浅谈隧道施工中的新奥法.docx
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浅谈隧道施工中的新奥法
摘要
新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是NewAustrianTunnellingMethod,简称为NATM。
本文简要叙述了新奥法特点、理论及施工要点，支护手段与施工顺序以及新奥法的适用范围。
从隧道开挖方法、支护设计与施工、隧道防水设计与施工、辅助施工技术、信息化设计与施工、环境保护等方面,简单总结了新奥法在我国城市地铁中的应用现状，最后指出了新奥法施工的缺点，并对新奥法施工作了简要的展望。
关键词：
城市轨道；交通线路；钢轨；养护维修
1.1问题的提出.......................................................................................................1
1.2国内外现状.......................................................................................................1
2主要研究内容..........................................................................................................2
2.1新奥法施工特点...............................................................................................2
2.2新奥法理论要点及施工要点...........................................................................3
2.3支护设计与施工...............................................................................................4
2.4新奥法主要原则...............................................................................................5
2.5新奥法适用范围...............................................................................................6
2.6隧道工程新奥法开挖方法图解.......................................................................6
2.7新奥法的缺点主要有.....................................................................................11
3期望........................................................................................................................12
4 结束语....................................................................................................................13
参考文献......................................................................................................................14
致谢......................................................................................................................15
1绪论
1.1问题的提出
新奥法它是应用岩体力学原理,以维护和利用围岩的自稳能力为基点,以锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,并在隧道施工过程中进行现场监控量测,及时获取围岩变动的动态信息,并反馈于修正支护参数与施工措施,充分发挥围岩的自承能力。
新奥法广泛应用于山岭隧道、城市地铁、地下贮库、地下厂房、矿山巷道等地下工程。
当前,世界范围内应用新奥法设计与施工城市地铁工程取得了相当大的发展。
如智利的圣地亚哥新地铁线采用新奥法施工地铁车站,车站位于城市道路下7m～9m,开挖面积150m2,相当于17m（宽）×14m（高）;我国自1987年在北京地铁首次采用新奥法设计施工复兴门车站及折返线工程,车站跨度达26m。
