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六、新奥法(NewAustrianTunnelingMethod——NATM)一、基本概念：以控制爆破(光面爆破\预裂爆破)为开挖手段；以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，通过监测控制围岩的变形，动态修正设计参数和变动施工方法的一种隧道施工方法，同时它又是一系列指导隧道设计和施工的原则。其核心内容就是充分发挥围岩的自承能力。相同：均属于钻爆法。不相同：对围岩的认识和处理上不同。解释：传统矿山法与新奥法施工的区别表6-2传统矿山法与新奥法施工的区别新奥法传统矿山法临时支护喷锚支护木支撑为主、钢支撑永久支护复合式衬砌单层模注混凝土衬砌支护闭合支护强调不强调控制爆破必须采用可采用量测必须采用无施工方法分块较少分块较多对于新奥法的理解：1）新奥法是修建隧道的一种理论，不仅仅是隧道开挖支护的方法或者一种施工技术，它是包含设计与施工内容的隧道工程新概念。2）使用新奥法必须使用喷锚支护结构，但喷锚支护并不是新奥法所有内容。它还包括设计施工和监测。3）对施工监测重视不够，认为是额外负担。实际上，锚杆、喷射混凝土、施工量测是新奥法的三大要素，现场量测资料是修改和完善设计和指导施工的重要依据。施工程序二、新奥法原则：1、最大限度地保持围岩的固有强度，以发挥围岩的自承能力。2、预计围岩有较大变形和松弛时，应对开挖面施作保护层，而且应在恰当的时候敷设，过早或过迟均不利。3、衬砌需要加强的区段，不是增大混凝土的厚度,而是加钢筋网、钢支撑和锚杆，使隧道全长范围采用大致相同的开挖断面。4、为正确掌握和评价围岩与支护的时间特性，可在进行室内试验的同时，在现场进行量测。围岩周边位移量测位移拱顶下沉量测量测地表下沉量测应力围岩内部位移量测应力围岩压力量测锚杆轴力量测应力钢支撑应力量测量测喷锚混凝土应力量测二次衬砌应力量测初期支护与二次衬砌间间压力量测红色标志的为必测项目其他为测项目5、支护结构及时闭合，形成整体6、采用复合式衬砌7、岩层内的渗透水压力，必须采取排水措施来降低。新奥法的基本要点可扼要的概括为：“少扰动、早喷锚，勤量测、紧封闭”。三、新奥法施工的基本原则：“少扰动、早支护、勤量测、紧封闭”少扰动：尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围、扰动持续时间。早支护：开挖后及时做适时初期喷锚支护，是围岩的变形进入受控制状态。勤量测：以直观、可靠的测量方法和量测数据准确评价围岩的稳定状态，或判定其动态发展趋势，以便及时调整支护形式和开挖方法，确保施工得以安全顺利进行。紧封闭：尽快形成对围岩的封闭形支护，有效控制围岩变形，使围岩和支护共同进入良好状态。四、新奥法施工方法：新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，基本上又可分为：全断面法、台阶法、分部开挖法三大类及若干变化方案。1、全断面开挖方法：按隧道设计轮廓线一次爆破成型的施工方法，适用于较完整的、坚硬围岩，如Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩。全断面开挖法工作面设备布置全断面开挖的优点：●工序少，相互干扰少，便于组织施工和管理；●工作空间大，便于大型机械化施工；●施工进度高，目前，我国公路隧道一般都能保持月进成洞平均150m左右，高者已接近300m／月。●施工环境较好全断面开挖的缺点：●开挖面较大，围岩相对稳定性低；●循环工作量较大，要求施工单位有较强的开挖、出渣、运输、支护能力；●采用深孔爆破时，产生的爆破震动较大，对钻爆设计和控制爆破作业要求较高。开挖施工程序①用钻孔台车，钻眼，然后装药、联接导火线；②退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面；③排除危石；④安设拱部锚杆和喷第一层混凝土；⑤用装碴机将石碴装入出碴车，运出洞外；⑥安设边墙锚杆和喷混凝土；⑦必要时可喷拱部第二层混凝土和隧道底部混凝土；⑧开始下一轮循环；⑨在初期支护变形稳定后，或按施工组织中规定日期灌注内层衬砌。采用全断面法应注意下列问题：●摸清开挖面前方的地质情况，随时准备好应急措施（包括改变施工方法等），以确保施工安全；●各种施工机械设备务求配套，以充分发挥机械设备的效率；●加强各项辅助作业，尤其加强施工通风，保证工作面有足够新鲜空气；●加强对施工人员的技术培训，增强施工人员对新奥法的理解；●选择支护类型时，优先考虑锚杆和喷射混凝土、挂网、拱架等支护方法。