新奥法施工.docx

1、新奥法施工5 新奥法施工5.1 概述传统的矿山法施工，为地下铁道暗挖施工技术奠定了基础。到本世纪60年代，由于喷射混凝土和锚杆技术的出现，创造了新奥地利施工法(New Austria Tunnelling Method)，简称新奥法(NATM)。新奥法的基本思想是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，与时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护的量测+监控来指导地下工程的设计与施工，其施工程序见图5-1。新奥法的基本要点是：(1) 隧道的承载部分主要是围岩；(2) 尽可能不破坏作为承载要素的围岩强度；(3) 极力防止围岩松动；(4)

2、避免围岩处于单轴与两轴受力状态；(5) 对围岩的变形加以控制；(6) 适时进行衬砌；(7) 衬砌要薄以防止产生弯矩；(8) 用钢筋网、锚杆加强衬砌而不要增加厚度；(9) 依据围岩变形量测来决定衬砌方法和时间；(10) 隧道可视为支护与岩石承载环所组成的厚壁管；(11) 衬砌不能有缺口，以保证圆环作用；(12) 全断面开挖比分部开挖有利；(13) 施工方法对结构安全起决定作用；(14) 圆化衬砌棱角，以避免应力集中；(15) 如为复合式衬砌，内层衬砌也要薄；(16) 初期支护要满足稳定需要，二次衬砌仅作为安全储备；(17) 测定衬砌应力与围岩的变位，才能正确的进行设计和施工；(18) 要用排水的

3、方法降低岩体中水的渗透压力。5.2 施工方法分类施工方法根据断面分块情况和开挖顺序分类如下：(1) 全断面法 常用在类硬岩中，利于组织大型机械化作业，提高施工速度，可采用深孔爆破。(2) 台阶法 长台阶法 一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨，施工中上下部可配属同类型较大型机械平行作业或交替作业。在短隧道或类硬岩长隧道可一次将上半断面挖通后，再挖下半断面，施工干扰少，机械配套，测量较简单，可进行单项作业。 短台阶法 上台阶长度小于5倍洞跨，但大于11.5倍洞跨，适用于类围岩，可缩短仰拱封闭时间，改善初期支护受力条件，但上台阶施工干扰较大。 超短台阶法 上台阶仅超前3m5m，断面闭合较快。此法

4、多用于机械化程度不高的各类围岩地段，当遇软弱围岩时需慎重考虑，必要时采用辅助施工措施稳定开挖工作面以保证施工安全。(3) 分部开挖法 台阶分部开挖法(环形开挖留核心法)适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩地段。核心土支挡开挖工作面，利于与时施作拱部初期支护，增强开挖工作面稳定。在拱保护下开挖核心土，安全性好，一般环形开挖进尺为0.5m1.0m左右，不宜过长，上下台阶可用单臂掘进机开挖。上下台阶距离在洞跨10m左右时取一倍洞跨，洞跨为5m左右时可取2倍洞跨； 单侧壁导坑法 适合于围岩较差、跨度大、地表沉陷难于控制时。此法单侧壁导坑超前，中部和另一侧断面采用正台阶法施工，故兼有正台阶法和双侧导坑法的优

5、点，且洞跨可随机械设备和施工条件决定； 双侧壁导坑法 适用于浅埋大跨度隧道，地表下沉量要求严格，围岩条件特别差时配合辅助施工方法安全可靠，但是速度慢、造价高。采用台阶法施工时，下半断面的落底和封闭应在上部断面初期支护基本稳定后进行。新奥法施工应根据地质和施工机具条件，尽量采用对围岩扰动少的开挖支护方法。5.3 岩石地层的新奥法施工岩石地层当采用钻爆法开挖时，应采用光面爆破和预裂爆破技术，尽量减少欠挖和超挖。5.3.1 光面爆破与预裂爆破根据围岩特点合理选择周边眼间距与周边眼的最小抵抗线，严格控制周边眼的装药量和装药结构，采用小直径药卷和低爆速炸药，采用毫秒微差有序起爆，爆破参数可采用工程类比或

