公路監(jiān)理師備考：淺述新奧法施工

　　新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，原文是New Austrian Tunnelling Method 簡稱NATM ，新奧法概念是奧地利學(xué)者拉布西維茲(L. V. RABCEW ICZ)教授于50年代提出的， 它是以隧道工程經(jīng)驗和巖體力學(xué)的理論為基礎(chǔ)，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護(hù)手段的一種施工方法，經(jīng)過一些國家的許多實踐和理論研究，于60年代取得專利權(quán)并正式命名。之后這個方法在西歐、北歐、美國和日本等許多地下工程中獲得極為迅速發(fā)展，已成為現(xiàn)代隧道工程新技術(shù)標(biāo)志之一。六十年代NATM 被介紹到我國，七十年代末八十年代初得到迅速發(fā)展。至今，可以說在所有重點(diǎn)難點(diǎn)的地下工程中都離不開NATM.新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修筑隧道的一種基本方法。

　　下面僅對新奧法施工作一簡要敘述。

　　1 新奧法施工特點(diǎn)

　　1.1及時性

　　新奧法施工采用噴錨支護(hù)為主要手段，可以最大限度地緊跟開挖作業(yè)面施工，因此可以利用開挖施工面的時空效應(yīng)，以限制支護(hù)前的變形發(fā)展，阻止圍巖進(jìn)入松動的狀態(tài)，在必要的情況下可以進(jìn)行超前支護(hù)，加之噴射混凝土的早強(qiáng)和全面粘結(jié)性因而保證了支護(hù)的及時性和有效性。

　　在巷道爆破后立即施工以噴射混凝土支護(hù)能有效地制止巖層變形的發(fā)展，并控制應(yīng)力降低區(qū)的伸展而減輕支護(hù)的承載，增強(qiáng)了巖層的穩(wěn)定性。

　　1.2封閉性

　　由于噴錨支護(hù)能及時施工，而且是全面密粘的支護(hù)，因此能及時有效地防止因水和風(fēng)化作用造成圍巖的破壞和剝落，制止膨脹巖體的潮解和膨脹，保護(hù)原有巖體強(qiáng)度。

　　巷道開挖后，圍巖由于爆破作用產(chǎn)生新的裂縫，加上原有地質(zhì)構(gòu)造上的裂縫，隨時都有可能產(chǎn)生變形或塌落。當(dāng)噴射混凝土支護(hù)以較高的速度射向巖面，很好的充填圍巖的裂隙，節(jié)理和凹穴，大大提高了圍巖的強(qiáng)度。(提高圍巖的粘聚力C和內(nèi)摩擦角)同時噴錨支護(hù)起到了封閉圍巖的作用，隔絕了水和空氣同巖層的接觸，使裂隙充填物不致軟化、解體而使裂隙張開，導(dǎo)致圍巖失去穩(wěn)定。

　　1.3粘結(jié)性

　　噴錨支護(hù)同圍巖能全面粘結(jié)，這種粘結(jié)作用可以產(chǎn)生三種作用：

　?、?聯(lián)鎖作用，即將被裂隙分割的巖塊粘結(jié)在一起若圍巖的某塊危巖活石發(fā)生滑移墜落，則引起臨近巖塊的聯(lián)鎖反應(yīng)，相繼喪失穩(wěn)定，從而造成較大范圍的冒頂或片幫。開巷后如能及時進(jìn)行噴錨支護(hù)，噴錨支護(hù)的粘結(jié)力和抗剪強(qiáng)度是可以抵抗圍巖的局部破壞，防止個別威巖活石滑移和墜落，從而保持圍巖的穩(wěn)定性。

　　②復(fù)和作用，即圍巖與支護(hù)構(gòu)成一個復(fù)合體(受力體系)共同支護(hù)圍巖。噴錨支護(hù)可以提高圍巖的穩(wěn)定性和自身的支撐能力，同時與圍巖形成了一個共同工作的力學(xué)系統(tǒng)，具有把巖石荷載轉(zhuǎn)化為巖石承載結(jié)構(gòu)的作用，從根本上改變了支架消極承擔(dān)的弱點(diǎn)。