2、台阶法台阶法是新奥法中实用性最广的施工方法。台阶法中包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种，其划分一般是根据台阶长度来决定的。●适用条件跨度较大，围岩较破碎的情况，Ⅳ、Ⅴ级围岩。★初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短；★上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备对施工场地大小的要求。●选择何种台阶法，取决于以下条件：⑴长台阶法这种方法是将断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖，上、下断面相距较远，一段上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。●爆破炮眼布置形式插眼////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////水平眼（垂直眼）垂直眼●适用条件：相对于全断面法来说，长台阶法一次开挖的断面和高度都比较小，只需配备中型钻孔台车即可施工，对维持开挖面的稳定也十分有利。它的适用范围较全断面法广泛，凡是在全断面法中开挖面不能自稳，但围岩坚硬不用底拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法。⑵短台阶法这种方法也是分成上下两个断面进行开挖，只是两个断面相距较近，一般上台阶长度小于5倍但大于1~1．5倍洞跨，或5-50米。上下断面采用平行作业。●适用条件适用范围很广，Ⅰ-Ⅴ级围岩都能采用，尤其适用于Ⅳ、Ⅴ级围岩，是新奥法施工中主要采用的方法之一。●优点：短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值●缺点上台阶出碴时对下半断面施工的干扰较大，不能全部平行作业。●采用短台阶法时应注意下列问题：①初期支护全断面闭合要在距开挖面30m以内，或距开挖上半断面开始的30天内完成。②初期支护变形、下沉显著时，要提前闭合；③要研究在保证施工机械正常工作的前提下台阶的最小长度。⑶超短台阶法这种方法也是分成上下两部分，但上台阶仅超前3~5m，只能采用交替作业。●适用条件超短台阶法适用于膨胀性围岩和土质围岩，要求及早闭合断面的场合。当然，也适用于机械化程度不高的各类围岩地段。●优点：超短台阶法初期支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形。在城市隧道施工中，能更有效地控制地表沉陷。●缺点上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰较大，生产效率较低，施工速度较慢。●超短台阶法施工时应注意以下问题：在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可采用辅助施工措施，如向围岩中注浆或打入超前水平小导管，对开挖面进行预加固或预支护。台阶法的优点：具有足够的作业空间，施工速度快；有利于开挖面的稳定性，尤其是上部开挖支护后，下部作业较为安全。台阶法的缺点：上下部作业互相干扰，，应注意下部作业时对上部稳定性的影响；台阶开挖会增加对围岩的扰动次数。台阶法应注意下列问题：1）台阶数不宜过多，台阶长度要适当，一般以一个台阶垂直开挖到底，保持平台长2.5-3米为宜。台阶长度的确定应考虑：初期支护开成闭合断面的时间要求，围岩稳定性愈差，闭合时间要求愈短；2）个别破碎地段可配合喷锚支护和挂网施工。3）上部开挖时因临空面较大，易使爆破面渣块较大，不利于装渣，易适当密布中小炮孔。若围岩稳定性较好，可采用顺序开挖；若围岩稳定性较差，可缩短下部掘进循环进尺；若围岩稳定性更差，可左右错开或先拉中槽后挖两边。4）采用台阶法开挖的关键问题是台阶的划分形式。台阶划分要求做到爆破后渣量较大，钻孔作业面与出渣运输干扰小。⑷台阶法施工中，要求做到以下几点：●下半断面的开挖（又称落底）应在上半断面初期支护基本稳定后进行，或采用其它有效措施确保初期支护体系的稳定性；采用单侧落底或双侧交错落底，避免上部初期支护两侧同时悬空；●下部边墙开挖后必须立即喷射混凝土，并按规定做初期支护。