隧道新奥法施工的原理及常见施工方法

隧道新奥法施工的原理及常见施工方法管德鹏管德鹏云南.保山新奥法的发展新奥法的发展可谓历尽坎坷。1951 1953 年建成的伊泽雷-阿尔斯电站的压力隧洞,采用锚杆支护取得成功。径向设置的锚杆与隧道的围岩及喷射混凝土一起形成了一个拱圈。可以说,锚喷支护的发展直接为新奥法理论奠定了基础。新奥法自1958 年申请专利以来,在奥地利、德国、日本、中国、英国、美国、意大利、法国、瑞士、巴基斯坦、希腊、韩国等国家得到了应用。应用的隧道类型有:水工隧洞、公路隧道、铁路隧道、地铁隧道以及几乎所有其它的地下工程。新奥法开始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。目前,新奥法原理已经成为世界各国隧道及地下工程中普遍遵循的原理。伴随新奥法原理的推广应用,其有关技术(如喷射混凝土技术、量测技术以及隧道开挖技术等)得到不断发展和完善,尤其以钢格栅代替传统的型钢支撑,使得新奥法应用范围扩大到较差围岩的领域。经过几十年的不断发展和完善,新奥法及其相关技术已经达到相当高的水平。但是但是,近年来近年来,由于由于将新奥法应用于将新奥法应用于难度越来越大难度越来越大的工程中的工程中,其失败的工程案例有所增加其失败的工程案例有所增加,特别特别是英国希思罗机场隧道和德国慕尼黑地铁隧道的塌方是英国希思罗机场隧道和德国慕尼黑地铁隧道的塌方,在国际上引起了对在国际上引起了对新奥法使用界限以及新奥法原理正确性的大讨论。国外有些学者对新奥法新奥法使用界限以及新奥法原理正确性的大讨论。国外有些学者对新奥法提出了质疑提出了质疑,有的甚至完全否定了新奥法的存在价值。有的甚至完全否定了新奥法的存在价值。新奥法的发展我国在二十世纪七十年代引入新奥法，得到迅速推广，取得了良好的技术经济效果。无论在硬岩隧道还是在软岩(土)隧道中，应用新奥法都有不少的成功实例，并积累了不少经验，制定了众多的“规程”或“标准”。在软岩(土)隧道中采用新奥法，一开始就抓住了问题的关键，提出了既科学又全面的“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字诀，避免了国际隧道界围绕新奥法的激烈争论和有些国家照搬硬岩隧道新奥法经验的弯路。但中国铁路、公路等隧道在应用新奥法施工中也发生了很多不应该发生的安全事故。很多人对新奥法的理论和实践也都产生了迷茫和怀疑。新意法新意法进入中国就代表这样的一种思想潮流。新奥法的发展但是我国应用新奥法也存在发展不平衡的问题。实际上，软岩(土)中的新奥法与硬岩中的新奥法是有原则区别的，需充分了解隧道开挖过程中地层需充分了解隧道开挖过程中地层发生的变化，采取相应的加固方法和相应的支护措施，达到安全、经济的发生的变化，采取相应的加固方法和相应的支护措施，达到安全、经济的目的，这才是新奥法的精神实质目的，这才是新奥法的精神实质。世界各地有足够多的成功实例证明，只要针对地层采用适当的施工方法，并采取正确的监测手段和实行严格的管理和纪律，新奥法才是安全的、有效的、经济的。新奥法的理论基础是认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。计和施工方案有重要意义。但我理解新奥法实际上属于一种发展观，一种隧道文化，而不但我理解新奥法实际上属于一种发展观，一种隧道文化，而不是方法论范畴。是方法论范畴。新奥法的发展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。承能力大小取决于围岩强度的高低。承能力大小取决于围岩强度的高低。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(结构体)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，西北窑洞即是一个生动的例证。新奥法的发展 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软化区、塑性强化区塑性强化区和弹性区弹性区。三个区的岩体处于不同的变形阶段:塑性软化区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；弹性区弹性区围岩处于弹性变形阶段。