新奥法隧道结构设计 隧道工程(4) 结构构造设计
新奥法原理及施工要点
新奥法原理及施工要点摘要：新奥法原理修建隧道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。
本文介绍了新奥法原理及其施工要点。
关键词：隧道新奥法施工Abstract: the new Austrian law principle to build a tunnel has become a main construction method. Particularly in the construction site is restricted, complicated geological conditions, and underground structure form complex of New Orleans with construction method is particularly important. This paper introduces the new Austrian law principle and key points of construction.Key words: New Orleans tunnel construction method一、隧道设计施工的两大理论（1）松弛荷载理论其核心内容是：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载：不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支撑。
这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。
这是一种传统的理论。
（2）岩承理论其核心内容是：围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力：不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能够进入稳定状态。
由以上可以看出，前一种理论更注意结果和对结果的处理：而后一种理论则更注意过程和对过程的控制，即对围岩自承能力的充分利用。
由于有此区别，因而两种理论体系在过程和方法上各自表现出不同的特点。
第2章岩体隧道钻爆法施工技术(矿山法、新奥法)
（2）台阶开挖法
将设计断面分上半部断面和下半部断面两次开挖成 型；或采用上弧形导坑超前开挖和中核开挖及下部开挖 （即台阶分部开挖法）。
台阶开挖法特点：
（1）有利于开挖面的稳定，尤其是上部开挖支护后，下部 断面作业就较为安全；
（2）具有较大的工作空间和较快的施工速度，但上下部作 业有相互干扰影响；
（4）在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体 系的作用，保证隧道的稳定；
（5）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，围岩与支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安 全度；
（6）尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中； （7）通过施工中对围岩和支护结构的动态观察、量测，合理安排施
爆破附加知识：
• 地基加固 • 核武器当量 • 广岛原子弹
爆破作用指数
• 爆破作用指数（英译：index of blasting action），它是爆破漏斗半径r和最小抵抗 线W的比值，以n表示，可以用下式表示：
•
n=r/w
• 自由面——被爆破的岩石与空气接触的面 叫做自由面，又叫临空面。自由面在工程 爆破中起着非常重要的作用，有了自由面 ，爆破后的岩石才能向这个面破坏和移动 。在工程爆破中为了控制爆破作用人们常 常在爆破附近人为地创造自由面。在长期 爆破实践中人们总结下一条简单的经验， 即自由面多，爆破效果好。
锚杆
• 锚杆，英文“Bolt”；“bolting（准确称 谓）”；“anchor（早期称谓）”是当代 煤矿当中巷道支护的最基本的组成部分， 他将巷道的围岩加固在一起，使围岩自身 支护自身。现在锚杆不仅用于矿山，也用 于工程技术中，对边坡，隧道，坝体进行 主体加固。
新奥法施工程序流程:
隧道工程新奥法和新意法
2.2 围岩与支护结构平衡状态的建立
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目录
1 新奥法的基本概率 2 隧道施工过程的力学分析 3 新意法的基本理论 4 新意法设计施工的主要程序 5 新奥法和新意法的对比
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3 新意法的基本理论 本节主要内容： ➢新意法的基本原理 ➢新意法的基本术语 ➢地层变形反应的三个阶段
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3 新意法的基本理论
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1.3 新奥法原理的要点
7.进行有效的监控量测
在施工过程中，对隧道周边进行位移收敛量测是必不可
