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新奥法原理与支护

新奥法的理论基础是最大限度地发挥围岩的自承能力。

围岩是隧道结构的主要承载部分，不能把围岩简单地看作是作用在支护结构上的荷载，所以隧道开挖应尽量地减小围岩的扰动。

（爆破设计要遵循最小能量耗能原则）实现对围岩的最小的扰动），尽量保护围岩原始强度。

所以要进行光面爆破（光爆设计原则），开挖后应尽量减少围岩卸载位移的程度，特别是拱顶部分决不允许二次扰动，影响松动圈形成范围。

所以光爆后必须立即初喷使之对围岩形成约束，喷射砼具有可填平凹凸面与围岩密贴的特点，使围岩的受力条件不发生严重的应力重分布。

在隧道围岩支护过程中，一方面允许围岩有一定的位移，从而产生受力环区；另一方面，又必须限制围岩位移的程度，避免围岩变形过大而产生严重松弛卸载。

初期支护主要作用不是用来承担隧道围岩所失去的承载力，而是保持围岩的自承状态，防止严重的松弛和卸载，初期支护的施作应是及时的，延时支护可能使围岩在开挖后形成有害变形，围岩局部破坏，不利于形成承力保护区。

在破碎和软弱围岩中需及时施作仰拱以形成封闭结构。

初支是柔性结构主要是通过喷射砼、锚杆、钢筋网等来实现的。

为了增加初支的强度（Ⅳ、Ⅴ级围岩）而增设钢拱架，使结构内不产生过大的弯曲应力，只传递压力。

总之，新奥法的核心在于充分发挥围岩的自承作用。

喷射砼、锚杆等起加固围岩的作用，把围岩看作是支护结构的重要组成部分，并通过监控量测实行信息化设计和施工。

有控制地调节围岩的变形，以最大限度地利用围岩自承能力。

围岩与支护结构直接的相互作用，可以用围岩特征曲线和支护的特征曲线关系来分析。

由图一可以看出，如果不允许围岩不发生位移，人工支护需要提供等于原岩应力支护抗力，对于需要支护的围岩要其不发生破坏必须限制其变形的发生。

这就需要在洞壁上施加一定的支护抗力，以使围岩达到新的平衡状态。

图一表明支护结构2的刚度大于支护结构1。

围岩达到稳定时，支护结构1受力高于支护结构2，围岩位移则相反。

因此要使围岩所产生的变形越小，则需提供的支护抗力就越大。

如果允许围岩产生较大的变形，则所需施加的支护抗力也较小，这就是新奥法施工中强调选择柔一支护的理论基础，也是符合工程实践的。

在图2中选择合适的支护结构施加时，可以减小支护的受力，支护结构1时间早于支护结构2，施加支护时围岩已发生的位移较小，围岩达到稳定时支护结构2受力大于支护1。

这就是新奥法选择合理支护时间的理论解释。

从图1、图2可见，最理想的支护是在围岩特征曲线的最低点处，实现围岩的稳定支护抗力受力最小，但是在实践中要做到这点是非常困难的，并且考虑支护要有一定的安全储备应在支护特征曲线的最低点前实现围岩的稳定，所以通过喷射砼、锚杆、挂网等等柔性初支使围岩达到平衡，以充分发挥围岩的自稳能力，上面只是简单定性地阐述选择支护刚度和支护时机的重要性。

分析下支护与围岩的相互作用，仅新奥法进行了概念上解释。

但目前的围岩稳定性理论或试验技术还不能确定隧道围岩的特征曲线。

因此合理支护刚度和时机的选择仍是非常困难的。

这就需要在施工期加强围岩稳定的观测，从而获得信息，用这些信息对围岩位移、破坏等趋势作出分析判断，采取适宜的支护措施。

在应用上述指导支护实践时必须要注意以下两个问题：

1、喷锚支护和传统的“矿山法”不一样，它是柔性支护，其刚度小于传统支架。

因此采取常规喷锚支护作为初期支护时不得考虑降低支护刚度，不得随意减少锚杆数量、长度、喷射砼厚度，这样会使支护刚度过低，不能有效控制围岩恶化，使围岩出现松动破坏；2、要尽早的初支，不能延迟，特别是浅埋，围岩差的情况更是如此。

