新奥法理论及其在隧道中的应用

新奥法理论及其在隧道中的应用摘要：通过介绍新奥法和在中国的发展，从岩体属性，围岩基本原理入手阐述了新奥法原理。并根据不同围岩等级介绍新奥法施工，最后用引栾入津工程、西洱河三级电站工程、草峪岭随润工程介绍新奥法在隧道中的应用。关键词：新奥法;围岩自稳;岩体属性;工程实例TheNewAustrianTunnelingMethodAndApplicationInTheTunnelYAOMeng-Wei（ArchitectureandCivilEngineering，8143086）Abstract：ThearticleintroducesTheNewAustrianTunnelingMethodandit’sdevelopmentinChina.ThenitstartsfromtherockpropertiesandthebasicprinciplesofsurroundingrocktoexpoundeNATM.Atlast,itusestheYinluanrujin,XierhethreepowerplantprojectandtheCaoyulingprojectointroducetheNATM.Keywords：NewAustrianTunnelingMethod;Thesurroundingrocksteady；Rockproperties;Engineeringprojects引言二十世纪以来，人类对地下空间的需求越来越多，因而对地下工程的研究有了一个突飞猛进的发展。在大量的地下工程实践中，人们普遍认识到，隧道及地下洞室工程的核心问题都归结在开挖和支护两个关键工序上：即如何开挖，才能更有利于洞室的稳定和便于支护；若需支护时，如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。这是隧道及地下工程中两个相互促进、又相互制约的问题。在隧道及地下洞室工程中，围绕着以上核心问题的实践和研究，在不同的时期，人们提出了不同的理论并逐步建立了不同的理论体系。其中的一种理论是二十世纪20年代提出的、传统的“松弛荷载理论”。而另一种理论是二十世纪50年代提出的现代支护理论，或称“岩承理论”。其核心内容是:围岩稳定显然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或限制，则围岩仍然能够进入稳定状态。这种理论体系的代表性人物有拉布西维兹、米勒-菲切尔、芬纳-塔罗勃和卡斯特奈等人。这是一种比较现代的理论，它已经脱离了地面工程考虑问题的思路，而更接近于地下工程实际，近半个世纪以来，已被工程界广泛接受和推广应用，并且表现出了广阔的发展前景。新奥法是岩承理论在隧道工程实践中的代表方法。1概述1.1新奥法简介新奥法又称NATM，是“NewAustrianTunnelingMethod”的简称，常见到的译名为“新奥地利隧道施工方法”。其实，它不完全是一种设计方法，也不单纯是一种施工方法，而是把两者结合为一体的技术方法，是具体应用岩体动态方面的较完善知识的一个完整的力学概念。因此称为“新奥地利隧道工程法”更为恰当。奥地利国家地下洞室工程委员会提出了一个新奥法的正式定义:“新奥法遵循这样一个原理，即通过发挥围岩承载环的主动作用使洞室的围岩(岩体或土层)成为承载结构部件。”新奥法是在1948年由其创始人、奥地利学者L.V.Rabcewicz教授提出并在1958年申请专利，1963年正式命名，并在近40年来得到逐步发展。新奥法自申请专利以来，在世界许多国家中得到迅速推广应用，并取得良好的效果。新奥法最初是在岩质较好的地层中应用，后来随着经验的不断丰富，较差地层中也开始应用新奥法，并获得成功。由于新奥法技术经济效益明显，现在正处于蓬勃发展阶段，受到国内外工程界的普遍重视。新奥法在隧道工程中的广泛应用极大地推动了隧道工程技术的进步，目前，新奥法原理己经成为世界各国隧道及地下工程中普遍遵循的原理。