少的一个重要环节，以此作为合理选择支护结构的形式与尺 寸和指导下一阶段施工的依据。
8.通过“排堵措施”解决衬砌渗水
对外层衬砌周围岩体的渗水，要通过足够的“排堵措施” 予以解决，如在两层衬砌之间设置中间防成柔性的
以便与围岩紧密接触，共同变形和共同承载。因此，初 期支护大多采用喷射混凝土、锚杆和钢筋网的联合支护形式。 这种衬砌在力学上被视为易变形的壳体结构；
6.要尽可能使结构做得圆顺
隧道的几何形状必须满足在静力学上作为圆筒结构的计 算条件,因此,要尽可能使结构做得园顺(如做成圆形或椭圆 形的)，不产生突出的拐角，以避免产生应力集中现象。同 时,尽早时结构闭合(封底)，以形成承载环；
2 地层变形反应的控制方式不同
新奥法采用锚杆、喷射混凝土、钢拱架、施作仰拱等手段， 仅对掌子面后方的隧道施加约束；
新意法不仅要求隧道的支护措施要与掌子面保持适当距离， 不能落后掌子面太远，以对隧道提供连续的约束作用，而且要 求对超前核心土采取适当的防护和加固措施，提高其强度和变 形特性，以对隧道提供超前约束作用。对掌子面及掌子面前方 地层的变形反应进行分析，如图所示：
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2.1 围岩稳定性判据
新奥法施工原理及方法
湿喷
将原材料湿拌均匀后装入喷射机,用液态的速凝剂借压缩空气通过另设的管道喷 出，在喷枪后部与湿料混合。为了减轻操作喷枪的劳动强度和改善工作条件， 已有用于大、中、小断面的各种类型喷射混凝土机械手。
（六）二次数，开挖后及时采用柔性支护，在尽量控 制围岩变形、积极发挥围岩自承能力的同时，依靠 现场量测来指导隧道的设计和施工。
传统矿山法把围岩看做荷载的来源，其围岩 压力全部由支护结构承担，围岩被视作松散 结构，无自承能力。采用大量的钢木支撑， 采用刚度较大的单层衬砌。
原则： 希望初期支护尽快闭合。 围岩不好时，应以条件⑴为主； 围岩较好时，应以条件⑵为主。
4. 施工工序
⑴ 长台阶法 台阶长度L≥5B，B为洞室的宽度。
甚至可以上台阶先贯通，即为“半断面法”。 特点：进度快，仅次于全断面法。 适用于：Ⅲ～Ⅰ级围岩。
(2) 短台阶法 台阶缩短： （1～1.5）B≤ L＜5B, 特点： ① 支护闭合时间加快，围岩稳定性增加； ② 台阶缩短加大了对下台阶施工的干扰。 适用于：Ⅴ、Ⅳ级围岩
超挖
侧卸式装载机
挖掘机＆自卸车
出渣是隧道作业的基本作业之一。出渣作业能力的强 弱，决定了它在整个作业循环中所占时间的长短（一般 在40％～60％），因此，出渣运输作业能力的强弱在 很大程度上影响施工速度。
在选择出渣方式时，应对隧道或开挖坑道断面的大小、 围岩的地质条件、一次开挖量、机械配套能力、经济性 及工期要求等相关因素综合考虑。
台阶法
1. 特点 将断面从上至下分成2个或3个台阶开挖； 随着台阶长度的调整，它几乎可以用于所有的地层，
因而是在现场使用的主导方法。 2.种类 长台阶法 短台阶法 超短台阶法
3. 选择台阶长度的条件 (1) 初期支护闭合环的时间要求
隧道工程新奥法施工方法(6种)详解
6种方法——隧道开挖及出碴运输隧道施工作者：北雪编辑来源: 中国铁路网更新时间：2009-10-19(一) 全断面法1 施工工艺全断面开挖法是按设计断面将隧道一次开挖成型，再施作做衬砌的施工方法。
其施工流程可参照图1。
图1 全断面法开挖施工流程图2 施工要点（１）施工时应配备钻孔台车或台架及高效率装运机械设备，以尽量缩短循环时间，各道工序应尽可能平行交叉作业，提高施工进度；（２）使用钻孔台车宜采用深孔钻爆，以提高开挖进尺；（３）初期支护应严格按照设计及时施做。
（４）为控制超欠挖，提高爆破效果，有条件时可采用导洞超前的方法进行全断面开挖。
专业资料（二）台阶法1 施工工艺上下台台阶开挖法是将隧道设计断面分两次或三次开挖，其中上台阶超前一定距离后，。
2阶同时并进的施工方法。
其施工流程可参照图、3图2 台阶法开挖断面示意图专业资料图3 台阶法开挖施工流程图2 施工要点：（１）根据围岩条件，合理确定台阶长度，一般应不超过1倍洞径，以确保开挖、支护质量及施工安全；（２）台阶高度应根据地质情况、隧道断面大小和施工机械设备情况确定。
（３）上台阶施作钢架时，应采用扩大拱脚或施作锁脚锚杆等措施，控制围岩和初期支护变形；（４）下台阶应在上台阶喷射混凝土达到设计强度70%以上时开挖。
当岩体不稳定时，应采用缩短进尺，必要时上下台阶可分左、右两部错开开挖，并及时施做初期支护和仰拱。
（５）施工中应解决好上下台阶的施工干扰问题，下部施工应减少对上部围岩、支护的扰动。
（６）上台阶开挖超前一个循环后，上下台阶可同时开挖。
（三）环形开挖预留核心土法1 施工工艺：环形开挖预留核心土法是在上部断面以弧形导坑领先，其次开挖下半部两侧，再开挖中部核心土的方法，其施工流程可参照图4、5。
2 施工要点：（１）环形开挖每循环长度宜为0.5～1m；（２）开挖后应及时施作喷锚支护、安装钢架支撑或格栅支撑，每两榀钢架之间应采用钢筋连接，并应加锁脚锚杆，全断面初期支护完成距拱部开挖面不宜超过30m；（３）预留核心土面积的大小应满足开挖面稳定的要求；（４）当地质条件差，围岩自稳时间较短时，开挖前应在拱部设计开挖轮廓线以外，进行超前支护；（５）上部弧形，左、右侧墙部，中部核心土开挖各错开3～5m进行平行作业。