初期支护是隧道施工的主要工序之一，它不仅是整个隧道结构的一部分，也是新奥法施工的基础，更为重要的是初支作为施工过程中有效的安全保护形式，认识各个初支单元，如喷砼、锚杆、钢筋网、型钢、钢格栅、管棚、注浆小导管等等的作用和施工方法。

要根据稳定性差异，是应用柔性支护、强预支护和及时超前支护的适应范围。

①柔性支护：

深埋隧道开挖后围岩比较好（Ⅱ、Ⅲ级围岩）整体稳定较好洞段。

②强预支护：

未胶结松散岩体（Ⅳ、Ⅴ级围岩）坡积堆积土浅埋；膨胀性岩体或含有膨胀因子，节理发育、松散岩体；大面积淋水、涌水、地下水丰富洞段，并应及时或超前支护，特别是刚挖开的围岩因受爆破的扰动并受空气的氧化腐蚀，风化迅速应尽快封闭：

应及时支护约束变形可能的无限制发展的失稳。

有效地控制落石掉块，根据围岩稳定性情况差异，区别应用发挥网喷、锚杆、钢架等支护形式的不同作用。

通过喷射砼封闭还便于观察因围岩变形而引起的喷砼表面开裂、鼓包等情况及时处理，根据围岩情况及时施作初支是保证作业人员、设备安全和工程质量的需要。

从某种意义上说时间就是安全。

在围岩较好的普通洞段按正常的支护顺序施工（Ⅲ、Ⅱ级）可采用如下初支顺序：

初喷砼→锚杆眼→安装锚杆→挂网（并将网焊在锚杆头子上）→喷射混凝土到设计厚度。

在施工过程中有的往往锚杆、挂网作为附属工序常常会使锚杆长度不够，杆体外露过长，挂网不连续等等，施工时必须注意。

如Ⅲ级偏弱（亚级）必要时挂双层网或调整锚杆长度等措施。

在围岩情况不好时（Ⅳ、Ⅴ级）地下水发育有较大面积淋水、涌水围岩强风化或不利结构面，节理多密而且张裂隙多，易造成多次掉块、坍塌，就必须考虑强预支护，一般采用钢架（格栅拱架型钢）其初支施工顺序：

初喷混凝土→架设钢支撑→挂设钢筋网→打锚杆→喷混凝土至设计厚度。

这里面必须注意几方面是：

网片要求焊在钢支撑或锚杆上，锚杆头最好焊在钢支撑上。

上钢支撑时应于初喷顶死（初喷一般为4cm）。

必要时采用顶铁顶死，单个钢支撑的钢度和抗压强度跟围岩所传递的应力相比是很微小的，要充分发挥钢支撑的能力（不含抗冲击能力）必须做好纵向连接筋、锚杆、顶铁，使钢架相互之间连成一个整体，同时与围岩紧密相接，并且起到良好的支撑作用。

在施工中应该遵循“短开挖、弱爆破、强支护、快封闭、勤测量”的原则，但是也要分工序自上而下的初喷射砼，自下而上安设钢支撑.挂网、锚杆（注浆）等，切记该类情况应及时施作初支，即一炮一支护，做到安全生产。

简单谈谈岩石锚杆支护机理和作用，目前人们提出了多种机理解释锚杆的支护效果，如悬吊作用，组合架作用，组合拱作用等等，无疑这些观点都有合理的，在一定的程度上也说明了些问题，但根据岩体结构控制论的观点，隧道围岩的稳定主要是受岩体结构的控制，围岩变形主要是结构变形，围岩的破坏主要是岩体结构的破坏。