针对我国城市地下工程的特点和地质条件,新奥法经过多年的完善与发展,又开发了“浅埋暗挖法”这一新方法,与明挖法、盾构法相比较,由于它可以避免明挖法对地表的干扰性,而又较盾构法具有对地层较强的适应性和高度灵活性,因此目前广泛应用于城市地铁区间隧道、车站、地下过街道、地下停车场等工程,如根据新奥法的基本原理,采用“群洞”方案修建的广州地铁二号线越秀公园站及南京地铁一期工程南京火车站站,断面复杂多变的折返线工程、联络线工程也多采用新奥法。
在我国利用新奥法原理修建已成为一种主要施工方法。
尤其在施工场地受限制、地层条件复杂多变、地下工程结构形式复杂等情况下用新奥法施工尤为重要。
1.2国内外现状
1.2.1国外现状
经20多年的实践和推广，新奥法已在欧洲一些国家如奥地利、联邦德国、瑞典、瑞士、法国等的山岭隧道中普遍使用（占70～80%），并已用于地下铁道，且取得沉降量特别小的显著成果。
日本从1976年以来，已有近100座隧道采用了新奥法。
1.2.2国内现状
中国从60年代初开始推广喷锚支护新技术，到1981年底，采用喷锚支护的地下工程和井巷的总长度已接近7500公里。
近年来，又在普济、下坑、大瑶山等铁路隧道采用新奥法进行施工。
2主要研究内容
2.1新奥法施工特点
2.1.1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。
2.1.2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。
2.1.3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。
2.1.4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。
2.2新奥法理论要点及施工要点
2.2.1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。
2.2.2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。
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。
2.2.3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计的依据，因而能够预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然提到施工的安全程度。
由上所述，新奥法的支护原则是：
围岩不仅是载物体，而且是承载结构；围岩承载圈和支护体组成巷道的统一体，是一个力学体系；巷道的开挖和支护都是为保持改善与提高围岩的自身支撑能力服务。
2.3支护设计与施工
我国采用新奥法修建的地铁工程,大多采用复合式衬砌,初期支护为喷锚支护,二次衬砌采用现浇混凝土,初期支护承担主要地层荷载,二次衬砌作为安全储备、饰面及防水层。
2.3.1 初期支护设计与施工
根据隧道不同开挖顺序引起的围岩“松弛”阶段,采用“围岩松弛”理论进行分析,并结合工程经验类比确定支护类型进行预设计。
在施工过程中监测围岩及初期支护变形,根据监测结果修正预设计,即实施信息化设计与施工。
经过多年的施工实践,对初期支护的认识逐渐深刻,主要体现在以下几个方面:
2.3.2喷射混凝土
为吸收软弱围岩的变形,通过采用钢纤维喷射混凝土及增加钢纤维含量或钢纤维质量提高喷射混凝土强度,对于高应力区,可采用强度高、耐久性好的玻璃纤维,而不是盲目增加喷射混凝土厚度,经计算分析,当喷射混凝土层H≤D/40时,喷射混凝土无弯矩状态,有利于发挥喷射混凝土的支护作用。
目前,提高喷射混凝土强度,发展钢纤维喷射混凝土成为一种趋势。
2.3.3钢拱架
由于钢拱架不仅承受其上部围岩荷载,而且要承受钢拱架之间的围岩荷载,所以采用钢拱架可以控制隧道发生大的变形。
为了更好发挥钢拱架作用,必须提高隧道成型质量,保证钢拱架与隧道开挖轮廓线密贴。
2.3.4锚杆
实践证明,采用喷射混凝土+锚杆+钢拱架联合支护,锚杆具有重要作用,特别是在隧道拱部,有利于在发生大变形时,可以防止剪切失稳;在没有仰拱时,在拱脚处应安装锁脚锚杆,可以控制墙底部发生大变形和坍塌。
2.3.5二次衬砌设计与施工
二次衬砌作为结构安全的长期储备、饰面和防水层,在初期支护变形基本稳定后施做,施工时应特别注意现浇混凝土的强度、密实性、耐久性以及施工缝的防水。
随着喷射混凝土技术的发展,国外已有采用喷射混凝土作为二次衬砌的实例,这样可以大大减小衬砌厚度,提高施工速度,降低工程造价;采用高性能混凝土提高混凝土强度、密实性、耐久性,特别是提高混凝土的早期强度,以减少脱模时间,提高二次衬砌施工速度。
2.4新奥法主要原则
（1）充分保护围岩，减少对围岩的扰动。
（2）充分发挥围岩的自承能力。
（3）尽快使支护结构闭合。
（4）加强监测，根据监测数据指导施工。
可扼要地概括为“少扰动、早喷锚、快封闭、勤测量”
因为隧洞的主要承载部分是围岩，支护结构起到发挥和保护围岩承载能力的作用。