6、根据爆破漏斗与成缝试验确定，无条件试验时，可参考表5.1，5.2选用。表5.1 光面爆破参数岩石种类饱和单轴抗压极限强度Rb (MPa)装 药不偶合系数K周边眼间 距E (cm)周边眼最小抵抗线W (cm)相对距E/W周边眼装药集中度q (kg/m)硬 岩601.251.50557070850.81.00.300.35中硬岩30601.502.00456060750.81.00.200.30软 岩302.002.50305040600.50.80.070.15表5.2 预裂爆破参数岩石种类饱和单轴抗压极限强度Rb (MPa)装药不偶合系数K周边眼间距E (cm)周边眼至内圈崩落眼间距(cm)周

7、边眼装药集中度q (kg/m)硬 岩601.21.34050400.350.40中硬岩30601.31.44045400.250.35软 岩*301.42.03040300.090.19*软岩隧道的爆破相对距离宜取较小值5.3.2 爆破振动速度要求若采用光面爆破，爆破振动速度应小于下列数值：硬岩15cm/s、中硬岩10cm/s、软岩5cm/s。隧道上方有建筑物时，爆破振动对建筑物的破坏左右，取决于爆破地震波到达建筑物时的强度，爆破振动地震波的传播方向与建筑物相对位置，爆破地震波延续时间，建筑物的类型、形状、高度、破损程度，爆破振动频率与建筑物固有频率之间的关系等等。虽然评价爆破振动对建筑物的破

8、坏作用是一项与其复杂的工作，但是人们通过一系列爆破对建筑物破坏影响的调查研究，仍然提出了相应的破坏判据，见表5.3，5.4。表5.3 建筑物破坏和震动速度的关系震 级一般建筑物震动速度（cm/s）1无损坏50表5.4 建筑物允许震动速度值建筑物抗震级别建筑物特性震动速度（cm/s）1设计烈度7度与以上的工业建筑572一般工业建筑，基础好，质量好的砖墙瓦顶民房353基础土质好，一般的砖瓦房，有主要设备的厂房1.53.04基础土质差，一般的砖瓦房，陈旧的砖墙瓦顶房屋，木骨架瓦房，质量好的土坯瓦顶房0.81.55具有历史价值的建筑物。砾石墙民房，土坯墙民房，民居窑洞，安装有精密设备的实验室0.40.

9、8为了减少爆破对环境的影响，国外发明了岩石隧道全断面掘进机，使隧道掘进速度加快，效率提高，大大减轻劳动强度，有的月进度达到1Km以上。此外，采用隧道掘进机还有施工安全、开挖面平整、超挖小、节约衬砌混凝土、没有爆破振动、对围岩振动破坏小等优点。但在较短的隧道中使用是不经济的，一般要求隧道长度/直径600时才适用。隧道掘进机对有溶洞、断层的地层适应能力差，因此在选用前应对工程地质进行详细调查。对于较软的岩石也可使用机械预切槽法与水利切割法等工艺。5.3.3 初期支护围岩开挖后应立即进行必要的支护，并使围岩与支护尽量密贴，以稳定围岩。围岩条件比较好时，可简单支护或不支护。采用喷射混凝土、锚杆作为初期

10、支护时的施工顺序，一般为先喷射混凝土后打锚杆；围岩条件恶劣时，则采用初喷混凝土架钢支撑打锚杆二次喷射混凝土。锚杆杆位、孔径、孔深与布置形式应符合设计要求，锚杆杆体露出岩面的长度不宜大于喷混凝土层厚度，锚杆施工质量应符合有关规范要求。对有水地段的锚杆施工经常采取以下措施：如遇孔内流水，可在附近另钻一孔，再设锚杆，亦可采用管缝锚杆；或采用速凝早强药包锚杆；或采用管形锚杆并向围岩压力注浆等。5.4 松散地层的新奥法施工(浅埋暗挖法)5.4.1概述近年来,采用浅埋暗挖法施工的地下铁道工程已越来越多,它的优越性也越来越明显，目它已经成为城市地下铁道施工采用的主要方法之一。浅埋暗挖法是在新奥法的基础上，针