新奥法的发展 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强化区和弹性区是围岩承载的主体，塑性软塑性软化区是支护的对象化区是支护的对象。新奥法的发展 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。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。浅部浅部浅部浅部(软化区软化区软化区软化区)围岩再对深处围岩再对深处围岩再对深处围岩再对深处(强化区强化区强化区强化区)围岩实施作用，实现深部围岩稳围岩实施作用，实现深部围岩稳围岩实施作用，实现深部围岩稳围岩实施作用，实现深部围岩稳定，并使其成为主要的承载区。定，并使其成为主要的承载区。定，并使其成为主要的承载区。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。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。是围岩的自承能力。是围岩的自承能力。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。任何山体在我们开挖前都处于自然平衡状态，由于洞室的形成，山体自然平衡被破坏，围岩应力、应变重新分布，洞室周边发生着剧烈的位移，同时，洞室附近也形成了降水漏斗，山体饱含的裂隙水需要不断渗流到洞室排出(塑形区自重加大、骨架破坏、节理面润滑)，整个山体的内循环被破坏。如何快速的使山体恢复到原始的自然平衡状态就是隧道工程师面对的课题。我们可以把大山比作是一只老虎，不能在他醒的时候去捆绑它，但可以在他沉睡的时候。因此，超前预报、超前支护、超前加固的意义就在于此，通过这些超前措施的核心意义就是让山体恢复到它原有的自然平衡状态，不能让他的威力苏醒。每座大山都是有生命的，惊醒了它，它会凶狠的报复我们的。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。新奥法的基本要点及解读岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。延伸理解1：围岩是核心，所有问题必须在掌子面解决，所有的问题都是掌子面问题。延伸理解2：预支护是关键，这里在强调新意法。但我们加固谁，怎么加固？在何部位加固？延伸理解3：工法得到提醒，如何分块？怎么临空？多大临空？动态管理决定乾坤动态管理决定乾坤动态管理决定乾坤动态管理决定乾坤orororor如何对待图纸的问题？如何对待图纸的问题？如何对待图纸的问题？如何对待图纸的问题？新奥法的基本要点及解读为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；另一方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度和它参加工作的时间（包括闭合时间）来控制岩体的变形。必须理解：这是对硬岩的要求。必须延伸：软岩不允许变形，必须采用刚性支护新奥法的基本要点及解读为了改善支护结构改善支护结构改善支护结构改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合尽快闭合尽快闭合尽快闭合，而成为封闭的筒形结封闭的筒形结封闭的筒形结封闭的筒形结构构构构。另外，隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。1 1、开挖后及时封闭；、开挖后及时封闭；、开挖后及时封闭；、开挖后及时封闭；2 2、上导开挖后及时落下导（短台阶）；、上导开挖后及时落下导（短台阶）；、上导开挖后及时落下导（短台阶）；、上导开挖后及时落下导（短台阶）；3 3、仰拱及时跟进等都、仰拱及时跟进等都、仰拱及时跟进等都、仰拱及时跟进等都属于尽快封闭。几个特别要注意的：属于尽快封闭。几个特别要注意的：属于尽快封闭。几个特别要注意的：属于尽快封闭。