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：首先介绍了新奥法的历史和发展现状，从阐述新奥法的原理及其探讨新奥法一直存在的争议中对新奥法得到更深的认识，然后针对新奥法在隧道工程中的应用，阐述了新奥法的施工办法和工艺，探讨了新奥法施工的基本理念。关键字：新奥法；原理；隧道工程；施工1.概述新奥法是奥地利隧道施工办法（NewAustrianTunnelingMethod，简写NATM）的简称。现有的文献表明，新奥法以此最早源自Rabcewicz于1964年的英文文章，文中重新阐述了1962年他在德国Salzburg第十三次岩土力学讨论会的演讲中首次提出新奥法隧道施工实践中的一些基本概念，其名称前冠以“新”字是以区别于老的奥地利隧道工法。在我国的地下工程领域中，新奥法的应用也得到了高度的重视。20世纪50年代喷混凝土和锚杆技术已开始在矿山隧道中应用。60~70年代喷锚支护已在铁道隧道中推广应用，1983年用新奥法在复杂地层中建成大瑶山铁路隧道，1990年我国第一条用浅埋暗挖施工的城市土层隧道—复兴门地铁站成功建成，90年代新奥法在城市交通隧道和公路隧道中得到了普遍的应用。2.新奥法原理新奥法并非单指在隧道修建中的某种开挖方法或某种支护结构型式,其含义实际上更为广泛和深刻。新奥法以岩体力学为理论基础,提出了一系列新的概念和原则,同地下工程的传统概念和认识有根本的区别。多少年来,在隧道设计和施工中,一直把支护结构（支撑、衬砌）和围岩看作是对立的两部份,即把围岩作为松散土石荷载作用在支护结构上,这就是所谓松散介质理论,据此理论所设计的支护结构被动地承受来自围岩的荷载。在隧道施工中,普遍采用钢木支撑作临时支护,不仅消耗大量钢木材料,而且由于不能有效地遏制围岩的变形、松弛和防止围岩风化,往往达不到安全的要求。在灌注永久衬砌时,又要拆除临时支护,再一次扰动围岩,导致围岩进一步松弛和地层压力的增长。衬砌背后回填不密实,也是造成围岩松动的原因。新奥法的基本原则是“同岩石合作,而不是同岩石斗争”,建立以围岩为主体的支护体系,依靠围岩的自稳来维持洞体的稳定。因此,要在工程施工中尽力保护围岩。一方面在符合使用要求的前提下,选用合理的断面形式,使轮廓圆顺,以缓和围岩的局部应力集中。在施工中力求减少对围岩的扰动,要求采用光面爆破,大断面开挖,避免对围岩产生反复的爆破振动。对软弱围岩,宜采用风镐开挖或单臂掘进机切削,减少对围岩的扰动和超挖。另一方面对围岩进行加固,如对松散的砂卵石地层进行注浆加固;在碎裂结构围岩和软弱围岩中,用喷射混凝土锚杆加固。施工中作到支护工序紧跟开挖面,减少围岩暴露和自由变形的时间,防止过量的松弛,以维护围岩的强度。3.对新奥法理解存在争议3.1究竟是原理还是方法奥地利国家地下空间工程委员会正式命名过“新奥地利隧道施工方法”(NATM),这里明确说是方法。但解释方法时又强调要遵循这样一个原理,即通过发挥围岩承载环的主动作用使洞室周围的围岩(岩体或土层)成为承载结构部件,此时又强调的是原理。米勒教授来华讲学及他发表的系列文章均详细阐述过应遵循的22条原则。他还说过“隧道工程不仅是一门科学,而且是一门艺术。要学好隧道工程这门艺术,决不是短时间的事,要经过多年的学习。”这里强调的是原则和艺术,而不是我们所理解的具体方法。我国编制的《铁路隧道新奥法指南》中把NATM的基本要求,归纳为7点,这7点也都是原则,并不是一种很具体的方法。人们通常对方法的理解:是有明确的条件,具体使用的机具,一定的工序步骤。如TBM、盾构法,我国铁路隧道以前常用的上下导坑先拱后墙法或漏斗棚架先墙后拱法等都是可操作性很强的。因此,虽然名称方法,也被大家习惯承认和使用,但实际上是一些原则。对“原理”和“方法”名词的争论并非无聊的咬文嚼字游戏。“原理”可用在很多场所,具有普遍意义。“方法”使用条件较具体,具有局限性,原理可渗透到方法之中。把各种方法取得的成就统统归结于某一具有普遍意义原理之下是不公道的。经过总结，当认为新奥法是原理时，它的关键特征是（1）应该尽最大可能调动隧道周围地层的强度（2）调动地层强度的方法是允许控制地层的变形。