新奥法施工技术文献综述

新奥法施工技术文献综述随着隧道工程设计理论和施工工艺的不断发展,特别是岩体力学的兴起,在20世纪50年代产生了新奥法,它对隧道设计理论和施工工艺提出了新概念。奥地利学者腊布塞维奇于1934年提出了在隧道中应用喷浆技术,并于1942年~1945年在奥地利的劳普隧道开始使用喷射混凝土技术。二战后,混凝土喷射机及速混凝剂的出现,使喷射混凝土技术有了很大发展,以后又出现了锚杆。腊氏以锚喷支护的实践和岩体力学的理论为基础提出了新奥法,并于1954年~1955年首次应用于奥地利的普鲁茨依姆斯特电站的压力输水隧洞工程中,于60年代取得专利权并正式命名,被介绍到我国,并得到迅速发展。事实证明,在铁路隧道设计施工中采用新奥法,可节省大量木材,改善施工条件,也为大型施工机械化作业提供了条件。新奥法是在利用围岩本身所具有的承载效能的前提下，采用毫秒爆破和光面爆破技术，进行全断面开挖施工，并以形成复合式内外两层衬砌来修建隧道的洞身，即以喷混凝土、锚杆、钢筋网、钢支撑等为外层支护形式，称为初次柔性支护，系在洞身开挖之后必须立即进行的支护工作。因为蕴藏在山体中的地应力由于开挖成洞而产生再分配，隧道空间靠空洞效应而得以保持稳定，也就是说，承载地应力的主要是围岩体本身，而采用初次喷锚柔性支护的作用，是使围岩体自身的承载能力得到最大限度的发挥，第二次衬砌主要是起安全储备和和装饰美化作用。1934年，新奥法主要创始人L.V.拉布采维茨在就试图将喷浆方法用于地下工程。他在1942～1945年建造的洛伊布尔隧道中采用了双层薄衬砌，即先喷一层混凝土，待变形收敛后再喷一层。1944年，他发表了有关喷混凝土的论文，并指出了围岩动态随时间变化的重要性。1948年，又指出了量测工作的重要性。又无公害的新喷敷方法新奥法。1948～1953年喷混凝土在奥地利首次用于卡普伦水力发电站的默尔隧洞。最早在欧洲推广使用锚杆的是1951～1953年建造的伊泽尔-阿尔克电站的有压输水隧洞。1953～1955年修建普鲁茨-伊姆斯特电站的有压输水隧洞时，按照拉布采维茨的建议，充分采用锚杆而获得成功。1957～1965年是着手发展新奥法的时期。拉布采维茨于1963年将这一方法正式命名为新奥地利隧道施工法。1964～1969年又提出了在岩石压力下隧道稳定性的理论分析，强调采用薄层支护，并及时修筑仰拱以闭合衬砌的重要性。根据实验证实，衬砌应按剪切破坏进行设计计算。奥地利的马森贝格道路隧道由于地质不良，用比国法失败后，改用新奥法使闭合隧道衬砌环的经验取得成功，并在1971年及1974年分别用于地压很大的陶恩隧道和阿尔贝格隧道。新奥法支护机理其基本观点是根据岩体力学理论，着眼于洞室开挖后形成塑性区的二次应力重分布，而不拘泥于传统的荷载观念。所以它主要不是建立在对于坍落拱的“支撑概念”上，而是建立在对围岩的“加固概念”基础上。在合理的临界限度内，它所需要的表面支护抗力Pi是与围岩塑性区半径R、洞室周边位移ur、以及围岩的内聚力с、内摩擦角φ等参数成反比，而支护能提供的抗力则与其刚度成正比。新奥法的原理新奥法是一个具体应用岩体动态性质的完整的力学概念(或者说是一种隧道工程概念),是按科学制定的并已为实践所证明的原则和思想去修筑隧道。其主要意图是充分调动岩体自身的承载能力,使隧道施工更安全,更经济,科学性过去的隧道修筑方法高,因而不能单纯地将它看成是一种施工方法或支护方法,也不能片面理解,将仅用锚喷支护或运用新奥法部分原理施工隧道,就认为是采用新奥法修建。事实上锚喷支护并不能完全表达新奥法的含义,新奥法的内容及范围是相当广泛、深入的。因此,新奥法应遵循一系列原则。关于新奥法原理,有的列了22条,有的归纳了7条,还有的归纳了5条。但其基本精神1条,运用各种手段(开挖方法、支护、测量及地层预处理等)控制围岩,最大限度地保护和调动围岩的自身能力。为了便于理解,我认为以MULLER所列的22条基本原理为基础进行归纳整理,介绍如下:(1)隧道是衬砌混凝土和围岩的整体化结构物,从根本上讲,起到隧道支护作用的是围岩。(2)(2)开挖作业多采用光面爆破和预裂爆破,并尽量采用大断面或较大的断面开挖,以减少对围岩的扰动,保证围岩起到支护作用,在开挖时必须不破坏围岩的原有强度,极力防止围岩松弛。尽可能避免围岩处于单轴或二轴应力状态。