11、对城市地下工程的特点发展起来的。城市浅埋地下工程的特点主要是：覆土浅、地质条件差(多数是未固结的土砂、粘性土、粉细砂等)自稳能力差、承载力小、变形快，特别是初期增长快，稍有不慎极易产生坍塌或过大的下沉，而且在隧道附近往往有重要的地面建筑物或地下管网，给施工带来严格的要求等。与其他施工方法相比，浅埋暗挖的法具有许多特点。 适用于各种地质条件和地下水条件； 具有适合各种断面形式(单线、双线与多线、车站等)和变化断面(过渡段、多层断面等)的高度灵活性； 通过分部开挖和辅助施工方法，可以有效地控制地表下沉和坍塌； 与盾构法相比较，在较短的开挖地段使用，也很经济； 与明挖法相比较，可以极大地减轻对地面交

12、通的干扰和对商业活动的影响，避免大量的拆迁； 从综合效益观点出发，是比较经济的一种施工方法。有关深浅埋的分界问题，一直是工程界所关注的问题。对深浅埋隧道的认识，有许多不同的观点，根据国内外近50个试验段的试验资料和工程实例，将覆土厚度(H)和隧道开挖宽度(B)的比值等于或大于2.0，作为深浅埋分界深度是合适的。目前，在浅埋的概念中，由于施工方法选择的需要，根据工程特点，又将浅埋分为浅埋和超浅埋2种。一般说来，上层覆土发生整体下沉的可能时，就属于超浅埋。或当覆土厚度与隧道开挖宽度之比值小于0.4，也可认为属于超浅埋。5.4.2 浅埋暗挖法的施工技术5.4.2.1.施工的基本原则根据国内外的工程实

13、践，浅埋暗挖法的施工应贯彻如下原则：(1) 管超前：指采用超前小导管注浆防护，实际上就是采用超前支护的各种手段，提高掌子面的稳定性，防止围岩松弛和坍塌；(2) 严注浆：指在导管超前支护后，立即进行压注水泥浆或其它化学浆液，填充围岩空隙，使隧道周围形成一个具有一定强度的壳体，以增强围岩的自稳能力；(3) 短开挖：指一次注浆，多次开挖，即限制一次进尺的长度，减少对围岩的松弛；(4) 强支护：指在浅埋的松软地层中施工，初期支护必须十分牢固，具有较大的刚度，以控制开挖初期的变形；(5) 快封闭：指在台阶法施工中，如上台阶过长时，变形增加较快，为与时控制围岩松弛，必须采用临时仰拱封闭，开挖一环，封闭一环

14、，提高初期支护的承载能力；(6) 勤量测：指对隧道施工过程进行经常性的量测，掌握施工动态，与时反馈，是浅埋暗挖法施工成败的关键。5.4.2.2 地层预加固和预支护技术在城市地下铁道浅埋暗挖法施工中，经常遇到砂砾土、砂性土、粘性土或强风化基岩等不稳定地层。这类地层在隧道开挖过程中自稳时间短暂。往往初期支护尚未来得与施作，或喷射混凝土还未获得足够强度时，拱墙的局部地层已经开始坍塌。为此需要采用地层预支护和预加固方法，来提高地层自稳能力。(1) 小导管超前注浆这是在地下铁道单线区间隧道开挖过程中常采用的方法。注浆小导管采用38mm50mm的焊接钢管制成，导管沿上半断面周围轮廓线布置，间距0.20.3

15、m，仰角控制在1015，如图5-2所示。注浆小导管管头为2530的锥体，管长3m5m，其中端头花管长2.0m2.5m，花管部分钻有 6mm10mm的孔眼，每排4个孔，交叉排列，间距10cm20cm左右。注浆小导管用风钻打入。注浆材料与配合比应根据地质条件和施工要求，通过现场实验确定。水泥浆或水泥水玻璃浆液，主要使用渗透系数大于104cm/s的填土层、砂土层和夹砂的粘土层；对于大于105cm/s 的细砂层壳采用化学浆液(聚氨酯类、丙烯酰胺类)。在北京砂性土中曾采用过水泥水玻璃双液浆，水灰比控制在0.8:11:1,水玻璃浓度35Be40Be，水泥浆与水玻璃浆的体积比为1:0.61: 1，凝胶时间在