因此应从控制围岩结构变形，岩体中的薄弱面，它的有害变形和破坏是张开和滑动破坏，而岩体中的锚杆的作用主要体现在对岩体结构面张开和滑动的控制，当结构面要张开，锚杆承担了拉应力，当结构面要滑动时锚杆又可承担了剪应力（图示锚杆受力图）。

可以这样说，锚杆同时受两种力的作用，同时控制结构面的张开滑动，阻止岩块的掉落，维护围岩的原始接触关系和原始强度，这就是锚杆的强化作用。

针对本段下面简单谈谈隧道施工开挖常用方法。

1、全断面法，本段仅适用于Ⅰ~Ⅱ级。

长台阶法Ⅱ~Ⅲ级围岩，长台阶法是将断面分成上下两台阶，上台阶宜超前50m或5倍洞跨，上下台阶可平行作业。

短台阶法适用于Ⅲ~Ⅳ级，初期支护全断面闭合，宜在距开挖面30米以内，或距开挖上半断面开始的30天内完成。

当初支变形，下沉显著时，应及时采取稳固措施，短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善支护的受力条件，有利用控制隧道收敛速度和量值。

超短台阶法，Ⅳ级围岩上台阶仅超前5~10m，采用超短台阶法施工时应特别注意开挖工作面的稳定性，应设置强有力的超前辅助施工措施，开挖时初期支护全断面闭合时间更短，以利于控制围岩变形，适用于膨胀性，土质很破碎等软弱围岩及要求，尽早闭合支护断面的施工场地条件。

2、分部开挖法：

台阶分部开挖法（环形开挖法）一般适用于Ⅲ~Ⅳ级，它是将断面分成为环形拱部、上部核心土、下台阶等三部分根据开挖断面的大小，环形拱部可分成台块交替开挖，环形开挖进尺为0.5m~1.0m，不宜过长，上部核心土和下台阶的距离宜为1倍隧道跨径，在环形开挖中，上部留有的核心土支挡着开挖面，能迅速的及时施作拱部初支，开挖稳定性较好，适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩层，与超短台阶法的施工互相干扰少些，它的主要施工步骤：

①上半断面留核心土开挖→②拱部及上部边坡喷砼进行初期支护→③开挖核心土部分→④开挖下半断面→⑤下边墙初支。

对开挖过程中围岩的主应力变化计算分析：

①上半断面留核心土初支后，上半断面拱脚处出现小范围的应力集中，最大主应力值1.5Mpa，整个计算区域未出现拉应力；②开挖核心土后，上半断面拱脚处应力集中范围有所增大，但量值变化不大，未出现拉应力。

③下半断面开挖后，上半断面拱脚处应力集中现象消失，最大主应力的最大值出现在洞壁近1m处区域，其边墙处最大主应力值减小至0.8Mpa，整个区域处于受压状态。

对施工步骤中的位移计算进行分析：

①上半断面留核心土（环形开挖）后，围岩水平方向最大位移出现在拱脚上方，垂直方向的位移在拱顶比较明显，拱顶沉降最大值12.5mm左右，核心土呈“外扩”态势。

②开挖核心土后，位移变化不大，下半断面开挖初支后，上半断面围岩水平方向位移基本没有变化，而下半断面在洞壁3m范围内水平方向位移增加明显，垂直方向的位移在拱顶上方10m范围内变化不大，但地表沉降槽明显扩大与隧道洞径宽，拱底有略微隆起现象。