●量测工作必须及时，以观察拱顶、拱脚和边墙中部位移值，当发现速率增大，应立即进行底（仰）拱封闭，或缩短进尺，加强支护，分割掌子面等。3、分部开挖法分部开挖法可分为三种变化方案：台阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法。核心土工字钢临时工作平台⑴台阶分部开挖法(弧形导坑法)又称环形开挖留核心土法，一般将断面分成为环形拱部(图中的1、2、3)、上部核心土(4)、下部台阶(5)等三部分。根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖。环形开挖进尺为0.5-1.0m，不宜过长。上部核心土和下台阶的距离，一般为1倍洞跨。●适用条件这种方法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩中。●优点：与超短台阶法相比，台阶长度可以加长，减少上下台阶施工干扰；而与下述的侧壁导坑法相比，施工机械化程度较高，施工速度可加快。台阶分部开挖法的施工作业顺序为：用人工或单臂掘进机开挖环形拱部；架立钢支撑、喷混凝土；在拱部初期支护保护下，用挖掘机或核心土和下台阶，随时接长钢支撑和喷混凝单臂掘进机开挖核心土、封底。根据初期支护变形情况或施工安排建造内层衬砌。●台阶分部开挖时应注意下列问题：虽然核心土增强了开挖面的稳定，但开挖中围岩要经受多次扰动，而且断面分块多，支护结构形成全断面封闭的时间长，这些都有可能使围岩变形增大。因此，它常要结合辅助施工措施对开挖工作面及其前方岩体进行预支护或预加固。⑵单侧壁导坑法这种方法一般是将断面分成三块：侧壁导坑(1)、上台阶(2)、下台阶(3)。侧壁导坑尺寸应本着充分利用台阶的支撑作用，并考虑机械设备和施工条件而定。一般侧壁导坑宽度不宜超过0.5倍洞宽，高度以到起拱线为宜。●适用条件单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块，每步开挖的宽度较小，而且封闭型的导坑初期支护承载能力大，所以，单侧壁导坑法适用于围岩稳定性较差，断面跨度大，地表沉陷难于控制的软弱松散围岩中。工作要点：该方法确定侧壁导坑尺寸很重要，侧壁导坑尺寸过小，分割洞室跨度增加开挖稳定性的作用不明显，且施工机械不方便工作；侧壁导坑尺寸过大，导坑本身稳定性降低，需要增强临时支护，增加工程成本。一般侧壁导坑宽度不宜超过0.5倍洞跨，高度以到起拱线为宜，导坑可分二次开挖和支护，不需要架设工作平台，人工架立钢支撑也很方便。单侧壁导坑法的施工作业顺序为；1）开挖侧壁导坑，并进行初期支护（锚杆加钢筋网、或锚杆加钢支撑、或钢支撑，喷射混凝土），应尽快使导坑的初期支护闭合；2）开挖上台阶，进行拱部初期支护，使其一侧支承在导坑的初期支护上，另一侧支承在下台阶上；3）开挖下台阶，进行另一侧边墙的初期支护，并尽快建造底部初期支护，使全断面闭合；4）拆除导坑临空部分的初期支护；5）建造内层衬砌。优点：洞室开挖跨度减小（通过形成闭合支护的侧导坑将隧道断面跨度一分为二），有利于围岩稳定。缺点：导坑要闭合，内侧支护要拆除，增加了材料用量和工程造价；施工进度慢。⑶双侧壁导坑法（眼镜工法）•一般是将断面分成四块：左、右侧壁导坑(1)、上部核心土(2)、下台阶(3)。导坑尺寸拟定的原则同前，但宽度不宜超过断面最大跨度的1/3。左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。3223●适用条件当隧道跨度很大，或环境要求，或地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1/2左右。适用于软弱围岩中。三线大跨双侧壁导坑施工双侧壁导坑法施工作业顺序为：（1）开挖一侧导坑，并及时地将其初次支护闭合；（2）相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并建造初次支护；（3）开挖上部核心土，建造拱部初次支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初次支护上；（4）开挖下台阶，建造底部的初次支护，使初次支护全断面闭合，拆除导坑临空部分的初次支护；（5）建造内层衬砌。●优缺点：双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初期支护全断面闭合的时间长，但每个分块