几个特别要注意的：开挖后长时间暴露；开挖后长时间暴露；开挖后长时间暴露；开挖后长时间暴露；长台阶、高台阶的危害性长台阶、高台阶的危害性长台阶、高台阶的危害性长台阶、高台阶的危害性避车洞、避人洞如何开挖避车洞、避人洞如何开挖避车洞、避人洞如何开挖避车洞、避人洞如何开挖？强调仰拱距离。强调仰拱距离。强调仰拱距离。强调仰拱距离。封闭是安全工作的核心：因此仰拱距离掌子面在必要时可以按零控制。二次衬砌不封闭是安全工作的核心：因此仰拱距离掌子面在必要时可以按零控制。二次衬砌不封闭是安全工作的核心：因此仰拱距离掌子面在必要时可以按零控制。二次衬砌不封闭是安全工作的核心：因此仰拱距离掌子面在必要时可以按零控制。二次衬砌不属于封闭体系的工作，只是安全系数内容。属于封闭体系的工作，只是安全系数内容。属于封闭体系的工作，只是安全系数内容。属于封闭体系的工作，只是安全系数内容。我的认识里：仰拱强调第一时间；二次衬砌强调距离我的认识里：仰拱强调第一时间；二次衬砌强调距离我的认识里：仰拱强调第一时间；二次衬砌强调距离我的认识里：仰拱强调第一时间；二次衬砌强调距离 和和和和 时间控制。时间控制。时间控制。时间控制。新奥法的基本要点及解读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。1、观察、监控、量测是新奥法的眼睛，意思就是发现问题。2、纠正错误，调整程序。3、为后续施工提供指导。新奥法的基本要点及解读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。1、围岩与初期支护变形基本稳定后修筑二次衬砌；2、围岩与初期支护变形不稳定呢？多次支护？3、围岩与支护结构形成一个整体；工法开局，抢占先机延伸理解：1、不同工法的转换能力衡量企业生产力水平，检验现场管理者动态管理能力。2、工法需要措施配合，脱离了支护措施的工法如同没有利器的勇士。3、工法和进尺紧密相关，随时转换。n n强烈反对强烈反对n n1 1、根据围岩级别定工法。、根据围岩级别定工法。n n2 2、不切合断面实际定工法。、不切合断面实际定工法。n n3 3、脱离循环进尺和预支护措施定工法。、脱离循环进尺和预支护措施定工法。n n4 4、脱离围岩力学性质定工法（解决水平力、脱离围岩力学性质定工法（解决水平力oror垂直力）。垂直力）。工法开局，抢占先机铁路平导常用工法：铁路平导常用工法：全断面全断面留核心土留核心土短台阶短台阶单线铁路常用工法：单线铁路常用工法：全断面全断面-短台阶短台阶-三台阶三台阶-简易简易CRDCRD双线三线铁路常用工法：双线三线铁路常用工法：全断面全断面-短台阶短台阶-三台阶三台阶三台阶七步流水法三台阶七步流水法CDCRDCDCRD或双侧壁导坑或双侧壁导坑工法开局，抢占先机各种工法特点：各种工法特点：全断面：全断面：全断面：全断面：资源能充分利用，围岩自承能力确保施工安全，主抓进度和超欠挖，资源能充分利用，围岩自承能力确保施工安全，主抓进度和超欠挖，资源能充分利用，围岩自承能力确保施工安全，主抓进度和超欠挖，资源能充分利用，围岩自承能力确保施工安全，主抓进度和超欠挖，防止隐形节理及防止隐形节理及防止隐形节理及防止隐形节理及X X X X节理是安全管理的核心工作。节理是安全管理的核心工作。节理是安全管理的核心工作。节理是安全管理的核心工作。全断面留核心土：全断面留核心土：全断面留核心土：全断面留核心土：适合小断面隧道，比如平导，全断面施工围岩不能稳适合小断面隧道，比如平导，全断面施工围岩不能稳适合小断面隧道，比如平导，全断面施工围岩不能稳适合小断面隧道，比如平导，全断面施工围岩不能稳定，掌子面有失稳趋向，核心是解决掌子面问题。多用于平导。定，掌子面有失稳趋向，核心是解决掌子面问题。多用于平导。定，掌子面有失稳趋向，核心是解决掌子面问题。多用于平导。定，掌子面有失稳趋向，核心是解决掌子面问题。多用于平导。短台阶短台阶短台阶短台阶-核心是解决水平力及爆破后边墙、拱部、拱腰失稳问题，缩小临空核心是解决水平力及爆破后边墙、拱部、拱腰失稳问题，缩小临空核心是解决水平力及爆破后边墙、拱部、拱腰失稳问题，缩小临空核心是解决水平力及爆破后边墙、拱部、拱腰失稳问题，缩小临空面，是最常用的工法措施。面，是最常用的工法措施。面，是最常用的工法措施。面，是最常用的工法措施。