16、1min左右。经过注浆，在浆液扩散范围内，砂石均被胶结，7d抗压强度可达到5MPa15MPa。在隧道轮廓线以外，形成一个厚0.6m1.2m的硬壳。提高了施工安全条件，减少了地表沉降，方便了初期支护的锚杆喷射混凝土作业。控制注浆压力是这项作业的又一重要技术环节，应根据地质条件、周围建筑物情况与施工要求，通过现场试验确定，一般控制在0.3MPa0.7MPa之间。(2) 开挖面深孔注浆对于断面比较大的双线隧道或跨度比较大的渡线部分，因注浆小导管加固范围有限，故一般采用开挖面深孔注浆。对于70 m2100m2 断面的隧道可布置1218个注浆孔，其中15 m左右的长孔布置611个，5 m左右的短孔布置6

17、7个，见图5-3，并采用隔孔注浆的方法。水泥浆的配合比与注浆压力通过现场试验确定。其工艺流程，见图5-4。注浆量应根据地层孔隙率确定，一般可按照下列公式计算：Q = RHn式中 Q浆液注浆量(m3)；R浆液有效扩散半径(m)；H注浆段长度(m)；n土体孔隙率(或岩体裂隙率)，(土、砂土n3060)；浆液充填率：0.30.9，(土、砂土，0.30.5)；超耗系数(含超注量、冒浆、损耗等)，1.21.5。(3) 管棚超前支护当地下铁道通过自稳能力很差的地层，或地表通过车辆荷载过大，威胁施工安全，或临近有重要建筑物，为防止由于地铁施工造成超量的不均匀下沉，往往采用管棚法。所谓管棚，就是把一系列直径位

18、10cm60cm的钢管，沿隧道外轮廓线或部分外轮廓线，顺隧道轴线方向依次打入开挖面前方的地层内，以支撑来自外侧的围岩压力。管棚排列的形状有帽形、方形、一字形与拱形，见图5-5，可依据工程需要与断面形式确定。而管棚设置的范围、间距、管径则应根据工程地质合水文地质条件以与隧道的埋置深度等因素确定。管棚施工的工艺流程，如图5-6所示。5.4.2.3 区间隧道土方开挖在松散不稳定地层中采用浅埋暗挖法开挖作业时，所选用的施工方法与工艺流程，应保证最大限度的减少对地层的扰动，提高周围地层自承作用和减少地表沉降。根据不同的地质条件与隧道断面，选用不同的开挖方法，但其总原则是预支护、预加固一段，开挖一段；开挖

19、一段，支护一段；支护一段，封闭成环一段。初期支护封闭成环后，隧道处于暂时稳定状态，通过监控量测，确认达到基本稳定状态时，可以进行二次衬砌的混凝土灌注工作。如量测结果表明尚未稳定，则需继续监测；如监测结果表明支护有失稳的趋势时，则需与时通过设计部门共同协商，确定加固方案。当周围地层稳定性较好时，可采用长台阶半断面施工方法，这时施工机械可布置到上台阶进行施工，加快施工进度。但拱部初期支护长时间无法封闭，当拱部地层压力较大，拱脚部位土体不能够提供足够反力时，整个拱部将连同支护一起下沉，严重时拱脚部位土体将产生滑移，涌入隧道。当遇到这种不利情况时，可施作临时仰拱，形成半断面临时闭合结构，促使地层稳定。

