筋网及钢拱架，而不是增加喷层或衬砌的厚度。初次支护在于有控制地允许围岩变形，充分发挥围岩的支护能力，以较低的成本获得较好的支护效果。二次支护的作用是提高支护的安全度，根据新奥法原则，二次支护也应采用薄壁结构，当围岩变形稳定后适时地完成。三、建立隧道施工量测体系。新奥法强调在隧道施工过程中进行系统的现场监测工作，以掌握围岩活动规律和巷道安全程度。新奥法的初次支护参数设计，是在岩石力学基本理论基础之上，按照围岩分类及工程类比方法确定的，只有通过现场实测，才能对设计参数进行进一步的优化，达到最佳支护效果。因此，量测工作是评价初次支护是否合理、施工方法与工艺是否正确、围岩状态是否稳定和确定二次支护时机的科学依据。监测工作伴随着巷道施工的全过程，量测工作的好坏，是按新奥法施工能否成功的重要前提。