隧道工程新奥法施工方法(6种)详解
隧道施工6种方法——隧道开挖及出碴运输作者：北雪编辑来源: 中国铁路网更新时间：2009-10-19(一) 全断面法1 施工工艺全断面开挖法是按设计断面将隧道一次开挖成型，再施作做衬砌的施工方法。
其施工流程可参照图1。
图1 全断面法开挖施工流程图2 施工要点（１）施工时应配备钻孔台车或台架及高效率装运机械设备，以尽量缩短循环时间，各道工序应尽可能平行交叉作业，提高施工进度；（２）使用钻孔台车宜采用深孔钻爆，以提高开挖进尺；（３）初期支护应严格按照设计及时施做。
（４）为控制超欠挖，提高爆破效果，有条件时可采用导洞超前的方法进行全断面开挖。
（二）台阶法1 施工工艺台阶开挖法是将隧道设计断面分两次或三次开挖，其中上台阶超前一定距离后，上下台阶同时并进的施工方法。
其施工流程可参照图2、3。
图2 台阶法开挖断面示意图图3 台阶法开挖施工流程图2 施工要点：（１）根据围岩条件，合理确定台阶长度，一般应不超过1倍洞径，以确保开挖、支护质量及施工安全；（２）台阶高度应根据地质情况、隧道断面大小和施工机械设备情况确定。
（３）上台阶施作钢架时，应采用扩大拱脚或施作锁脚锚杆等措施，控制围岩和初期支护变形；（４）下台阶应在上台阶喷射混凝土达到设计强度70%以上时开挖。
当岩体不稳定时，应采用缩短进尺，必要时上下台阶可分左、右两部错开开挖，并及时施做初期支护和仰拱。
（５）施工中应解决好上下台阶的施工干扰问题，下部施工应减少对上部围岩、支护的扰动。
（６）上台阶开挖超前一个循环后，上下台阶可同时开挖。
（三）环形开挖预留核心土法1 施工工艺：环形开挖预留核心土法是在上部断面以弧形导坑领先，其次开挖下半部两侧，再开挖中部核心土的方法，其施工流程可参照图4、5。
2 施工要点：（１）环形开挖每循环长度宜为0.5～1m；（２）开挖后应及时施作喷锚支护、安装钢架支撑或格栅支撑，每两榀钢架之间应采用钢筋连接，并应加锁脚锚杆，全断面初期支护完成距拱部开挖面不宜超过30m；（３）预留核心土面积的大小应满足开挖面稳定的要求；（４）当地质条件差，围岩自稳时间较短时，开挖前应在拱部设计开挖轮廓线以外，进行超前支护；（５）上部弧形，左、右侧墙部，中部核心土开挖各错开3～5m进行平行作业。
隧道考题
监理培训考核隧道试题一、单项选择题（计30个题，每题的4个备选项中，只有1个最符合题意，多选不得分）。
1、按照新奥法的观点，围岩和支护系统是统一的承载结构体系，其中：（3 ）是主要的承载单元。
（1）喷射砼（2）二次衬砌（3）岩体（4）钢架2、喷锚结构承受荷载的性质，在于承受（4 ）。
（1）围岩垂直压力（2）围岩水平压力（3）围岩松弛压力（4）围岩变形压力3、对于软弱围岩中的深埋隧道，围岩中有较大量级的初始地应力，开挖后会发生显著变形，应施作（1 ）的初期支护。
（1）有柔性和韧性（2）足够刚度（3）以刚为主（4）以柔为主4、在施工阶段，对于掌子面前方围岩条件，应通过（1 ）事先查明，以确保开挖安全。
（1）超前地质预测预报（2）设计文件（3）以往经验（4）现场感性判断5、有鉴于隧道工程施工的风险性，从安全管理角度上讲，在施工过程中，对施工、监理单位现场管理人员的（2 ）要求甚高。
（1）质量检验能力（2）应变能力（现场施工经验）（3）旁站监控能力（4）理论功底6、超前小导管外插角一般控制在（4 ）为宜。
（1）20～25º（2）0～5º（3）30～35º（4）10～15º7、全断面开挖法一般适用于双线隧道地质条件较好的（2 ）围岩地段。
（1）Ⅲ级（2）Ⅰ～Ⅱ级（3）Ⅱ～Ⅲ级（4）Ⅳ级8、隧道仰拱及填充超前二次衬砌且分别全幅浇筑，在软弱围岩地段，Ⅳ级围岩仰拱距掌子面距离应控制在（3 ）以内。
（1）50m （2）90m （3）35m （4）70m9、在Ⅴ级围岩地段，采用环挖法开挖时，上台阶应（1 ）开挖，开挖后及时施作喷锚支护、安装钢架支撑。
（1）逐榀（2）不超过2榀（3）不超过3榀（4）不超过4榀10、采用环挖法开挖时，上部弧形，左、右侧墙部，中部核心土开挖各错开（3 ）进行平行作业。
（1）5～10m （2）10～15m （3）3～5m （4）20m11、锚杆施作时，应按设计要求定出位置，锚杆孔位允许偏差不大于（3 ）。
隧道工程复习题
隧道工程复习题隧道工程复习思考题填空题：1.我国现行公路（铁路）隧道围岩分类的依据：结构特征和完整状态为表征的围岩稳定性2.新奥法运用锚喷作为初期支护的理论依据：充分发挥与加强围岩的自承效能3.洞口地质一般不稳定，选定洞门位置（确定隧道长度）的原则早进晚出4. 拱形明洞的主要形式有：路堑对称型，路堑偏压型，半路堑偏压型，半路堑单压型判断题：1、影响喷射混凝土强度的因素是原材料的质量，而与喷射施工作业质量无关。
（╳）2、为使坑道轮廓平整、减少超欠挖、降低围岩的扰动以及锚喷支护的需要，可采用光面爆破和预裂爆破技术。
（√）3、施工准备阶段，应积极抓紧创造隧道开工的条件，临时工程施工可在开工令下达后再着手进行。
（╳）4、汽车专用公路隧道防排水工程质量要求达到拱部、墙部、路面、设备箱洞、车行与人行横道均不渗水（√）5、隧道衬砌外观鉴定要求混凝土表面密实，任一延米面积内蜂窝麻面面积不超过5%，深度不超过20mm（╳）6、无论哪类围岩选择支护方式时，应优先采用构件支撑作为坑道开挖的初期（临时）支护（╳）7、由于锚喷支护具有主动加固围岩、可及时施工和比较经济等特点，故广为应用。