20、临时仰拱的安设与拆除必然将增加工程量，增大工程费用。因此，当土体稳定性并不十分可靠时，要慎重选用这种施工方法。浅埋暗挖法施工中所选用的施工机械，除局部遇有坚硬岩石需要爆破以外，各类土层或严重风化的基岩均可采用短臂反铲机械进行开挖，或采用S50 型单臂掘进机。出渣可采用有轨运输，也可以通过斜井，采用汽车无轨运输。但由于城市条件，往往不允许在白天用汽车将渣土运至卸渣场，需在工地存渣场暂存，等夜间在市容管理允许的时间内将渣土倒运至卸渣场。在这种情况下，汽车进入隧道实行无轨运输的组织方式就无太大实际意义了。故一般多采用有轨运输，通过竖井提升到井口堆渣场，然后进行倒运。施工用的竖井或斜井应尽可能的设在未

21、来的区间风道位置上，这样待工程结束后，便于将其改建成通风井，减少废弃工程量。竖井和斜井的断面尺寸是根据工程需要和可能进入隧道内的最大部件或机具设备最大尺寸进行规划的。竖井可做成方形、矩形或圆形。井壁可采用地下连续墙，现浇模注混凝土或拱架锚喷混凝土，根据工程地质条件、工程需要和施工单位具有的施工经验确定。隧道开挖轮廓线是根据隧道设计轮廓尺寸、施工误差与最大变形量而定的，施工中要严格控制开挖轮廓线，防止超挖，但是不得欠挖。当采用机械开挖时，沿轮廓线预留10cm人工找平层，用手工修边。一般工程控制断面轮廓线得方法为断面支距法，见图5-7，以开挖轮廓线得中线拱顶点为起点，沿中线由上向下，每隔0.5m向

22、两侧量出支距L1 左、L1 右、L2 左、L2右等，各支距点的连线，即为断面轮廓线。为保证区间隧道中线与水平标高准确无误，应加强施工测量工作。当有两个工作面相对开挖时，往往难以避免出现贯通误差，所以在接近贯通时，两侧应加强联系，统一指挥，待接近20m左右时，其中一个工作面停止开挖，由另一个工作面实现贯通，便于逐步调整中线与水平标高。5.4.2.4 浅埋暗挖法的初期支护在软弱破碎与松散、不稳定的地层中采用浅埋暗挖法施工时，除需对地层进行预加固和预支护外，隧道初期支护施作的与时性和支护的刚度和强度，对保证开挖后隧道的稳定性、减少地层扰动和地表沉降，都具有决定性的影响。在诸多支护形式中，钢拱锚喷混凝

23、土支护是满足上述要求的最佳支护形式。所以国内外在不稳定地层中采用浅埋暗挖法时的初期支护，均采用由钢拱或无钢拱支撑的锚喷混凝土。这类支护的特点如下：a 开挖后能与时施作，并且施作后能尽快承受荷载；b 施工简便，不需要大型施工场地与大型施工机械；c 支护与周围地层之间密贴不留空隙，减少地层扰动；d 适用于不同断面形式和断面尺寸；e 支护的强度和刚度便于调整，便于后期补强；f 工程造价相对比较便宜。(1) 喷射混凝土喷射混凝土时借助喷射机械，利用压缩空气或其它动力，将按照一定配合比的拌合料通过管道输送并高速喷射到受碰面上，凝结硬化而成的一种混凝土。喷射混凝土在高速喷射时(速度可达到70m/s)，水泥

24、和集料反复连续撞击而使混凝土密实，故可采用较小的水灰比0.40.5，以获得较高的强度和良好的耐久性。特别是与受喷面之间具有一定的粘结强度，可以在结合面上传递拉应力和剪应力。对于任何形状的受碰面都可以良好的结合，不留空隙。喷射混凝土拌合料中加入速凝剂后，可使水泥在10min内终凝，并很快获得强度，承受外界荷载，约束周围土体变形。喷射混凝土由于加水的方式和位置的不同，从工艺上可以分为干喷法和湿喷法两类。喷射混凝土的工艺流程，见图5-8。图5-8中的湿法(1)系指混凝土输送泵或输送灌输送的湿喷混凝土工艺；湿喷(2)系指大部分风送的湿喷工艺。喷射混凝土的原材料为：水泥、砂石料、外加剂和水。水泥品种和标