　?、墼黾幼饔?。開巷后及時繼進(jìn)行噴錨支護(hù)，一方面將圍巖表面的凹凸不平處填平，消除因巖面不評引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免過大的應(yīng)力集中所造成的圍巖破壞;另一方面，使巷道周邊圍巖由雙方向受力狀態(tài)，提高了圍巖的粘結(jié)力C和內(nèi)摩擦角，也就是提高了圍巖的強(qiáng)度。

　　1.4柔性

　　噴錨支護(hù)屬于柔性薄性支護(hù)，能夠和圍巖緊粘在一起共同作用，由于噴錨支護(hù)具有一定柔性，可以和圍巖共同產(chǎn)生變形，在圍巖中形成一定范圍的非彈性變形區(qū)，并能有效控制允許圍巖塑性區(qū)有適度的發(fā)展，使圍巖的自承能力得以充分發(fā)揮。另一方面，噴錨支護(hù)在與圍巖共同變形中受到壓縮，對圍巖產(chǎn)生越來越大的支護(hù)反力，能夠抑制圍巖產(chǎn)生過大變形，防止圍巖發(fā)生松動破壞。

　　2 新奧法理論要點(diǎn)及施工要點(diǎn)

　　2.1 新奧法與傳統(tǒng)施工方法的區(qū)別：傳統(tǒng)方法認(rèn)為巷道圍巖是一種荷載，應(yīng)用厚壁混凝土加以支護(hù)松動圍巖。而新奧法認(rèn)為圍巖是一種承載機(jī)構(gòu)，構(gòu)筑薄壁、柔性、與圍巖緊貼的支護(hù)結(jié)構(gòu)(以噴射混凝土、錨桿為主要手段)并使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成支撐環(huán)，來承受壓力，并最大限度地保持圍巖穩(wěn)定，而不致松動破壞。

　　新奧法將圍巖視為巷道承載構(gòu)件的一部分，因此，施工時應(yīng)盡可能全斷面掘進(jìn)，以減少巷道周邊圍巖應(yīng)力的擾動，并采用光面爆破、微差爆破等措施。減少對圍巖的震動，以保全其整體性。同時注意巷道表面盡可能平滑，避免局部應(yīng)力集中。

　　新奧法將錨桿、噴射混凝土適當(dāng)進(jìn)行組合，形成比較薄的襯砌層，即用錨桿和噴射混凝土來支護(hù)圍巖，使噴射層與圍巖緊密結(jié)合，形成圍巖-支護(hù)系統(tǒng)，保持兩者的共同變形，故而可以最大限度地利用圍巖本身的承載力。

　　2.2保護(hù)巷道圍巖自身的承載能力

　　新奧法施工在巷道開挖后采取了一系列綜合性措施：構(gòu)筑防水層、圍巖巷道排水;選擇合理的斷面形狀尺寸;給支護(hù)留變形余量;開巷后及時做好支護(hù)、封閉圍巖等，都是為保護(hù)巷道圍巖的自身承載能力，使圍巖的擾動影響控制在最小范圍內(nèi)，并加固圍巖，提高圍筵強(qiáng)度。使其與人工支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受巷道壓力。

　　2.3允許圍巖由一定量的變形，以利于發(fā)揮圍巖的固有強(qiáng)度。同時巷道的支護(hù)結(jié)構(gòu)，也應(yīng)具有預(yù)定的可縮量，以緩和巷道壓力。

　　圍巖的變形是控制在一定范圍內(nèi)的，必須避免圍巖變形過大，從而導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度的削弱以致引起垮落、失穩(wěn)。支護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的變形量，允許巷道圍巖產(chǎn)生一定的變形，以緩和來自巷道的巨大壓力，更進(jìn)一步減輕支護(hù)荷載。