下半断面开挖对拱顶位移影响不大的原因是上半断面开挖后拱部应力基本已释放差不多了。

由图中可以看出，上半断面留核心土开挖支护后最大轴力和弯矩出现在拱脚上方一点，轴力最大值为976.1KN。

弯矩最大值为4.122KN.m开挖核心土后初支结构基本没有变化弯矩略有增加。

下半断面开挖初支后拱部轴力基本没变化，但弯矩变化较大，最大值出现在上半断面及拱脚处，最值为28.61KN.m，比下半断面开挖前竟增加了10倍左右。

而拱脚上方的弯矩则大大减小。

初支结构从始至终都处于受压状态。

其实台阶法的分析也类似差不多。

另外，单侧壁（CD法）也叫中隔墙法，适用于Ⅳ～Ⅴ围岩。

仅说施工步骤：

①先行导坑上部开挖；

②拱部上边墙初支，中壁立临时钢支撑，并喷混凝土等；

③下导坑开挖；

④下导坑初支，接中壁临时钢支撑喷混凝土等：

⑤另侧上部开挖喷混凝土初支；

⑥另侧下导坑开挖并初支，尽快仰拱闭合。

交叉中隔壁法（CRD法）适用于Ⅳ～Ⅵ级围岩

施工方法开挖支护的主要步骤：

①先行导坑上部开挖;

②拱部上边墙初支，中壁立临时钢支撑，临时仰拱喷混凝土等；

③导坑下部开挖并初支，接中壁钢支撑，喷混凝土等；

④开挖另侧上导坑初支，设立临时仰拱；

⑤下导坑开挖下边墙初支及仰拱。

双侧壁导坑法（DCD法）适用于Ⅴ～Ⅵ级围岩

施工工序如下：

1开挖一侧导坑，并将初支闭合；

2相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并施作初支闭合；

3开挖上部核心土，施作拱部初支，拱脚承在两侧壁导坑的初支上；

4开挖下台阶，施作底部初支，待初支全断面闭合；

5拆除临时支护，浇筑二衬。

从开挖过程中围岩主应力的变化：

先行侧导坑开挖初支后，仅在拱部与内侧壁转角处出现小范围应力集中，量值较小，只有0.9Mpa，整个计算区域受压状态。

另侧导坑开挖初支后，应力趋于对称分布，拱部与内侧壁转角处出现的围岩集中应力有所增加为1MPa，中部未开挖部分下半断面也有应力集中现象，量值为0.8MPa，整个仍处于受压状态。

中部上半断面开挖支护后原应力集中心点处最大主应力增大至1.25MPa。

但应力集中范围大大缩小，仍处于受压状态。

下半断面开挖初支后，洞周围应力总体来说均匀，压应力集中点处最大主应力值减少至0.7MPa，整个区域受压状态。

拆除临时支撑后，应力没有什么变化。

初支结构受力分析，如下图所示。

以上为初支结构的轴力图和弯矩图，由图可以看出，先行侧导坑开挖支护后，结构最大轴力出现在内侧壁中段为675.5KN，弯矩最大值出现在内侧壁顶端，19.95KN·m。

另侧导坑开挖初支后，两侧导坑支护结构的最大轴力均出现在内壁中段，985.9KN和820.1KN，弯矩最大值出现在两内壁顶端，分别为21.78KN·m和20.38KN·m。

中部核心土上半断面开挖后，支护结构最大轴力，出现在两侧导坑外壁上段分别达到1073KN和1029KN，内壁轴力则大大减小：

弯矩最大值仍然出现在内壁顶端量值巨增至-106.7KN·m和-100.6KN·m，最后拆除临时支撑后，轴力分布特征基本变化很小，而原两侧导外壁顶端的最大值弯矩有所减小。

从以上分析情况看，上下台阶法和预留核心土环形开挖法，两种方法引起的支护结构受力特征相同，差别不大。

而CD、CRD两种相差也不大（未分析），而双侧壁（DCD）法与前CD、CRD法最终支护结构轴力、弯矩最大值都要小，其引起的支护结构的受力特征与其它四种方法有很大区别。

而从施工复杂程度来看，DCD、CD法较台阶环形开挖法要复杂多、进度慢，CRD更慢。

施工步骤越多，对围岩扰动越大，应力重分布过程越复杂。

但围岩破碎，为了保证安全，和控制地表移动，应相应必须采用CD、CRD、DCD法进行隧道施工。

谢谢大家！