但使用也是有一定条件的，当围岩自持能力差、有涌水及大面积淋水地段及地层特别松软处，就很难成型。
（√）8、洞口各项工程相互关联，故应全面考虑、妥善安排、减少干扰，进洞前尽快完成，以便为洞身施工创造条件。
（√）9、导坑爆破开挖时，炮眼起爆顺序为：掏槽眼—-顶眼—-侧邦眼---底眼---辅助眼。
( ╳ )10、洞内施工的特点是空间有限、工作面狭窄、光线暗、空气污浊、潮湿、噪声大，故要有良好的照明与通风条件，落实安全措施，精心组织各项作业。
同时还必须关注工人的劳动保护。
（√）11.判别深埋与浅埋隧道的分界,可按荷载等效高度值,并结合地质条件、施工方法等因素综合判定（√）12.隧道现场监控量测,包括隧道施工阶段与营运阶段控制测量和监控测量。
(√ )13.隧道遇到溶洞处理措施,分别以引、堵、越、绕等措施进行处理。
新 奥 法
新奥法
图1-2 新奥法的施工程序
新奥法
1.4 新奥法施工的基本原则
（1）少扰动。 （2）早喷锚。 （3）勤量测。 （4）紧封闭。
隧道施工技术
新奥法
在我国新奥法是20世纪70年代末开始被人们 了解和接受的，并得到了迅速推广。通过科研、 设计、施工相结合，根据我国的特点成功应用了 新奥法，并取得了较多的经验，积累了大量的数 据，新奥法在我国现已进入普遍推广使用阶段。 目前，新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修建 隧道的一种基本方法，技术效益显著。
新奥法
（7）隧道开挖后应及时闭合隧道断面，在破碎和软弱围 岩中需及时建造仰拱，以形成封闭结构。
（8）对整体结构系统的稳定性、安全度评价和设计结构 需要加强的必要性及设计结构刚度的减小，均应根据建造过程 中的应力及变形状态的测量结果来确定。
（9）控制外源水压和静水压力的手段是通过在外壳（必 要时也在内壳）上设置软管及足够的密封排水装置来实现。
新奥法
（4）初期支护的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，防止围岩严重的松弛和卸 载。应及时进行初期支护，延时支护可能使围岩在开挖后形成 有害变形，造成围岩局部破坏，不利于形成承力保护区。
❖ （5）围岩的自稳时间，一方面通过对围岩地质条件的初步 调查来评定，另一方面可通过在建造过程中量测隧道洞周的位 移来评定。 （6）喷射混凝土具有可填平凸凹面、与围岩密贴等特点， 使围岩钢筋网和钢拱架。
隧道施工技术
新奥法
1.1 新奥法的发展过程
新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称。它是以控 制爆破（光面爆破和预裂爆破等）作为开挖方法，以 喷射混凝土、锚杆作为主要支护手段，通过监测控制 围岩的变形，动态修正设计参数和变动施工方法，充 分发挥围岩自承能力的施工方法。新奥法可以概括为 控制爆破、锚喷支护、监控量测三个方面的内容，其 核心是保护岩体，充分发挥围岩的自承能力。
新奥法隧道工程施工方案
一、工程概况本工程为某城市地下隧道工程，隧道全长1000米，埋深10-20米，隧道断面采用圆形，直径为6.5米。
隧道地质条件为软岩，围岩稳定性较差，地下水丰富。
本工程采用新奥法施工技术，以确保工程质量和安全。
二、施工方案1. 施工准备（1）现场勘察：对隧道地质、水文、地形等条件进行全面勘察，为施工提供依据。
（2）编制施工组织设计：根据勘察结果，编制详细的施工组织设计，明确施工流程、施工顺序、施工方法等。
（3）施工人员培训：对施工人员进行新奥法施工技术、安全操作规程等方面的培训。
（4）设备准备：准备必要的施工设备，如钻机、挖掘机、运输车、喷射混凝土机、锚杆机等。
2. 施工流程（1）隧道开挖：采用台阶法进行隧道开挖，先开挖上台阶，再开挖下台阶。
（2）初期支护：在开挖过程中，及时进行初期支护，包括锚杆、喷射混凝土等。
（3）二次衬砌：初期支护完成后，进行二次衬砌，采用现浇混凝土结构。
（4）防水处理：在隧道结构表面设置防水层，防止地下水渗透。
（5）隧道排水：设置排水系统，将地下水排至隧道外。
3. 施工方法（1）隧道开挖：采用台阶法进行隧道开挖，先开挖上台阶，再开挖下台阶。
上台阶开挖长度控制在2-3米，下台阶开挖长度控制在1-2米。
（2）初期支护：在开挖过程中，及时进行初期支护。
锚杆采用φ25mm、L=2.5m的锚杆，间距为1.0m×1.0m。
喷射混凝土厚度为15cm，强度等级为C25。
（3）二次衬砌：二次衬砌采用现浇混凝土结构，厚度为30cm，强度等级为C30。
（4）防水处理：在隧道结构表面设置防水层，采用防水板和防水砂浆进行防水。
（5）隧道排水：设置排水沟和排水泵，将地下水排至隧道外。
4. 施工监控（1）监控量测：对隧道围岩、支护结构、二次衬砌等关键部位进行监控量测，确保施工质量和安全。
（2）施工进度：制定施工进度计划，合理安排施工任务，确保工程按期完成。
（3）质量控制：严格执行质量标准，对施工过程进行全过程质量控制。
新奥法施工隧道工程施工组织设计
第一章综合说明一、编制依据（一)招标文件。
（二）甲方提供的设计任务书及相关基础资料。
（三）中交第一公路勘察设计研究院有限公司的初步设计图纸及相关资料。
（四）核工业江西工程勘察研究总院提供的岩土工程勘察报告以及补充勘察测绘资料。