在静力学理论中，隧道的结构可视为岩体承载环和支护衬砌组成的圆筒结构，承载环的闭合起到了关键作用，因此围岩和衬砌的整体化应在初期衬砌中就及早完成，保证衬砌环的稳定与完整。
从应力重的分布来考虑.全断面掘进是比较理想的开挖方式。
因此，施工方式归根结底要把握一个出发点，那就是保护，调动和发挥围岩的自承能力，在此基础上根据工程实际条件灵活地选择施工及辅助手段。
2.5新奥法适用范围
①具有较长自稳时间的中等岩体；
②弱胶结的砂和石砾以及不稳定的砾岩；
③强风化的岩石；
④刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩；
⑤坚硬粘土，也有带坚硬夹层的粘土；
⑥微裂隙的，但很少粘土的岩体；
⑦在很高的初应力场条件下，坚硬的和可变坚硬的岩石；
2.5.1在下述条件下应用新奥法必须与一些辅助方法相配合
①有强烈地压显现的岩体；
②膨胀性岩体（要与仰拱与底部锚杆相配合）；
③在一些松散岩体中，要与钢背板与之配合；
④在蠕动性岩体中，要与冻结法或预加固法等配合；
2.5.2在下列场合中应用应慎重
①大量涌水的岩体；
②由于涌水会产生流砂现象的围岩；
③极为破碎，锚杆钻孔、安装都极为困难的岩体；
④开挖面完全不能自稳的岩体等。
2.6隧道工程新奥法开挖方法图解
在当前的施工实践中，从施工造价及施工速度考虑，施工方法的选择顺序为：
全断面法→台阶法→环形开挖留核心土法→中隔壁法（CD法）→交叉中壁法（CRD法）→双侧壁导坑法；从施工安全角度考虑，其选择顺序应反过来。
如何正确选择，应根据实际情况综合考虑，但必须符合安全、快速、质量和环保的要求，达到规避风险、加快进度和节约投资的目的。
2.6.1全断面开挖法
全断面开挖法就是按照设计轮廓一次爆破成形，然后修建衬砌的施工方法。
适用条件：
（1）I~IV级围岩，在用于Ⅳ级围岩时，围岩应具备从全断面开挖到初期支护前这段时间内，保持其自身稳定的条件。
（2）有钻孔台车或自制作业台架及高效率装运机械设备。
（3）隧道长度或施工区段长度不宜太短，根据经验一般不应小于lkm，否则采用大型机械化施工，其经济性较差。
全断面法施工特点：
（1）开挖断面与作业空间大、干扰小。
（2）有条件充分使用机械，减少人力。
（3）工序少，便于施工组织与管理，改善劳动条件。
（4）开挖一次成形，对围岩扰动少，有利于围岩稳定。
2.6.2台阶法施工
台阶法是先开挖上半断面，待开挖至一定长度后同时开挖下半断面，上、下半断面同时并进的施工方法；按台阶长短有长台阶、短台阶和超短台阶三种。
近年由于大断面隧道的设计，又有三台阶临时仰拱法，甚至多台阶法。
至于施工中究竟应采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定：
⑴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；
⑵上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备施工场地大小的要求。
在软弱围岩中应以前一条为主，兼顾后者，确保施工安全。
在围岩条件较好时，主要是考虑如何更好的发挥机械效率，保证施工的经济性，故只要考虑后一条件。
台阶开挖法的优缺点：
台阶开挖法可以有足够的工作空间和相当的施工速度。
但上、下部作业有干扰；台阶开挖虽增加对围岩的扰动次数，但台阶有利于开挖面的稳定。
尤其是上部开挖支护后，下部作业就较为安全，但应注意下部作业时对上部稳定性的影响。
台阶开挖时应注意以下几点：
（1）解决好上、下半断面作业的相互干扰问题。
微台阶基本上是合为—个工作面进行同步掘进；长台阶基本上拉开，干扰较小；而短台阶干扰就较大，要注意作业组织。
对于长度较短的隧道，可将上半断面贯通后，再进行下半断面施工。
（2）下部开挖时，应注意上部的稳定。
若围岩稳定性较好，则可以分段顺序开挖；若围岩稳定性较差，则应缩短下部掘进循环进尺；若稳定性更差，则可以左右错开，或先拉中槽后挖边帮。
（3）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。
（4）量测工作必须及时，以观察拱顶，拱脚和边墙中部位移值，当发现速率增大立即进行仰拱封闭。
2.6.3环形开挖留核心土法
（1）环形开挖进尺宜为0.5-1.0m，核心土面积应不小于整个断面面积的50%。
（2）开挖后应及时施工喷锚支护、安装钢架支撑，相邻钢架必须用钢筋连接，并应按施工要求设计施工锁角锚杆。
（3）围岩地质条件差，自稳时间短时，开挖前应按设计要求进行超前支护。
（4）核心土与下台阶开挖应再上台阶支护完成后、喷射混凝土达到设计强度的70%。
环形开挖留核心土法
2.6.4中隔壁法（CD法）
CD法是在软弱围岩大跨度隧道中，先开挖隧道的一侧，并施作中隔壁，然后再开挖另一侧的施工方法，主要应用于双线隧道Ⅳ级围岩深埋硬质岩地段以及老黄土隧道（Ⅳ级围岩）地段。
2.6.5交叉中隔壁法（CRD法）
是在软弱围岩大跨隧道中，先开挖隧道一侧的一或二部分，施作部分中隔壁和横隔板，再开挖隧道另一侧的一或二部分，完成横隔板施工；然后再开挖最先施工一侧的最后部分，并延长中隔壁，最后开挖剩余部分的施工方法。