工法、循环进尺及超前支护足可解决工法、循环进尺及超前支护足可解决工法、循环进尺及超前支护足可解决工法、循环进尺及超前支护足可解决80%80%80%80%问题。问题。问题。问题。新奥法、新意法均提倡能够掌子面稳定的情况下，应该采用全断面掘进，新奥法、新意法均提倡能够掌子面稳定的情况下，应该采用全断面掘进，以减少开挖对围岩的挠动，控制隧道收敛变形。以减少开挖对围岩的挠动，控制隧道收敛变形。全断面步长控制更容易，更主动，为什么？因为仰拱可以跟到掌子面，全断面步长控制更容易，更主动，为什么？因为仰拱可以跟到掌子面，任何位置二次衬砌可以第一时间打上去任何位置二次衬砌可以第一时间打上去。工法开局，抢占先机三台阶三台阶三台阶三台阶-核心解决台阶法不能解决的水平力问题及掌子面失稳问题，多用在单核心解决台阶法不能解决的水平力问题及掌子面失稳问题，多用在单核心解决台阶法不能解决的水平力问题及掌子面失稳问题，多用在单核心解决台阶法不能解决的水平力问题及掌子面失稳问题，多用在单线线线线V V V V级围岩及双线级围岩及双线级围岩及双线级围岩及双线IVIVIVIV级以上铁路隧道。级以上铁路隧道。级以上铁路隧道。级以上铁路隧道。简易简易简易简易CRD-CRD-CRD-CRD-多用在单线铁路隧道多用在单线铁路隧道多用在单线铁路隧道多用在单线铁路隧道V V V V、VIVIVIVI级围岩，核心解决大变形及拱部沉降，效级围岩，核心解决大变形及拱部沉降，效级围岩，核心解决大变形及拱部沉降，效级围岩，核心解决大变形及拱部沉降，效果非常好。果非常好。果非常好。果非常好。三台阶七步流水法：三台阶七步流水法：三台阶七步流水法：三台阶七步流水法：多用在双线及多线铁路隧道多用在双线及多线铁路隧道多用在双线及多线铁路隧道多用在双线及多线铁路隧道VIVIVIVI、V V V V级新黄土隧道施工。级新黄土隧道施工。级新黄土隧道施工。级新黄土隧道施工。其他隧道盲目套用不合适。其他隧道盲目套用不合适。其他隧道盲目套用不合适。其他隧道盲目套用不合适。CD-CD-CD-CD-多用在双线铁路隧道，核心解决沉降问题。多用在双线铁路隧道，核心解决沉降问题。多用在双线铁路隧道，核心解决沉降问题。多用在双线铁路隧道，核心解决沉降问题。CRD-CRD-CRD-CRD-多用在双线或多线铁路隧道，核心解决沉降及大变形问题。多用在双线或多线铁路隧道，核心解决沉降及大变形问题。多用在双线或多线铁路隧道，核心解决沉降及大变形问题。多用在双线或多线铁路隧道，核心解决沉降及大变形问题。-对垂对垂对垂对垂直力不大的隧道，发展演变核心土加临时仰拱台阶法。直力不大的隧道，发展演变核心土加临时仰拱台阶法。直力不大的隧道，发展演变核心土加临时仰拱台阶法。直力不大的隧道，发展演变核心土加临时仰拱台阶法。双侧壁导坑：双侧壁导坑：双侧壁导坑：双侧壁导坑：多用在双线或多线铁路隧道，核心解决沉降及大变形问题。由多用在双线或多线铁路隧道，核心解决沉降及大变形问题。由多用在双线或多线铁路隧道，核心解决沉降及大变形问题。由多用在双线或多线铁路隧道，核心解决沉降及大变形问题。由于初期支护封闭成环的难以控制，一般不推荐。于初期支护封闭成环的难以控制，一般不推荐。于初期支护封闭成环的难以控制，一般不推荐。于初期支护封闭成环的难以控制，一般不推荐。例：单线铁路隧道如何在全断面、台阶法、三台阶做选择？1、全断面法 开挖时掌子面能够形成竖直面、拱架能够全换紧贴围岩，没有掉块、超挖现象时，选择全断面法。2、台阶法 开挖时掌子面不能形成竖直面、掉块、超挖现象时有发生，并能够形成上下台阶时，选择台阶法。（短台阶的意义）工法开局，抢占先机工法开局，抢占先机 、三台阶法 同理，在不能行成上下台阶的情况下，采用三台阶施工法。如果还不能稳定，再增加分部就没有意义，就需要借助超前支护来解决。当然，在选择台阶法或三台阶时，也存在选择全断面+超前支护+循环进尺缩短好呢？还是选择台阶法+超前支护+循环进尺缩短？还是三台阶+超前支护+循环进尺缩短？这就取决于进度、成本、安全的全面选择，也是最考验现场管理者水平的时候。我们反复讲：隧道大成本决于两大项：工效及超欠挖。复杂地质隧道超欠挖的控制就是如上所叙。如果想靠光爆解决，你会发现，穷尽一生，也是徒劳。工法开局，抢占先机工法开局，抢占先机