（五）执行范围：1.防护工程建筑设计规范 GJB7403-2013;2.后方军械仓库设计规范 GJB5151A-2018;3.地下工程防水技术规范 GB50108-2008;4.地下工程渗漏治理技术规程 JGJ/T212-2010；5.国家、军队有关规范和规程。
二、编制原则(一)遵循招标文件条款的原则。
在编制施组文字说明、附图、附表中，严格按照招标文件规定,做到统一标准，规范编制。
（二）遵循设计图纸、施工规范、规程、验收标准的原则，在编写主要项目施工方法中，严格按设计图纸要求，执行现行施工规范、规程及验收标准，确保工程质量。
（三）坚持实事求是的原则.在制定各具体项目实施方案过程中,充分研究、分析本工程的特点、难点，坚持科学组织、合理安排、均衡生产,确保优质高效完成本合同段建设任务。
（四)坚持施工全过程严格管理的原则，在各道工序施工中，认真自检，严格执行监理工程师指令，尊重业主和设计代表意见,严格管理。
（五）坚持推广应用“四新"成果的原则，在施工中积极推广应用新技术、新材料、新工艺、新设备，充分发挥科学技术在施工中的先导作用。
(六）坚持专业化作业与综合管理相结合的原则。
在施工组织安排上，以专业队为基本组成形式，机械化作业为主，充分发挥专业人员和先进优良设备之优势，并采取综合管理手段合理配置，以达到整体优化目的。
（七）实施项目法管理，利用网络技术对生产资源及生产诸要素进行优化配置，保证实现成本、工期、质量、安全及社会信誉等预期目标。
三、编制范围B工程现有建筑面积1506.1平方米，房建32间，设有2个出入口，排烟口1个。
四、工程概况（一）概述本项目位于福建省厦门市。
拟建场地位于抗震设防烈度7度区，设计基本地震加速度为0.15g,本工程建筑抗震设防类别为标准设防类（乙级）。
公路隧道工程新奥法设计与施工技术
1997年正在修建的秦岭隧道(长19.45km), 引进德国WIRTH公司TB880E型隧道掘进机，预计2000年贯通
新奥法的局限
在下列情况下，一般都应采取适当的辅助措施才能施工： ①涌水量大的地层； ②因涌水产生流沙现象的地层； ③围岩破碎使锚杆钻孔和插入都极为困难场合； ④开挖面不能自稳的围岩。
隧道工程术语
喷锚支护lock bolt support with shotcrete——借高压喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用(根据地质情况也可分别单独采用)加固岩层，分为临时性支护结构和永久性支护结构。 围岩偏压non-uniform rock pressure——由于地质构造作用或局部突变的地形以及施工的影响，在洞室衬砌上产生的不对称的岩石法向应力。 岩爆rockburst——在地应力高度集中的岩层中开挖时，围岩应力因突然释放而引起的岩块爆裂向外抛射的现象。
新奥法的基本要点
②预计围岩有较大变形和松弛时，应对开挖面施作保护层，而且应在恰当的时候敷设，过早或过迟均不利。其刚度不能太大或太小，又必须是能与围岩密贴，而要做成薄层柔性，允许有一定变形，以使围岩释放应力时起卸载作用，尽量不使其有弯矩破坏的可能。
新奥法的基本要点
③衬砌需要加强的区段,不是增大混凝土的厚度,而是加钢筋网、钢支撑和锚杆，使隧道全长范围采用大致相同的开挖断面。此外，因为新奥法不在坑道内架设杆件支撑，空间宽敞，从而提高了安全性和作业效率。
新奥法的基本要点
④为正确掌握和评价围岩与支护的时间特性，可在进行室内试验的同时，在现场进行量测。量测内容为衬砌内的应力、围岩与衬砌间的接触应力以及围岩的变位，据以确定围岩的稳定时间、变形速度和围岩分类等最重要的参数，以便适应地质情况的变化，及时变更设计和施工。
隧道结构设计基本原理
（三）隧道工程的两大理论比较
松弛荷载理论
核心内容：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷
载；不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护 结构予以支承。这样，作用在支护结构上的荷载 就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩 体重力。
代表人物：太沙基（K.Terzaghi）和普氏
围岩承载理论
以传统矿山法为基础
核心内容：围岩稳定显然是岩体自身有承载自
②以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，例如以洞周位量测 值为根据的收敛－约束法；
③作用与反作用模型，即荷载—结构模型，例如弹性地基圆环计算和 弹性地基框架计算等计算法；（结构力学模型）
④连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有 限单元法。（岩体力学模型）
地下结构设计计算方法
结构力学方法 岩体力学方法 信息反馈方法 经验方法
稳能力；不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的， 如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围 岩仍然能够进入稳定状态。
代表人物：腊布希维兹、米勒·菲切尔、芬
纳·塔罗勃和卡斯特奈
以新奥法为基础
§5.2 围岩压力
一、围岩压力及其分类 二、影响围岩压力的因素 三、围岩松动压力的形成 四、确定围岩松动压力的方法 五、围岩压力的现场量测简介
