新奥法施工与地下工程施工技术

新奥法施工
新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是ew Austria Tu elling Method 简称ATM , 新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹(L. V. RABCEW ICZ) 教授于50 年代提出的，它是以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础, 将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法，经过一些国家的许多实践和理论研究，于60年代取得专利权并正式命名。

之后这个方法在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速发展，已成为现代隧道工程新技术标志之一.六十年代NATM 被介绍到我国，七十年代末八十年代初得到迅速发展.至今，可以说在所有重点难点的地下工程中都离不开NATM。

新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法.
2.4。

1、新奥法施工特点
一、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.
二、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.
三、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。

四、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。

4.2、新奥法理论要点及施工要点
一、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.
二、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。

三、允许围岩有一定量的变形，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.
2.4。

3、新奥法的主要支护手段与施工顺序
新奥法是以喷射混凝土、锚杆支护为主要支护手段，因锚杆喷射混凝土支护能够形成柔性薄层,与围岩紧密粘结的可缩性支护结构，允许围岩有一定的协调变形，而不使支护结构承受过大的压力。

施工顺序可以概括为：开挖→一次支护→二次支护.
一、开挖
开挖作业的内容依次包括：钻孔、装药、爆破、通风、出渣等。

开挖作业与一次支护作业同时交叉进行,为保护围岩的自身支撑能力，第一次支护工作应尽快进行。

为了冲分利用围岩的自身支撑能力开挖应采用灌面爆破（控制爆破）或机械开挖，并尽量采用全断面开挖，地质条件较差时可以采用分块多次开挖。

一次开挖长度应根据岩质条件和开挖方式确定。

岩质条件好时,长度可大一些,岩质条件差时长度可小一些，在同等岩质条件下，分块多次开挖长度可大一些，全断面开挖长度就要小一些。

一般在中硬岩中长度约为2—2。

5米，在膨胀性地层中大约为0.8-1。

米。

二、第一次支护作业包括：一次喷射混凝土、打锚杆、联网、立钢拱架、复喷混凝土
在巷道开挖后，应尽快地喷一层薄层混凝土（3-5mm）,为争取时间在较松散的围岩掘进中第一次支护作业是在开挖的渣堆上进行的，待把未被渣堆覆盖的开挖面的一次喷射混凝土完成后再出渣。

按一定系统布置锚杆,加固深度围岩,在围岩内形成承载拱，由喷层、锚杆及岩面承载拱构成外拱，起临时支护作用，同时又是永久支护的一部分。

复喷后应达到设计厚度（一般为10-15mm）,并要求将锚杆、金属网、钢拱架等覆裹在喷射混凝土内。

完成第一次支护的时间非常重要,一般情况应在开挖后围岩自稳时间的二分之一时间内完成。

目前的施工经验是松散围岩应在爆破后三小时内完成，主要由施工条件决定。

在地质条件非常差的破碎带或膨胀性地层(如风华花岗岩）中开挖巷道,为了延长围岩的自稳时间，为了给一次支护争取时间，安全的作业,需要在开挖工作面的前方围岩进行超前支护
（预支护)，然后再开挖。

在安装锚杆的同时，在围岩和支护中埋设仪器或测点，进行围岩位移和应力的现场测量：依据测量得到的信息来了解围岩的动态，以及支护抗力与围岩的相适应程度。

一次支护后，在围岩变形趋于稳定时，进行第二次支护和封底,即永久性的支护（或是补喷射混凝土，或是浇注混凝土内拱）,起到提高安全度和整个支护承载能力增强的作用，而此支护时机可以由监测结果得到.
对于底板不稳，底鼓变形严重，必然牵动侧墙及顶部支护不稳，所以应尽快封底，形成封闭式的支护，以谋求围岩的稳定.
2。

4。

4、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；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；
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。

4.5、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。

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。

不可否认，新奥法也存在不少缺点,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。

除此之外隧道掘进还有盾构法、明挖法和沉管法施工技术.
盾构是一种钢制活动防护装置或支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市中心区修建隧道的一种机械。