(3)隧道开挖后,尽量利用围岩的自身能力,充分发挥围岩自身的支护作用。采用喷射混凝土及时封闭开挖表面,能有效地防止围岩松动。(4)根据围岩的特征采取不同的支护类型和参数,及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆初期支护,以控制围岩的变形和松驰。防止得越好,安全性和经济性就越高。(5)衬砌要在恰当的时候进行,控制时间,太早或太迟都不行。支护的刚度要适宜,太硬不行,太柔软也不行,同时必须使用能发挥围岩强度的支护形式。(6)在软弱破碎围岩地段,使断面及早闭合,以有效地发挥支护体系的作用,保证隧道的稳定。(7)为了把握衬砌时机,要正确了解围岩的时间因素,在事先进行室内试验的同时,在隧道内进行变位测定,掌握各类围岩的稳定时间和变形速度。因此,进行变位和变形量测是新奥法必不可少的工序。(8)预计围岩有大的变形和松驰情况时,全部开挖表面要做防护,以约束围岩,最合适的办法是喷混凝土。(9)衬砌必须是薄层的,这是为了减少弯矩,使因弯矩产生的破坏减到最小。不仅一次衬砌要薄,二次衬砌同样也要薄,对于衬砌需要加强的地方,不采用加厚衬砌的办法,而是用钢筋网、钢支护或锚杆来加强。(10)隧道是一个厚壁圆筒,即由围岩支承环和支护(衬砌)组成的结构,所以必定是存在围岩和支护的相互作用,也就是说衬砌和围岩是相互支持的结构。(11)圆筒只有在没有封口时能起力学上的“圆筒作用”,所以,衬砌闭合成环是特别重要的,底板自身不能起闭合环作用。因此,除了围岩特别坚硬认为没有必要设闭合环的情况之外,都应该设仰拱。(12)围岩的动态主要取决于衬砌闭合时间,因此,采用台阶开挖时,上下两部开挖距离不宜太大,掘进的速度要相适应。(13)(13)隧道从应力重分布的角度考虑,采用全断面开挖非常有利,若用分布开挖,则会使岩层的应力反复重新分布,围岩因之受到破坏。(14)尽量使隧道断面周边轮廓圆顺,避免棱角突变处应力集中。(15)二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的,围岩和支护结构形成一个整体,因而提高了支护体系的安全度,并不增加衬砌厚度。在有涌水时,要考虑整个衬砌的稳定和锚杆防腐问题。(16)通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测,合理安排施工程序,进行设计变更及日常的施工管理,测定衬砌的内应力或围岩与衬砌接触部位的应力以及前述的位移、变形,有助于更正确的设计和施工。过去的岩体隧道工程,多以厚壁混凝土衬砌支护围岩,把围岩视为被支承的荷载。即围岩压力根据岩体力学的各种理论如普氏理论等算出,作为荷载加在结构上,然后按一般的力学方法计算内力,其破坏形式一般为弯曲破坏,多采用甲厚壁混凝土或钢筋混凝土衬砌。剪切破坏理论-----LVrabcewicz提出，他认为围岩稳定性的丧失主要发生在洞室主动岩压方向的两侧,并形成一个楔形的剪切滑移面。岩体剪切破坏的过程由于毛洞掘进岩体处于破坏进行状态如图一由于楔形岩块支承力的降低,首先两侧壁的楔形岩块由于剪切破坏而断开，顶板和底板跨度扩大如梁一样的上下盘向毛们弯曲如图，由于这个移动的增加,最后形成在顶板和底板塌落。此种破坏在岩体模型试验中已观察到了。剪切破坏的滑移条件岩体剪切破坏的滑移条件用莫尔圆可以说明。楔形剪切滑移面的参数，按剪切破坏理论,破坏时形成楔形剪切滑移面。假定剪切角为定值,参照下图新奥法施工特点：1.1及时性新奥法施工采用喷锚支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面施工，因此可以利用开挖施工面的时空效应，以限制支护前的变形发展，阻止围岩进入松动的状态，在必要的情况下可以进行超前支护，加之喷射混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。在巷道爆破后立即施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展，并控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载，增强了岩层的稳定性。