　　2.4新奧法施工過程中量測工作的特殊性

　　由于巖體生成條件與地質(zhì)作用的復(fù)雜性，施工條件的復(fù)雜性，以及對工程設(shè)計參數(shù)的精確要求，得要通過許多量測手段，在施工過程中對圍巖動態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。并用監(jiān)測結(jié)果修改初步設(shè)計，指導(dǎo)施工。

　　量測的結(jié)果可以作為施工現(xiàn)場分析參數(shù)和修改設(shè)計的依據(jù)，因而能夠預(yù)見事故和險情，以便及時采取措施，防患于未然提到施工的安全程度。

　　由上所述，新奧法的支護(hù)原則是：圍巖不僅是載物體，而且是承載結(jié)構(gòu);圍巖承載圈和支護(hù)體組成巷道的統(tǒng)一體，是一個力學(xué)體系;巷道的開挖和支護(hù)都是為保持改善與提高圍巖的自身支撐能力服務(wù)。

　　3 新奧法的主要支護(hù)手段與施工順序

　　新奧法是以噴射混凝土、錨桿支護(hù)為主要支護(hù)手段，因錨桿噴射混凝土支護(hù)能夠形成柔性薄層，與圍巖緊密粘結(jié)的可縮性支護(hù)結(jié)構(gòu)，允許圍巖又一定的協(xié)調(diào)變形，而不使支護(hù)結(jié)構(gòu)承受過大的壓力。

　　施工順序可以概括為：開挖→一次支護(hù)→二次支護(hù)。

　　3.1開挖

　　開挖作業(yè)的內(nèi)容依次包括：鉆孔、裝藥、爆破、通風(fēng)、出渣等。開挖作業(yè)與一次支護(hù)作業(yè)同時交叉進(jìn)行，為保護(hù)圍巖的自身支撐能力，第一次支護(hù)工作應(yīng)盡快進(jìn)行。為了沖分利用圍巖的自身支撐能力開挖應(yīng)采用灌面爆破(控制爆破)或機(jī)械開挖，并盡量采用全斷面開挖，地質(zhì)條件較差時可以采用分塊多次開挖。一次開挖長度應(yīng)根據(jù)巖質(zhì)條件和開挖方式確定。巖質(zhì)條件好時，長度可大一些，巖質(zhì)條件差時長度可小一些，在同等巖質(zhì)條件下，分塊多次開挖長度可大一些，全斷面開挖長度就要小一些。一般在中硬巖中長度約為2-2.5米，在膨脹性地層中大約為0.8-1米。

　　3.2第一次支護(hù)作業(yè)包括：一次噴射混凝土、打錨桿、聯(lián)網(wǎng)、立鋼拱架、復(fù)噴混凝土

　　在巷道開挖后，應(yīng)盡快地噴一層薄層混凝土(3-5mm)，為爭取時間在較松散的圍巖掘進(jìn)中第一次支護(hù)作業(yè)是在開挖的渣堆上進(jìn)行的，待把未被渣堆覆蓋的開挖面的一次噴射混凝土完成后再出渣。

　　按一定系統(tǒng)布置錨桿，加固深度圍巖，在圍巖內(nèi)形成承載拱，由噴層、錨桿及巖面承載拱構(gòu)成外拱，起臨時支護(hù)作用，同時又是永久支護(hù)的一部分。復(fù)噴后應(yīng)達(dá)到設(shè)計厚度(一般為10-15mm)，并要求將錨桿、金屬網(wǎng)、鋼拱架等覆裹在噴射混凝土內(nèi)。

　　完成第一次支護(hù)的時間非常重要，一般情況應(yīng)在開挖后圍巖自穩(wěn)時間的二分之一時間內(nèi)完成。目前的施工經(jīng)驗是松散圍巖應(yīng)在爆破后三小時內(nèi)完成，主要由施工條件決定。

　　在地質(zhì)條件非常差的破碎帶或膨脹性地層(如風(fēng)華花崗巖)中開挖巷道，為了延長圍巖的自穩(wěn)時間，為了給一次支護(hù)爭取時間，安全的作業(yè)，需要在開挖工作面的前方圍巖進(jìn)行超前支護(hù)(預(yù)支護(hù))，然后再開挖。