（3）先安装初期支护，初期支护的荷载变形特征要适合于地层条件，施筑时间与地层变形密切配合；而永久支护的施工通常于最后阶段进行。（4）安装仪器进行监测初期支护体系的变形及其荷载。监测的结果将形成初期支护（和永久支护）和序列开挖的变更依据。当认为新奥法是施工技术时，其关键特征是：（1）序列化地进行隧道的开挖和支护，开挖的顺序和开挖面的面积是可以变化的。（2）初期支护由喷射混凝土组合下列某些或全部措施：①钢筋网；②钢筋架（通常为格栅拱）；③地层加固（例如岩石锚杆，超前管棚）。（3）永久支护常常（但不是不可变的）被设计成为分离的，现场浇筑的混凝土衬砌。3.2NATM的设计结果会因人而异NATM的设计不同于地面结构,也不同于传统的设计方法。传统的设计方法根据分类确定坍落拱的高度,并作为荷载而设计衬砌结构。虽然不合理,但合乎设计程序规范。NATM设计思路是围岩分类—依据经验确定支护参数—施工过程中观测和监测—根据监测结果调整支护参数,即所谓信息化的设计方法,并使施工者也参加到设计中去。其思路是正确的,符合事物的客观规律。但在实施过程中,不同的设计者和施工者都可能得出不同的结论。尤其是软岩隧道,在施工步骤、支护参数、工期的安排、造价的估算方面都会产生悬殊的差异。其原因是(1)对围岩分类的认识差异,即使在同属一类围岩中也有程度之分,但设计中并不细致考虑。(2)用分类对照选择支护参数,在一般情况下可行,但对特殊工程、特殊地质条件则很易失误。(3)勘测不易准确,超前预报尚未普及。(4)根据变形来判别稳定的标准不确定,如允许位移、位移速度和加速度等的标准和判别办法都比较勉强,工程技术人员难于掌握。因此,对一般工程并不能实现事实上的信息反馈。3.3对变形的判别难以掌握工程技术人员最关心的是变形在多少范围内是安全的?超出什么范围是危险的?即允许位移和位移速度问题。在技术规程中提供了一些原则办法,但由于地质情况的多变,围岩的变形与稳定关系时常发生例外。例如在具有较大塑性变形的岩体中,如煤层,发生很大变形而不坍塌(金家岩隧道顶拱下沉达400mm)。在岩体坚硬、节理发育的地层中,变形很小(10mm左右),却突然顺节理面松弛而坍塌。各种例外情况还经常发生,因而原则办法常常让工程技术人员感到困惑,进而忽视甚至放弃监测。作为有经验的隧道工作者,从分析地质条件入手,再根据经验类比尚可判定出某一具体工程洞室周边位移的范围。而一般工程技术人员则很难作到。为此,有必要积累这方面经验,建立工程数据库,以便参考。3.4“释放”和“约束”的界限难于掌握在我国制定的《指南》及《技术规程》中都强调:二次衬砌应在围岩和初期支护变形基本稳定后施作,并规定了变形速率、总变形量的范围、喷层的裂缝不发展等要求。规定这些要求的目的是,让围岩的初始地应力基本释放,让初期支护来维护围岩稳定,二次衬砌基本不受力,以取得最经济的支护效果。殊不知在有些情况下不宜过份释放,而应更早的约束,完全用初期支护来取得岩体稳定,其代价是昂贵的,工期是不经济的。以往的文章,大都着重强调“释放”和最经济的支护,宣传不宜“释放”的文章则很少见。对“释放”掌握不好时,往往误解为等待稳定,让初期支护暴露过久,反而造成坍塌。3.5二次衬砌是否受力,受多大力,该不该受力这是复合衬砌专题研究的内容,比较流行的观点是:用初期支护的作用使围岩保持稳定,二次衬砌又是在围岩基本稳定后施作的。因此,二次衬砌基本上是不受力的,所受到的作用力是流变作用力,衬砌是安全储备和保持美观的作用。根据对几座隧道长期变形观测,内衬实际上是受力的,而且荷载还相当大。但这几座隧道都属软岩隧道,其规律对硬岩隧道并不适用。现在可以肯定在软岩隧道中,二次衬砌是受力的,一般认为内衬所受的荷载为总荷载的30～50%。即使这一假定是正确的,也还有些模糊不清的问题:(1)总荷载是什么荷载?是坍落拱的松散压力,还是形变压力。(2)形变压力如何确定?(3)衬砌受力大小又与初期支护状态关系极大。这一类问题都是难以界定的问题。再则,完全用初期支护来保持围岩稳定的作法也需进一步讨论。当围岩非常松散时,除及时作初期支护外,很快施作二次衬砌的作法,能保证安全。让二次衬砌承担部分荷载是可以考虑的,也不必教条地坚持在初期支护与围岩完全稳定后才施作二次衬砌。