25、号的选择应满足工程使用要求，加入外加剂时，还应该考虑水泥品种与外加剂的相融性。喷射混凝土应优先选用标号不低于P.O.32.5号硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，因为这两种水泥的C3S和C3A含量较高，同速凝剂的相融性较好，能速凝和早强。喷射混凝土所用的砂以中粗砂为宜，细度模数大于2.5，一般砂子颗粒级配应满足表5.5的要求。砂子过细，会加大干缩；砂子过粗，则会增加回弹量。喷射混凝土的粗骨料，采用卵石或碎石均可。尽管喷射机的性能可喷20mm粒径的集料，但是为了减少回弹，集料的最大粒径以不超过20mm为宜。目前不少工程，最大粒径控制在15mm以内，目的也是为了减少回弹量。粗细骨料的级配应应符合表5.6的

26、限度。集料配比对拌合料的可泵性、通过管道的流动性、在喷嘴处的水化程度，对受喷面的粘附力与最终喷射混凝土的强度都有重要影响。表5.5 细集料的级配限度筛孔尺寸（mm）通过百分数（重量）筛孔尺寸（mm）通过百分数（重量）101000.625605951000.310302.5801000.152101.25085/表5.6 石子级配限度筛孔尺寸（mm）通过的重量百分比级配 1级配 220.0/10015.01009010010.08510040705.010300152.5010051.205/喷射混凝土主要使用的外加剂是速凝剂，除此之外还有早强剂、引气剂、减水剂、增粘剂、防水剂等，各种外加剂都有

27、各自的功能，使用前必须经过试验，了解其相互间的相融性、最佳配比与实际效果。速凝剂的主要作用是使喷射混凝土速凝、快硬，减少回弹损失，防止混凝土因重力作用引起的脱落，提高它在潮湿或渗水地层中使用的适应性，还可以适当增加一次喷射的厚度和缩短喷射层间的间隔时间。速凝剂一般常用的为粉状，最近也研制出了用于湿喷混凝土的液态速凝剂。确认某种速凝剂适用于某种水泥时，应符合下列条件：初凝时间不大于3 min；终凝时间不大于12 min；8 h后的抗压强度不应小于0.3MPa；28d后的抗压强度不应低于不掺速凝剂混凝土抗压强度的70。影响速凝剂使用效果的主要因素：水泥品种。例如：红星1型速凝剂对普通硅酸盐水泥，当

28、掺量为2.5%4.0%时，初凝为1min3 min；终凝为2 min10 min，能满足喷射要求。但对矿渣硅酸盐水泥的效果较差，当掺量为4时，终凝超过10 min 。速凝剂掺量。对于普通硅酸盐水泥，红星1型速凝剂的最佳掺量是2.54，当超过4时，凝结时间反而增长。见表5.7。表5.7 速凝剂掺量对速凝效果的影响水灰比(c/w)室温(C)湿度（）凝结时间初 凝终 凝00.42326754 h 51 min6 h 53 min20.42326751 min 18s7 min 12s40.42326752 min 12s3 min 9s60.42326752 min 11s5 min s80.423

29、26752 min 54s8 min s注：1.速凝剂为红星1型 2.水泥为唐山P.O.32.5号普通硅酸盐水泥。掺入方式；干拌。水灰比。水灰比愈大，速凝效果愈差，见表5.8。表5.8 水灰比对水泥速凝效果的影响速凝剂型号速凝剂掺量（）水灰比终凝时间初 凝终 凝红星1型2.50.301 min 20s2 min 17s红星1型2.50.351 min 50s2 min 45s红星1型2.50.402 min 30s4 min 10s红星1型2.50.452 min 52s5 min 0s红星1型2.50.504 min 32s7 min 20s表5.9 温度对水泥速凝效果的影响速凝剂型号速凝剂掺量（）施工温度(C)终凝时间初 凝终 凝红星1型3251 min 24s2 min 37s红星1型3202 min 30s3 min 45s红星1型3142 min 4s3 min 46s红星1型3102 min 30s4 min 0s红星1型34