采用短台阶法难确保掌子面的稳定时，宜采用分部尺寸小的CRD法，该工法对控制变形是比较有利的。
CD法是"CenterDiaphragm"的简称，而CRD法则是"CrossDiaphragm"的简称。
两者既有联系又有区别。
它们都用于比较软弱地层中而且是大断面隧道的场合。
而前者是在用钢支撑和喷混凝土的隔壁分割开进行开挖的方法；后者则是用隔壁和仰拱把断面上下、左右分割闭合进行开挖的方法，是在地质条件要求分部断面及时封闭的条件下采用的方法。
因此，CRD法与CD法唯一的区别是在施工过程中每一步，都要求用临时仰拱封闭断面。
在CRD法或CD法中，一个关键问题是拆除中壁。
一般说，中壁拆除时期应在全断面闭合后，各断面的位移充分稳定后，才能拆除。
2.6.6双侧壁导坑法
（1）侧壁导坑开挖后方可进行下一步开挖。
地质条件差时，每个台阶底部均应按设计要求设临时钢架或临时仰拱。
（2）各部开挖时，周边轮廓应尽量圆顺。
（3）应在先开挖侧喷射混凝土强度达到设计要求后在进行另一侧开挖。
（4）左右两侧导坑开挖工作面的纵向间距不宜小于15米。
（5）当开挖形成全断面时应及时完成全断面初期支护闭合。
（6）中隔壁及临时支撑应在浇筑二次衬砌时逐段拆除。
2.7新奥法的缺点主要有：
①实施不仅要求有良好的施工组织和管理，也要求技术人员和量测人员都十分熟练，没有这一点就易于发生错误；作业质量都与每一个人的仔细操作有关。
②开挖暴露出的地质会立即改变其状态，因此要求施工地质人员要亲临现场，以便发现问题；
③用能控制的施工量测，往往给施工带来不便；
④干喷射带来的灰尘以及由于易受化学药品的损害必须加强防护，尤其是对眼睛的防护，湿喷虽然可以避免此缺点，但在同样条件下，不如干喷那样有效的支护岩体。
3期望
新奥法的发展是和喷锚支护的材料、方法和机具等的发展密切相关的。
要进一步研制初期和长期强度都高、回弹少、粉尘低、生产率高的喷射混凝土系统，并和高效能的集尘器、自动喷射装置、周期短的材料供应系统配套。
研究能缩短喷敷时间，又无公害的新喷敷方法。
研究不需用临时堆放场地、易于运输的喷射材料和新的施工工艺,如钢纤维加强喷射混凝土、SEC喷射混凝土、光面爆破和深孔爆破技术、液压凿岩台车（兼作安装锚杆用）、喷射车组（包括机械手）、各种混凝土喷射机、液体速凝剂、粉尘防止剂、树脂锚杆等。
4 结束语
不可否认,我国采用新奥法修建城市地铁已积累了丰富的设计与施工经验,促进了我国地铁建设事业的发展。
新奥法施工是从实际经验中总结出来的，又在不断实践经验中得以丰富其内容和进一步发展，新澳法施工在我国推广以来，经过几十年的发展，通过科研、设计、施工三结合，在修建下坑、西坪、大瑶山、军都山等铁路隧道以及中梁山、二郎山、西山坪等多座公路隧道中，应用新奥法远离及其相应的技术，取得了较大的成就。
但目前还存在一些不足和薄弱环节,如隧道信息化设计与施工方面还有待深入研究,新材料、新工艺、新设备的研发与应用推广力度不够,施工对周边环境影响的评估标准缺乏合理性,辅助施工技术与环境保护技术研究还比较薄弱等。
新奥法虽存在不少缺点，不过经过工程技术人员和科技工作者的共同努力一定可以把新奥法不断完善，在我国的现代化建设进程中发挥更加重要的作用。
可以预料,随着我国综合国力的提高,21世纪必将是我国城市地铁建设的高峰期,由于经济性、地层条件复杂多变以及特殊的环境条件,新奥法在城市地铁建设中还需不断完善,以上几个方面的问题都是亟待解决的课题。
参考文献
[1]夏明耀.地下工程设计施工手册.北京:
中国建筑工业出版社,1999
[2]刘招伟,王梦恕.浅埋暗挖法修建地下工程中几个问题的探讨.见:
铁道部隧道工程局科技大会论文集,1999
[3]罗富荣.地铁区间隧道的信息化设计.见:
中铁隧道集团总工办编.地下工程、桥梁、道路新技术.2001
致谢
本论文是在XXX老师的指导下完成的，从课题的选择到最终完成，陶老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，在此我谨致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
陶老师指引我的论文的写作的方向和架构，并对本论文初稿进行逐字批阅，指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，他的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，他的严谨细致、一丝不苟的作风，将一直是我工作、学习中的榜样。
论文的顺利完成，也离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。
在整个的论文写作中，各位老师、同学和朋友积极的帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个论文。
另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。
衷心的感谢你们！
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