虽然，在这期间一些学者也提出其它隧道工程方法，但目前隧道设计与施工中仍以新奥法为主。1.2新奥法在我国的发展早在20世纪六十年代新奥法介绍到我国，七十年代末八十年代初得到迅速发展，至今，可以说在所有重点难点的地下工程中都离不开新奥法。用新奥法指导施工的工程实例不胜枚举。例如，复杂隧道：大秦线军都山隧道的黄土浅埋段和洞内泥石流、大瑶山隧道的9#断层、京九线的歧岭隧道、宝中线大寨岭隧道等；长隧道：大瑶山隧道、米花岭隧道；大断面隧道：二滩电站的导流洞最大断面面积600m2以上、太平驿电站直径达28.6m的调压井。特殊地质隧道:南昆线家竹菁隧道(高地应力、大变形)；城市地下工程：北京地铁复兴门折返线、西单地铁车站、国家计委停车场。目前高速公路隧道己全面推广新奥法施工。许许多多重点难点工程的建成带动了我国整个地下工程的发展。新奥法以其快速、节省、安全和具有很高的灵活性与优越性越来越受到学者和工程技术人员的青睐。这里的灵活性不但指其适用范围广一一不同的地质条件，不同的埋深，不同的洞径及不同的支护目的；而且指通过反馈信息及时调整设计方案一一遇到地质条件变化时，可以根据现场量测资料及时调整设计和施工方案，支护强度不够可以补强，过分安全可以削减。2新奥法原理2.1岩体的基本属性新奥法施工是在岩体内开挖各种形状断面的隧道或洞室，因此，了解隧址区岩体的基本属性非常重要。众所周知，岩石有3种类型:岩浆岩、变质岩和沉积岩。无论哪种岩石，在其形成过程中都会生成原生构造。岩浆岩是由地壳深处的岩浆冒出来形成的，岩浆在冷却过程中除结晶外还会形成节理构造。变质岩是由岩浆岩或沉积岩在高温高压作用下产生的，在矿物重新结晶的过程中形成节理和片麻理构造。沉积岩是各种矿物颗粒被水携带由近及远，由粗至细，层层沉积而成，其形成都有层理构造。岩石形成后又经历了多次大地构造运动，每次构造运动都会使岩体产生次生构造，由于构造力的大小和方向不同，岩体产生的断裂(正断层、逆断层和逆掩断层)规模和方向也会不同，其断裂带的性质和宽度也不同。断裂带内的岩石被挤压破碎，甚至糜凌化，在大地构造力作用下，有的岩体呈叠瓦状构造。碳酸盐类岩石有时还会有溶洞，洞内有的充填一些破碎土石，有的无充填物。岩体内一般都有地下水活动，而水会降低软弱夹层、破碎带及裂隙内充填物的力学指标(C、值)。地表一定深度内的岩石在长期物理化学作用下都产生不同程度的风化，轻者破碎加重，强度降低，重者则变成散粒体或土。由此可见，岩体是一种非常复杂的介质，既不连续又不均匀，还不各向同性，同时还存在原始地应力。岩体既有弹性又有塑性，还存在流变问题，各种构造面均是岩体的薄弱部分。2.2围岩破坏原理新奥法的理论基础是认为围岩具有自承能力，分析围岩自承能力形成的力学机制对于正确选择设计和施工方案有重要意义。围岩的自承能力来源于围岩自身强度。开挖前岩体处于三向原岩应力状态，隧道开挖后，在岩土体中形成新的空间，导致隧道周边岩土体失去原有的支撑，径向应力降低。围岩向隧道洞内移动，围岩相互挤压，切向应力升高，局部可能出现拉应力，围岩应力状态趋于恶化。围岩稳定性是围岩强度与二次应力一对矛盾比较的结果。如果围岩自身强度高于二次应力，围岩是能够稳定的，因此围岩的自承能力大小取决于围岩强度的高低。此处的围岩强度不是指围岩中岩石块体的强度，是包含了结构面分布与性质、岩石块体嘴构体强度和工程因素等多方面影响的综合指标。隧道工程中不支护而长期稳定的实例则证明了围岩的自承能力。如果围岩强度低于二次应力围岩发生破坏，破坏由表面向深处发展，围岩内应力不断调整，破坏不断发展，在围岩内形成三个区，由围岩表面向深部依次是塑性软化区、塑性强化区和弹性区。三个区的岩体处于不同的变形阶段，塑性软化区围岩处于峰值后变形阶段，即塑性软化变形阶段；塑性强化区围岩处于峰值前的塑性变形阶段，即塑性强化阶段；弹性区围岩处于弹性变形阶段。理论研究表明，塑性强化区和弹性区是围岩承载的主体，塑性软化区是支护的对象。强化区和弹性区的切向应力高于原岩应力，软化区应力得到释放，切向应力低于原岩应力。