在他的掩护下,头部可以安全的开挖地层，尾部可迅速地拼装隧道永久衬砌，并将衬砌与土层之间的空隙压浆填实。

盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤
顶，如此不断开挖不断拼装，并不断推进,借助盾构这种施工机械可用较快的速度完成隧道施工作业循环,直至隧道建成。

盾构的种类按其结构特点和开挖方式可分为：
①手掘式盾构：有敞开式、正面支撑式和棚式,此类盾构辅以气压法或降水法等疏干地层的措施并使用必要的正面支撑后，可适用于各种地层中，特别是地下障碍较多的地层；在精心施工的条件下，亦可将地表变形控制到中等或较小的程度。

②挤压式盾构：有全挤压、局部挤压、网格等形式。

仅适用于软弱黏性土层，适用范围较狭窄,在挤压推进时,对地层土体扰动较大,地面产生较大的隆起变化,所以在地面有建筑物的地区不宜使用，只能用在空旷的地区或江河底下、海滩处等区域.
③半机械式盾构：包括正、反铲、螺旋切削、软岩掘进机等，适用范围基本和手掘式一样,可减轻劳动强度。

④机械式盾构：有开胸的大刀盘切削、闭胸式的局部气压、泥水加压、土压平衡等形式，当土质好，能自立，或采用辅助措施后自立时，则可用开胸式机械盾构，如地层土质差，应采用闭胸机械式盾构。

土压平衡盾构推进过程中依靠开挖面切削面板的临时挡土效果、充满于密封仓内的切削土土压，以及螺旋输送机排土机构的综合作用，保证削土土压，以及螺旋输送机排土机构的综合作用,保持开挖面的稳定状态。

泥水加压盾构在开挖面和泥水室内充满加压的泥水,通过加压作用和压力保持机构，保证开挖面土体的稳定。

明挖法又称为基坑法。

它是按照隧道的宽度和高度，包括必要地施工操作余量，从地面开挖出一个基坑,并在其中修筑钢筋混泥土箱涵，做外放水，再进行回填的方法.
沉管法修建隧道首先是在隧址以外的预制现场制作隧道管道,管道两端用临时封墙密封，待达到设计强度后拖运到隧址位置，沉放管段到已预先进行了沟槽浚挖的设计位置上,然后进行管段水下连接，处理管段接头及基础，覆土填回，以完成隧道构筑的全部工作。

这种方法也称为预制管段沉放法.
第三部分地基基础工程
第一节地基基础概论
基础是建筑物和地基之间的连接体。

基础把建筑物竖向体系传来的荷载传给地基.从平面上可见，竖向结构体系将荷载集中于点,或分布成线形，但作为最终支承机构的地基,提供的是一种分布的承载能力.如果地基的承载能力足够，则基础的分布方式可与竖向结构的分布方式相同.但有时由于土或荷载的条件，需要采用满铺的伐形基础。

伐形基础有扩大地基接触面的优点，但与独立基础相比，它的造价通常要高的多，因此只在必要时才使用。

不论哪一种情况，基础的概念都是把集中荷载分散到地基上，使荷载不超过地基的长期承载力。

因此，分散的程度与地基的承载能力成反比.有时，柱子可以直接支承在下面的方形基础上，墙则支承在沿墙长度方向布置的条形基础上.当建筑物只有几层高时，只需要把墙下的条形基础和柱下的方形基础结合使用，就常常足以把荷载传给地基。

这些单独基础可用基础梁连接起来,以加强基础抵抗地震的能力。

只是在地基非常软弱，或者建筑物比较高的情况下，才需要采用伐形基础。

多数建筑物的竖向结构，墙、柱都可以用各自的基础分别支承在地基上。

中等地基条件可以要求增设拱式或预应力梁式的基础连接构件，这样可以比独立基础更均匀地分布荷载.
关于基础我们实习的地点是河南理工大学教师公寓楼的粉喷桩和龙泽小区的高压旋喷装。