对于围岩自身承载能力的认识有又分为两个阶段：
（1）假定弹性反力阶段 （2）弹性地基梁阶段
20世纪初期，假定弹性反力的分布 图形位置线为三角形或梯形 1934年，按结构的变形曲线假定地 层弹性反力的分布图形为月牙形
局部变形弹性地基梁理论
共同变形弹性地基梁理论
3.连续介质阶段
20世纪中期以来，连续介质力学理论
这种计算理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重力， 没有考虑围岩自身的承载能力。
山岭隧道常规施工方法—新奥法基本原理(隧道工程施工课件)
第一节 概述
一、隧道设计施工的两大理论及其发展过程
隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方 法、施工技术和施工管理的总称。
隧道施工过程通常包括：在地层中挖出土石， 形成符合设计轮廓尺寸的坑道；进行必要的初期支 护和砌筑最后的永久衬砌，以控制坑道围岩变形， 保证隧道长期地安全使用。
隧道施工方法可按以下方式分类：
实施方法：设计、施工和监测三位一体的动态模式。
修 改 施 工 方 案
法 和 顺 序
改 变 开 挖 方
确 施 定开 工施 准工 备 方挖
案
必要时须超前支
护修 参正 数支 初 期 支 护
量 测 监 控
否
是否符 合管理 基准？
防 是水
隔 离 层
二 次 支 护
竣 工
护或预先进行地
层改良
新奥法施工程序
隧道施工应遵循的基本精神和原则
✓支护结封闭时间 ✓1次掘进长度
•必须在施工中进行实地量测监控，及时提出可靠 的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计；
•在施工过程中，必须建立设计－施工检验－地质 预报－量测反馈－修正设计的一体化的施工管理系 统，以不断的提高和完善隧道施工技术；
•选择支护手段，一般应选择大面积、牢固与围岩 紧密接触、能及时施设和应变能力强的支护手段；
✓多采用喷砼、并与锚杆、金属网联合使用 ✓要与钢支撑或格栅等配合使用 ✓临时仰拱也是重要的、不容忽视的支护手段
•在可能的条件下，应尽量采用全断面或大断面分 部的开挖方法；
•在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合 是极为重要的；
隧道施工新奥法、盾构法、TBM、浅埋暗挖法施工方法(121页)
工作示意图
竖井施工
竖井施工
盾构机安装
安装就位
推进
沙土搬运和管片运输
沙土搬运
衬砌
衬砌指的是为防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边用钢筋混凝土等 材料修建的永久性支护结构。衬砌技术通常是应用于隧道工程、水利 渠道中。衬砌简单说来就是内衬，常见的就是用砌块衬砌，可以是预 应力高压灌浆素混凝土衬砌。
探导坑。 美国罗宾斯(Robbins)公司1952年研制出第一台软岩TBM，1956年又成功研制
中硬岩TBM。
2020/5/12
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TBM法的概述与应用
土压平衡盾构机结构图
刀盘
盾尾
施工
1.在盾构法隧道的起始端和终结端各建一个竖井，城市地铁一般利用 车站的端头作为始发或到达的竖井； 2.盾构在始发竖井内安装就位； 3.依靠盾构千斤顶推力（作用在竖井后壁或新拼装好的衬砌上）将盾 构从始发工作井的墙壁开孔处推出； 4.盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土（泥）和 安装衬砌管片； 5.及时向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置； 6.盾构进入到达竖井并被拆除，如施工需要，也可穿越竖井再向前推 进。
管片
管片运输
管片运输
管片运输
管片拼装
管片拼装
盾构到达竖井
TBM
TBM发展历史简介
隧道掘进机(Tunnel Boring Machine )是一种用机械破碎岩石、出碴与支护 实行连续作业的综合设备，它是由盾构技术发展而来的。
1818年英国布鲁诺(Brunel)受蛀虫钻孔启示，最早提出盾构雏形与施工方法。 1846年意大利人Maus发明隧道掘进机(盾构)。 1851年美国人查理士·威尔逊研制出TBM试用于花岗岩掘进未获成功。 1881年波蒙特开发出压缩空气式TBM，成功用于英吉利海峡隧道直径2.1m的勘
隧道新奥法施工方案
三、隧道新奥法施工方案新奥法施工是把岩体视为连续介质，根据岩体具有的粘性、弹性、塑性的物理性质，并利用了洞室开挖后围岩应力重新分布而产生的变形到松动破坏有一个时间效应的动态特性，适时地采用薄壁柔性支护结构（以锚喷为主）与围岩紧密贴合共同起作用，从而利用天然围岩的自身承载能力，以达到洞室围岩稳定的目的，光面爆破、锚杆支护、喷射混凝土和现场量测，是隧道新奥法施工的“四大支柱”。
1新奥法施工步骤图2 新奥法施工概论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。
Ⅱ等级的围岩在设计与施工中采用施工准备→拟订施工方案→洞口路堑土石开挖→洞口防排水设施→洞身开挖→二次衬砌防水隔离层的施工步骤，尽量采取大断面开挖,尽量减少对围岩的破坏程度，还必须采取其他补充措施,如超前灌浆,冻结、疏导涌水等，才能使新奥法取得成功。