围岩的自承能力与岩体的力学性质密切相关。岩石的两种性质对于围岩的自承能力有重要影响，一是随着围压的升高，岩体峰值前和峰值后的承载力都不断增大载力。二是岩石处于软化变形阶段仍具有承载力。围岩处于塑性软化变形阶段时，岩石已破碎，围压较低，围岩变形处于非稳定状态，其承载力来源于破裂面的摩擦力。软化区的承载力具有双重作用，一是有利于自身的稳定，但必须通过施加支护才能实现软化区围岩的稳定；二是软化区对强化区围岩具有作用力，增大了强化区围压，提高围岩强度，促进强化区围压进入稳定状态。因此软化区工作状态对强化区的承载力有重要影响。强化区围压较软化区大，围岩结构面处于紧密挤压状态，围岩变形处于稳定状态，是主要的承载区之一。强化区对弹性区围岩具有支撑作用，增大了弹性区围压，提高了岩体屈服强度，促使弹性区的形成。弹性区围压高于软化区、强化区，使得围岩处于弹性工作状态，岩体应力和变形关系服从胡克定律，是主要承载区之一。由上述分析可见，塑性软化区、强化区和弹性区是相互关联、相互影响、相互作用的整体。塑性强化区和弹性区是承载的主体，但都位于围岩深处，一般不能对其进行支护加固，而塑性软化区是支护的主要对象，通过对浅部(软化区)围岩进行加固或支护，提高其强度，使其达到稳定。浅部(软化区)围岩再对深处(强化区)围岩实施作用，实现深部围岩稳定，并使其成为主要的承载区。除了对浅部(软化区)围岩的加固措施外，在矿山法开挖隧道时采用光面爆破的目的是减轻爆破对围岩的震动，尽可能保持原始状态。在稳定性差的围岩条件下，常采用预支护方法，在隧道开挖前围岩即得到强化。浅部支护、光面爆破和预支护等措施都是工程施工中常用的技术手段，其目的都是在施工时尽可能维持围岩的原始状态，保持原有强度，达到围岩稳定。2.3新奥法原理新奥法是一种隧道施工方法，该法在岩体力学的基础上，把以往普氏理论的围岩荷载视作能自承载的结构，并借助喷锚支护等的加固作用充分发挥围岩的自承性能，千方百计地充分发挥围岩的自承能力是新奥法的精髓。众所周知，隧道未开挖前，无论隧址区域的地质条件如何，隧址区域内的原始地应力是处于某种平衡状态的。但是，隧道开挖后，解除了开挖断面内岩体的应力，使围岩处于临空状态，破坏了隧址区域的应力平衡状态，围岩的径向应力突然降为零，而环向应力则立即升高，围岩由原来的三维应力状态变为二维应力状态。开挖后，围岩的弹性变形瞬间完成，但弹塑性和塑性变形将随时间的推移继续发展，这种变形是在围岩应力重新调整过程中产生的。若某个部位的压剪应力超过围岩的抗剪强度就会发生剪切破坏，破坏部分的围岩失去了自承能力，必然又造成应力的重新分布。应力将向较深层围岩转移，其结果有2种：一是应力重分布后，围岩不再继续破坏，暂时能自承；二是应力重分布后，围岩仍在继续破坏，最后发生塌方。新奥法提出保持围岩稳定的关键是充分发挥围岩的自承能力，这一提法是从力学角度提出了保持围岩稳定的思路，揭示了决定围岩稳定性的主要因素是围岩的自承能力。从上述分析可见，围岩自承能力源于围岩强度，因此保持围岩原始状态，即是保持原有围岩强度，这是发挥围岩自承能力的充分必要条件。总之，新奥法“充分发挥围岩的自承能力”的观点可进一步表述为“基本维持围岩原始状态”。两种表述方法的区别还在于，“充分发挥围岩的自承能力”是从力学层面所作的“隐性”表述，“基本维持围岩原始状态”既是从力学层面所作的表述，同时又是与工程措施密切结合的，因此是一种“显性”表述。3新奥法施工新奥法是科学、先进、灵活的隧道施工方法。根据开挖后围岩的实际情况，灵活应用锚喷支护，使加固后的围岩形成自承能力。有人把新奥法和锚喷支护划等号。但这种观点具有片面性，因为新奥法是以锚喷作为加固围岩的手段，但在实施锚喷支护过程中还应有非常严密的施工组织和现场围岩变形观测，必须通过观测来判断围岩的稳定状态，由观测获得的数据来指导施工，确定锚喷支护的合理参数，并提供2次衬砌的施作时间。由此可见，锚喷支护仅仅是新奥法施工的一种手段，而不等同于新奥法，如果在隧道施工中能够灵活而正确地应用新