4.施工方法和工艺它是奥地利学者L.V.Rabcewicz等在长期隧道施工实践中创立的。新奥法应用岩体力学原理，以维护和利用围岩的自稳能力为基础，将锚杆和喷射混凝土集合在一起作为主要支护手段，及时进行支护，以便控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，形成以锚杆、喷射混凝土和隧道围岩三位一体的承载结构，共同支撑山体压力；通过对围岩的现场量测，及时反馈围岩—支护复合体的力学动态及变化状况，为二次支护提供合理施作时机；通过监测量测反馈的信息来指导隧道和地下工程的设计和施工。由于新奥法在隧道工程中的成功应用，当前已被国内外作为隧道结构设计和施工的重要方法。新奥法的理论基础是最大限度地发挥围岩的自承作用。以喷射混凝土、锚杆加固和量测技术为三大支柱的新奥法，有一套尽可能保护隧道围岩原有强度、容许围岩变形，但又不致出现强烈松弛破坏，及时掌握围岩和支护变形动态的隧道开挖与支护原则，使隧道围岩变形与限制变形的结构支护抗力保持动态平衡，使施工方法具有良好的适用性和经济性。采用新奥法施工的公路隧道，应视其规模、地质条件、安全要求、施工方法，并充分利用现场监控、量测信息来指导施工，严格执行是施工程序。新奥法的特征之一是采用现场监控、量测信息指导施工，即通过对隧道施工中量测数据和对开挖面的地质观察等进行预测、预报和反馈，并根据已建立的量测数据对隧道施工方法（包括特殊的、辅助的施工办法）、断面开挖步骤及顺序、初期支护的参数等进行调整，以保证施工安全、隧道围岩稳定、工程质量和支护结构的经济性等。4.1新奥法施工原则新奥法施工的基本原则可归纳为：“少扰动、早喷锚、勤测量、紧封闭”。“少扰动”是指在进行隧道开挖时，要尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间。因此要求能用机械开挖的就不用钻爆法开挖。采用钻爆法开挖时，要严格进行控制爆破；尽量采用大断面开挖；根据围岩类别、开挖方法、支护条件选择合理的循环掘进进尺；自稳性差的围岩，循环掘进进尺应该短一些；支护要尽量紧跟开挖面，缩短围岩应力松弛时间。“早锚喷”，是指开挖后及施作初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控状态。这样做一方面是为了使围岩不致因变形过度而产生坍塌失稳；另一方面是围岩变形适度发展，以充分发挥围岩的自承能力。“勤测量”，是指以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩（或围岩加固支护）的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式、开挖方法，确保施工安全和施工顺利进行。量测是现代隧道及地下工程理论的重要标志之一，也是掌握围岩动态变化过程的手段和进行工程设计、施工的依据。“紧封闭”，一方面是指采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而致强度和稳定性的衰减，尤其是对于易风化的软弱围岩；另一方面更为重要的是指要适时对围岩施作封闭支护，这样做不仅可以及时阻止围岩变形，而且可以使支护和围岩能进入良好的共同工作状态。4.2施工技术4.2.1开挖方法隧道施工中，开挖方法使影响围岩稳定的重要因素之一。因此，在选择开挖方法时，应对隧道断面大小及形状、围岩类别、工期要求、工区长度、施工技术水平、机械配备能力、经济可行性等相关因素进去综合分析，并以施工安全为前提及工程质量为核心，综合研究采用恰当的开挖方法。（1）全断面法适用于Ⅰ~Ⅲ级硬岩地层和Ⅱ级软岩地层，对Ⅳ级硬岩地层，在采取超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助措施加固后，也可采用全断面法施工，该法采用深孔爆破。全断面开挖法的优点是有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，且工序少，干扰少，便于施工组织和管理。主要的施工工艺是：使用移动