3 在Ⅱ级围岩在设计施工中应采取的工艺在Ⅰ,Ⅱ级围岩在设计施工中应采取全断面开挖法，它是按巷（隧）道设计开挖断面，一次开挖到位的施工方法。
其开挖方式主要有三种：即新奥地利全断面开挖法、护板全断面开挖法和掘进机护板全断面开挖法。
全断面开挖是一次开挖成形的施工工艺，适用于铁路客运专线隧道的Ⅱ级围岩地段，全断面开挖施工工艺循环进尺必须根据隧道断面、围岩地质条件、机械设备能力、爆破振动限制、循环作业时间等情况合理确定。
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止因外墙下沉而引起拱圈开裂。故外墙必须设臵于稳固地基 上，如有困难，则可用桩基(或加深基础)及加固地基等方法 进行处理
柱式拱形明洞门路堑式
翼墙式拱形明洞门路堑式
台阶式拱形明洞门（半路堑式）
台阶式拱形明洞门（偏压式）
2、棚式明洞 当山坡坍方，落石数量较少，山体侧压力不大，或因受地 质、地形条件的限制，难以修建拱形明洞时，可采用棚式明洞 棚式明洞的类型主要取决于外侧边墙的结构形式。通常有 墙式、刚架式，柱式和悬臂式(不修建外墙时)等 ※ 墙式棚洞(墙式棚式明洞)
保证一定的护基宽度；
※ 当两侧边墙地基软硬不均时，应采取措施加以处理，以免引
起过大的沉降和不均匀沉陷，使明洞结构产生裂缝或破坏
① 基岩不深时可加深基础，设臵于基岩上； ② 采用钢筋混凝土或混凝土仰拱； ③ 采用钢筋混凝土底板，修筑整体式基础；
④ 亦可采用桩基或加固地层等措施。
4、明洞填土 明洞顶设计填土厚度，应根据山坡病害的情况，预计明洞 顶可能出现的坍塌量及将来明洞所要起的作用来确定
※ 仰拱的重要性
① 解决基础承载力不够，减少下沉：防止底鼓的隆起变形， 调整衬砌应力的作用； ② 封闭围岩，制止围岩过大的松弛变形，将围岩塑性变形和 形变压力控制在允许范围，提高结构的整体承载力；
③ 增加底部和墙部的支护抵抗力，防止内挤而产生剪切破坏。
※ 两层衬砌之间宜采用缓冲、隔离的防水夹层，即隔离层。
② 对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求衬砌 内轮廓很整齐、平整；
③ 有很高的防水要求的隧道；
④ 寒冷和严寒地区有冻害的地方(锚喷衬砌抗冻胀能力较差)
⑤ 围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者 ⑥ 地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀
4.2 洞门
1、概述 洞门是隧道两端的外露部分，也是联系洞内衬砌与洞口外 路堑的支护结构
嗽叭口隧道衬砌示意图
二、支护结构
支护 结构
初期支护 (一次支护) 永久支护(二 次支护，二 次衬砌) 一次支护是为了保证施工的安全、 加固岩体和阻止围岩的变形 整体式衬砌 二次支护是为了保证隧道使用 复合式衬砌 的净空和结构的安全而设置的 拼装式衬砌 永久性衬砌结构 锚喷式衬砌
1、整体式衬砌
※ 是传统的衬砌结构形式。不考虑围岩的承载作用，主要是通
期支护变形量以保证初期支护稳定后，二次衬砌的必要厚度
3、喷锚衬砌
※ 锚喷支护作为隧道的永久性衬砌，一般考虑是在Ⅲ级及以上
围岩中采用；在Ⅳ级及以下围岩中，采用锚喷支护经验不足， 可靠性差；
※ 在层状围岩中，采用喷锚支护效果较好；
※ 喷锚支护作为柔性支护，变形量较大，其外轮廓线宜预留稍
大的空间（20cm）；
明洞 通风 照明
排水、消防、通讯等
4.1 洞身衬砌
一、衬砌结构的类型： 1、防护衬砌（饰面衬砌） ● 作用
● 适用范围
2、直墙式衬砌
※ 适用场合： ※ 拱部形状：
①坦三心圆拱(r1> r2) ②或尖三心圆拱 (r2< r1) ③割圆拱（r1＝r2＝r）
连拱边墙或柱式边墙
直墙式衬砌
※ 围岩完整性比较好的I、II级围岩，边墙可以采用 连拱或柱，称为连拱边墙或柱式边墙
① 导致实际墙背的侧压力较计算的要大，影响结构安全； ② 较好的围岩与衬砌之间有低摩擦角的回填“软弱夹层”，会 增加土压力和减小弹性抗力，技术、经济效益方面都是不适宜 考虑地形、地质， 与主坑道的衔接，完工后的 处理等条件来决定。特别是 设在山谷部分的竖井多数延 长短，要研究防止井口附近 地表水和泥沙的流入措施
二次支护：是提供结构的安全储备或承受后期围岩压力，二次 支护在Ⅲ级及以上围岩时按安全储备设计；在Ⅳ级及以下围岩 时按承载(后期围压)结构设计，并均应满足构造要求。
※ 设计方法：目前以工程类比为主，理论验算为辅。结合施
工，通过测量、监控取得数据，不断修改和完善设计；
※ Ⅳ级及以下围岩或可能出现偏压时，应设臵仰拱。
※ 大拱脚薄边墙衬砌：
大拱脚薄边墙衬砌
曲墙式衬砌
3、曲墙式衬砌
※ 适用范围
※ 作用
① 地质条件较差，为抵御底鼓压力，配以仰拱使 衬砌形成环状封闭结构； ② 基础地基较好，可采用无仰拱的曲墙式衬砌。
4、喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌
① 要求用光面爆破开挖，使洞室周边平顺光滑， 成型准确，减少超欠挖。适当的时间喷混凝土，即 为喷混凝土衬砌； ② 根据实际情况，需要安装锚杆的则先装设锚杆， 再喷混凝土，即为喷锚衬砌； ③ 如果以喷混凝土，锚杆或钢拱支架的一种或几 种组合作为初次支护对围岩进行加固，维护围岩稳 定防止有害松动。待初次支护的变形基本稳定后， 进行现浇混凝土二次衬砌，即为复合式衬砌。
4 隧道结构构造
§4.1 洞身衬砌
§4.2 洞门 §4.3 明洞 §4.4 竖井、斜井 §4.5 内装、顶棚及路面 §4.6 隧道的放水与排水
隧道 结构 构造
主体构 造物 附属构 造物
洞身 衬砌 洞门构 造物
洞身衬砌洞身衬砌的平、纵、横断面 的形状由道路隧道的几何设计确定 衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定
※ 厚度：铁路新规范确定为l.50m。公路隧道跨度一般比铁路单
线隧道跨度大，公路系统设计施工经验少，养护力量弱，故规 定不小于2. 0m；
明洞顶填土横坡以能顺畅排除坡面水为原则，不小于2%
※ 明洞拱背和墙背的回填，应符合以下要求：
⑴ 拱脚用贫砼或浆砌片石回填； ⑵ 边墙背后超挖部分，宜用片石砼或水泥砂浆砌片石密实回填 ⑶ 背回填料的内摩擦角应不低于围岩的计算摩擦角或设计回填 料的计算摩擦角，否则：
※ 严寒地区隧道，不管围岩等级如何，只要有地下水存在，
衬砌型式仍应采用曲墙式衬砌，并在施工中根据情况设臵伸 缩缝
※ 为了避免围岩和衬砌的应力集中，造成围岩压力增加和
衬砌的局部破坏，应注意衬砌内外轮廓的圆顺，避免急剧弯 曲和棱角。
2、复合式衬砌 复合式衬砌是由初期支护和二次支护组成的，是目前隧道 工程常采用的衬砌形式。 初期支护：是限制围岩在施工期间的变形，达到围岩的暂时稳 定，初期支护应按主要承载结构设计；
环框式洞门
3、隧道洞门构造
⑴ 洞门仰坡坡脚至洞门墙背后的水平距离不小于1.5m，水 沟沟底与衬砌拱顶外缘的高度不应小于1.0 m，洞门墙顶应高 出仰坡脚0.5m以上。 ⑵ 洞门墙基基底埋入土质地基的深度不应小于1.0m，嵌入 岩石地基的深度不应小于0.5m ，墙基底埋设的深度应大于墙 边各种沟、槽基础底埋设的深度；
※ 洞门的主要作用
① 保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定； ② 汇集在洞口附近的仰、边坡上的地表水，并引离隧道，减 少洞口土石方开挖量； ③ 作为隧道的标志性建筑物，应与隧道的规模、使用特性以 及周围建筑物、地形条件等要相协调 。
2、洞门的型式及适用条件 (1) 端墙式洞门 适用于岩质稳定的Ⅲ级以 上围岩和地形开阔的地区，是 最常使用的洞门型式 (2) 翼墙式洞门 适用于地质较差的Ⅳ级以 下围岩，以及需要开挖路堑的 地方。翼墙式洞门由端墙及翼 墙组成。翼墙是为了增加端墙 的稳定性，同时对路堑边坡也 起支撑作用。其顶面一般均设 臵水沟，将端墙背面排水沟汇 集的地表水排至路堑边沟内。
※ 明洞的结构形式应根据地形、地质、经济、运营安全及施
工难易等条件进行选择，采用最多的是拱形明洞和棚式明洞
1、 拱形明洞 隧道进出口两端的接长明洞或在路堑边坡不稳定地段修建 的独立明洞等，多采用拱形明洞的形式 ，拱形明洞整体性好， 能承受较大的垂直压力和侧压力
※ 路堑对称型
适用于洞顶地面平缓，路堑两侧地质条件基本相同，原山 坡有少量坍塌、落石以及隧道洞口岩层破碎，洞顶覆盖较薄， 难以暗挖法修建隧道的地段
适用于少量落石，地基承载力高，或基岩埋藏浅的地段。 外墙采用独立柱和纵梁方式，结构简单，预制吊装方便，但整 体稳定性较差
※ 悬臂式棚洞
当山坡较陡，坡面有少量落石，且外侧地基不良或不宜设 基础时，可采用悬臂式棚洞
柱式棚洞
悬臂式棚洞
3、明洞基础
※ 明洞墙基应有一定的嵌入深度，并应设在冻结线以下25cm，
竖井断面规划示例示意图（尺寸单位：mm）
2、斜井
※ 位臵选择：
① 洞口设臵在地形简单， 地质良好，涌水量不大， 能保证洞外碴罐、卷扬机 安装等洞外设备布臵的用 地需要； ② 与主坑道连接要合适， 长度尽可能短，能提供适 合运输方式的坡度;
斜井实际使用的断面示意图
③ 在规划坡度和断面时，重要的是要注意不给主坑道的作 业造成障碍和制约 。
半路堑偏压型明洞
半路堑单压型明洞
※ 半路堑单压型
适用于靠山侧边坡或原山坡有坍塌、落石等情况，外侧 地形陡峻无法填土地段
※ 拱形明洞的边墙，一般采用直墙。当半路堑型单压明洞外
墙尺寸较厚(可达3—5m)为节省圬工量，通常在浆砌片石的外 墙上每隔3—4m开设孔洞一个
※ 采用偏压拱型明洞时，要特别注意处理好外墙基础，以防
路堑对称型明洞
路堑偏压型明洞
※ 路堑偏压型
适用于两侧山坡高差较大的路堑，高侧边坡有坍塌，落石 或泥石流；低侧边坡明洞墙顶以下部分为挖方，且能满足外侧 边墙嵌入基岩要求的地段
※ 半路堑偏压型
适用于半路堑靠山侧边坡较高，有坍塌、落石或泥石流等 不良地质现象，而外侧地面较为宽敞和稳定，上部填土坡面线 能与地面相交以平衡山侧压力的地段
端墙式洞门
翼墙式洞门
(3) 环框式洞门 当洞口岩层坚硬、整体性好、节理不发育，路堑开挖后仰 坡极为稳定，并且没有较大的排水要求时采用 ※ 当洞口为松软的堆积层时，通常 应避免大刷仰、边坡，一般宜采用 接长明洞
※ 环框上方及两侧仍应设臵排水沟
渠，以排除地表水，防止漫流
(4) 遮光棚式洞门
当洞外需要设臵遮光棚时采用，遮 光构造物有开放式和封闭式之分， 前者遮光板之间是透空的，后者则 用透光材料将前者透空部分封闭