1.2封闭性由于喷锚支护能及时施工，而且是全面密粘的支护，因此能及时有效地防止因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨胀，保护原有岩体强度。巷道开挖后，围岩由于爆破作用产生新的裂缝，加上原有地质构造上的裂缝，随时都有可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面，很好的充填围岩的裂隙，节理和凹穴，大大提高了围岩的强度。（提高围岩的粘聚力C和内摩擦角）。同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用，隔绝了水和空气同岩层的接触，使裂隙充填物不致软化、解体而使裂隙张开，导致围岩失去稳定。1.3粘结性喷锚支护同围岩能全面粘结，这种粘结作用可以产生三种作用：①联锁作用，即将被裂隙分割的岩块粘结在一起若围岩的某块危岩活石发生滑移坠落，则引起临近岩块的联锁反应，相继丧失稳定，从而造成较大范围的冒顶或片帮。开巷后如能及时进行喷锚支护，喷锚支护的粘结力和抗剪强度是可以抵抗围岩的局部破坏，防止个别威岩活石滑移和坠落，从而保持围岩的稳定性。②复和作用，即围岩与支护构成一个复合体（受力体系）共同支护围岩。喷锚支护可以提高围岩的稳定性和自身的支撑能力，同时与围岩形成了一个共同工作的力学系统，具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用，从根本上改变了支架消极承担的弱点。③增加作用。开巷后及时继进行喷锚支护，一方面将围岩表面的凹凸不平处填平，消除因岩面不评引起的应力集中现象，避免过大的应力集中所造成的围岩破坏；另一方面，使巷道周边围岩由双方向受力状态，提高了围岩的粘结力C和内摩擦角，也就是提高了围岩的强度。1.4柔性喷锚支护属于柔性薄性支护，能够和围岩紧粘在一起共同作用，由于喷锚支护具有一定柔性，可以和围岩共同产生变形，在围岩中形成一定范围的非弹性变形区，并能有效控制允许围岩塑性区有适度的发展，使围岩的自承能力得以充分发挥。另一方面，喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生越来越大的支护反力，能够抑制围岩产生过大变形，防止围岩发生松动破坏。新奥法理论要点及施工要点：1.新奥法与传统施工方法的区别：传统方法认为巷道围岩是一种荷载，应用厚壁混凝土加以支护松动围岩。而新奥法认为围岩是一种承载机构，构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构（以喷射混凝土、锚杆为主要手段）并使围岩与支护结构共同形成支撑环，来承受压力，并最大限度地保持围岩稳定，而不致松动破坏。新奥法将围岩视为巷道承载构件的一部分，因此，施工时应尽可能全断面掘进，以减少巷道周边围岩应力的扰动，并采用光面爆破、微差爆破等措施。减少对围岩的震动，以保全其整体性。同时注意巷道表面尽可能平滑，避免局部应力集中。新奥法将锚杆、喷射混凝土适当进行组合，形成比较薄的衬砌层，即用锚杆和喷射混凝土来支护围岩，使喷射层与围岩紧密结合，形成围岩-支护系统，保持两者的共同变形，故而可以最大限度地利用围岩本身的承载力。2.保护巷道围岩自身的承载能力新奥法施工在巷道开挖后采取了一系列综合性措施：构筑防水层、围岩巷道排水；选择合理的断面形状尺寸；给支护留变形余量；开巷后及时做好支护、封闭围岩等，都是为保护巷道围岩的自身承载能力，使围岩的扰动影响控制在最小范围内，并加固围岩，提高围筵强度。使其与人工支护结构共同承受巷道压力。3.允许围岩由一定量的变形，以利于发挥围岩的固有强度。同时巷道的支护结构，也应具有预定的可缩量，以缓和巷道压力。围岩的变形是控制在一定范围内的，必须避免围岩变形过大，从而导致围岩强度的削弱以致引起垮落、失稳。支护结构具有一定的变形量，允许巷道围岩产生一定的变形，以缓和来自巷道的巨大压力，更进一步减轻支护荷载。4.新奥法施工过程中量测工作的特殊性由于岩体生成条件与地质作用的复杂性，施工条件的复杂性，以及对工程设计参数的精确要求，得要通过许多量测手段，在施工过程中对围岩动态和支护结构工作状态和支护结构工作状态进行监测。并用监测结果修改初步设计，指导施工。量测的结果可以作为施工现场分析参数和修改设