两个地方都属于地基处理。

由于焦作市的地下水丰富，地基属于软地基，所以要进行地基处理即粉喷桩处理.
一、粉喷桩处理方法
粉喷桩的桩径一般为50cm,设计的桩长宜穿透软土层并达到持力层内50cm.桩距与地基的稳定和沉降量有关,最小桩距宜为1。

1～1。

2m，桩位在平面上呈正三角形(梅花形）或矩形布置.
为改善基础底面的受力条件,粉喷桩处理段基础下宜铺设30cm左右石灰土或沙石垫层(掺灰量以8％为宜）.
湿喷桩也是深层搅拌法的一种,是近几年用于加固软粘土地基的一种新兴常用方法，它是利用水泥作为固化剂的主剂,通过特制的深层搅拌机械,在地基深处就地将软土和水泥浆强制搅拌,利用水泥和软土产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质复合地基。

湿喷桩加固软土地基实际上就是水泥加固土的过程,即采用机械深层搅拌软土与水泥浆进而发生的一系列物理化学反应形成复合地基的过程。

湿喷桩施工是首先将水泥拌和成水泥浆，水泥中各种钙质矿物和水完成部分水解和水化反应后，再和软土中的水继续进行水解和水化反应，生成钙质化合物，这是形成复合地基强度的主导因素。

当水泥中的各种水化物生成后，一部分自身继续硬化，形成水泥骨架；另一部分则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。

粘土中的化合物表面带有各种离子,它们和水泥水化生成的钙离子进行当量吸附交换,从而提高土体强度;又由于软土本身具有胶凝性，再和水泥水化作用形成的凝胶粒子结合起来，形成水泥土坚固联结的团粒结构，使水泥土的强度大大提高。

随水泥水化作用生成的钙离子超出交换所用的数量时，这部分钙离子就与组成粘土的化合物反应，生成许多不溶于水的结晶化合物并逐渐硬化，同样大大的增强了水泥土的强度和水稳性。

从上述水泥加固土的原理可以看出，使水泥土保持足够的强度，一要有相应数量的水泥，二是必须使水泥与土充分接触，即用机械充分拌和水泥和土.这为湿喷桩施工指明了控制要点.
二、高压喷射灌浆法
龙泽小区是高层建筑，本来是准备采用桩基础，但是考虑到经济和地质原因，经过论证可以采用地基处理方法即高压喷射灌浆法。

高压喷射法就是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后,用高压泥浆泵，通过安装在钻杆(喷杆）杆端置于孔底的特殊喷嘴，向周围土体高压喷射固化浆液（一般使用水泥浆液）,同时钻杆（喷杆）以一定的速度边旋转边提升，高压射流使一定范围内的土体结构破坏,并强制与固化浆液混合，凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体.
固结体的形状和喷射流的移动方向有关。

一般分为旋转喷射（简称旋喷)，定向喷射（简称定喷）和摆动喷射（简称摆喷)。

旋喷桩主要用于加固地基,提高地基的抗剪强度,改善地基土的变形性能，使其在上部结构荷载作用下，不至破坏或产生过大的变形。

定喷固结体呈壁状，摆喷形成厚度较大的扇状固结体。

定喷和摆喷通常用于地基防渗,改善地基土的水力条件及边坡稳定等工程。

（一）加固机理
高喷法如三管高喷法用压缩空气包裹高压喷射水流冲击破坏搅动土体，同时用低压灌浆泵灌入浆液,浆液被高压水、气射流卷吸带入，同时与被搅动土体混合形成固结体。