　　在安裝錨桿的同時，在圍巖和支護(hù)中埋設(shè)儀器或測點(diǎn)，進(jìn)行圍巖位移和應(yīng)力的現(xiàn)場測量：依據(jù)測量得到的信息來了解圍巖的動態(tài)，以及支護(hù)抗力與圍巖的相適應(yīng)程度。

　　一次支護(hù)后，在圍巖變形趨于穩(wěn)定時，進(jìn)行第二次支護(hù)和封底，即永久性的支護(hù)(或是補(bǔ)噴射混凝土，或是澆注混凝土內(nèi)拱)，起到提高安全度和整個支護(hù)承載能力增強(qiáng)的作用，而此支護(hù)時機(jī)可以由監(jiān)測結(jié)果得到。

　　對于底板不穩(wěn)，底鼓變形嚴(yán)重，必然牽動側(cè)墻及頂部支護(hù)不穩(wěn)，所以應(yīng)盡快封底，形成封閉式的支護(hù)，以謀求圍巖的穩(wěn)定。

　　4 新奧法適用范圍

　?、?具有較長自穩(wěn)時間的中等巖體;

　　② 弱膠結(jié)的砂和石礫以及不穩(wěn)定的礫巖;

　　③ 強(qiáng)風(fēng)化的巖石;

　?、?剛塑性的粘土泥質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r;

　?、?堅硬粘土，也有帶堅硬夾層的粘土;

　?、?微裂隙的，但很少粘土的巖體;

　?、?在很高的初應(yīng)力場條件下，堅硬的和可變堅硬的巖石;

　　在下述條件下應(yīng)用新奧法必須與一些輔助方法相配合

　?、?有強(qiáng)烈地壓顯現(xiàn)的巖體;

　?、?膨脹性巖體(要與仰拱與底部錨桿相配合);

　　③ 在一些松散巖體中，要與鋼背板與之配合;

　?、?在蠕動性巖體中，要與凍結(jié)法或預(yù)加固法等配合;

　　在下列場合中應(yīng)用應(yīng)慎重

　?、?大量涌水的巖體;

　?、?由于涌水會產(chǎn)生流砂現(xiàn)象的圍巖;

　?、?極為破碎，錨桿鉆孔、安裝都極為困難的巖體;

　?、?開挖面完全不能自穩(wěn)的巖體等。

　　5 新奧法的缺點(diǎn)主要有：

　?、?實施不僅要求有良好的施工組織和管理，也要求技術(shù)人員和量測人員都十分熟練，沒有這一點(diǎn)就易于發(fā)生錯誤;作業(yè)質(zhì)量都與每一個人的仔細(xì)操作有關(guān)。

　?、?開挖暴露出的地質(zhì)會立即改變其狀態(tài)，因此要求施工地質(zhì)人員要親臨現(xiàn)場，以便發(fā)現(xiàn)問題;

　?、?用能控制的施工量測，往往給施工帶來不便;

　?、?干噴射帶來的灰塵以及由于易受化學(xué)藥品的損害必須加強(qiáng)防護(hù)，尤其是對眼睛的防護(hù)，濕噴雖然可以避免此缺點(diǎn)，但在同樣條件下，不如干噴那樣有效的支護(hù)巖體。

　　新奧法施工是從實際經(jīng)驗中總結(jié)出來的，又在不斷實踐經(jīng)驗中得以豐富其內(nèi)容和進(jìn)一步發(fā)展，新澳法施工在我國推廣以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，通過科研、設(shè)計、施工三結(jié)合，在修建下坑、西坪、大瑤山、軍都山等鐵路隧道以及中梁山、二郎山、西山坪等多座公路隧道中，應(yīng)用新奧法遠(yuǎn)離及其相應(yīng)的技術(shù)，取得了較大的成就。

　　不可否認(rèn)，新奧法也存在不少缺點(diǎn)，不過經(jīng)過工程技術(shù)人員和科技工作者的共同努力一定可以把新奧法不斷完善，在我國的現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程中發(fā)揮更加重要的作用。

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