加固地基，形成桩、板、墙的机理可用五种作用来说明:
1.高压喷射流切割破坏土体作用喷流动压以脉冲形式冲击土体，使土体结构破坏出现空洞。

2.混合搅拌作用钻杆在旋转和提升的过程中，在射流后面形成空隙,在喷射压力作用下，迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向(即阻力小的方向)移动，与浆液搅拌混合后形成固结体.
3.置换作用三重管高喷法又称置换法，高速水射流切割土体的同时，由于通入压缩空气而把一部分切割下的土粒排出灌浆孔，土粒排出后所空下的体积由灌入的浆液补入。

4。

充填、渗透固结作用高压浆液充填冲开的和原有的土体空隙，析水固结，还可渗入一定厚度的砂层而形成固结体。

5。

压密作用高压喷射流在切割破碎土体的过程中,在破碎带边缘还有剩余压力，这种压力对土层可产生一定的压密作用，使高喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分.
(二）基本种类
按喷射介质及其管路多少可分为单管法、二管法、三管法等。

1.单管旋喷法通过单根管路,利用高压浆液(20～30MPa），喷射冲切破坏土体，成桩直径为40～50cm。

其加固质量好，施工速度快和成本低，但固结体直径较小。

2。

二管旋喷法在单管法的基础上又加以压缩空气，并使用双通道的二重灌浆管.在管的底部侧面有一个同轴双重喷嘴，高压浆液以20MPa左右的压力从内喷嘴中高速喷出，在射流的外围加以0.7MPa左右的压缩空气喷出。

在土体中形成直径明显增加的柱状固结体,达80～150cm。

3。

三管旋喷法使用分别输送水、气、浆三种介质的三重灌浆管。

高压水射流和外围环绕的气流同轴喷射冲切破坏土体,在高压水射流的喷嘴周围加上圆筒状的空气射流，进行水、气同轴喷射，可以减少水射流与周围介质的摩擦，避免水射流过早雾化,增强水射流的切割能力。

喷嘴边旋转喷射，边提升，在地基中形成较大的负压区，携带同时压入的浆液充填空隙，就会在地基中形成直径较大、强度较高的固结体,起到加固地基的作用.
三、其它地基处理方法
常用的地基处理方法有：换填垫层法、强夯法、砂石桩法、振冲法、水泥土搅拌法、高压喷射注浆法、预压法、夯实水泥土桩法、水泥粉煤灰碎石桩法、石灰桩法、灰土挤密桩法和土挤密桩法、柱锤冲扩桩法、单液硅化法和碱液法等。

（一)、置换法
(1)换填法
就是将表层不良地基土挖除，然后回填有较好压密特性的土进行压实或夯实,形成良好的持力层。

从而改变地基的承载力特性，提高抗变形和稳定能力。

施工要点：将要转换的土层挖尽、注意坑边稳定;保证填料的质量；填料应分层夯实。

（2)振冲置换法
利用专门的振冲机具，在高压水射流下边振边冲，在地基中成孔，再在孔中分批填入碎石或卵石等粗粒料形成桩体。

该桩体与原地基土组成复合地基,达到提高地基承载力减小压缩性的目的。

施工注意事项：碎石桩的承载力和沉降量很大程度取决于原地基土对其的侧向约束作用,该约束作用越弱,碎石桩的作用效果越差，因而该方法用于强度很低的软粘土地基时必须慎重行事。

(3）夯(挤）置换法
利用沉管或夯锤的办法将管(锤)置入土中，使土体向侧边挤开，并在管内(或夯坑）放人碎石或砂等填料.该桩体与原地基土组成复合地基,由于挤、夯使土体侧向挤压，地面隆起，土体超静孔隙水压力提高，当超静孔隙水压力消散后土体强度也有相应的提高.
施工注意事项：当填料为透水性好的砂及碎石料时，是良好的竖向排水通道。

（二）、预压法
（1）堆载预压法
在建造建筑物之前，用临时堆载(砂石料、土料、其他建筑材料、货物等)的方法对地基施加荷载，给予一定的预压期。

使地基预先压缩完成大部分沉降并使地基承载力得到提高后,卸除荷载再建造建筑物。