隧道施工方法之新奥法

新奥法施工原理及特点
新奥法是在利用围岩本身所具有的承载效能的前提下，采用毫秒爆破和光面爆破技术，进行全断面开挖施工，并了以形成复合式内外两层衬砌来修建隧道的洞身，即以喷混凝土、锚杆、钢筋网、钢支撑等为外层支护形式，称为初次柔性支护，系在洞身开挖之后必须立即进行的支护工作。

因为蕴藏在山体中的地应力由于开挖成洞而产生再分配，隧道空间靠空洞效应而得以保持稳定，也就是说，承载地应力的主要是围岩体本身，而采用初次喷锚柔性支护的作用，是使围岩体自身的承载能力得到最大限度的发挥，第二次衬砌主要是起安全储备和装饰美化作用。

新奥法的适用性很广，中国已在亚粘土和黄土隧道施工中取得成功。

但在下列情况下，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。

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，允许围岩又一定的协调变形，而不使支护结构承受过大的压力。

新奥法适用范围：
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。

新奥法的缺点：
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。

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“短进尺、弱爆破、紧封闭、早喷锚、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。

新奥法基本要点：
①洞室开挖后，应使围岩自身承担主要的支护作用，而衬砌只是对围岩进行加固，使成为一个整体而共同发生作用。

因此，须最大限度地保持围岩的固有强度，以发挥围岩的自承能力。

如及时喷混凝土封闭岩壁，就能有效地防止围岩松弛，而不使其强度大幅度降低，同时也不存在因顶替支撑而使围岩变形松弛。

总之应使围岩经常处于三轴应力约束状态，最为理想。

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。

这种支护和传统的支护不同，不是因受弯矩而是受压剪作用破坏的。

由于混凝土的抗压和抗剪强度比抗拉和抗弯强度大得多，从而具有更高的承载能力。

一次支护的位移收敛后，可在其光滑的表面上敷设高质量的防水层，并修筑为提高安全度的二次支护。

前后两次支护与围岩之间都只有径向力作用。

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。

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。

量测监控是新奥法的基本特征，量测的重点是围岩和支护的力学特征随时间的变化动态。

衬砌的做法和施作时间是依据围岩变位量测决定的。

⑤隧道支护在力学上可看作厚壁圆筒。

它是由围岩支承环和衬砌环组成的结构，且两者存在共同作用。

圆筒只有在闭合后才能在力学上起圆筒作用，所以除在坚硬岩层之外，敷设仰拱使衬砌闭合是特别重要的。

围岩的动态主要取决于衬砌环的闭合时间。

当上半断面超前掘进过多时,就相应地推迟了它的闭合时间,在隧道纵方向形成悬臂梁的状态而产生大弯曲的不良影响。

另外，为防止引起围岩破坏的应力集中，断面应做到无角隅，最好采用圆形断面。

⑥围岩的时间因素还受开挖和衬砌等施工方法的影响，它对结构的安全性起着决定的作用。

考虑掘进循环周期、衬砌中仰拱的闭合时间、拱部导坑的长度以及衬砌强度等变化因素，把围岩和支护作为一个整体来谋求稳定。

从应力重分布角度去考虑，全断面一次开挖是最有利的；分部开挖会使应力反复分布而造成围岩受损。

⑦岩层内的渗透水压力，必须采取排水措施来降低。

新奥法的支护结构至今仍处于经验设计的阶段，它的前提是要科学地进行围岩分类，并根据已经修建的类似工程的经验，提出支护设计参数或标准设计模式。

这种工程类比法还只考虑了岩体结构、岩块单轴抗压强度、弱面特性等工程地质性质、坑道的跨度以及围岩自稳时间等主要因素，需在各种设计与施工规程的实
施过程中，依据量测数据加以修正。

现场监控设计，一般分成预先设计阶段和最后设计阶段，后者是根据现场监控量测数据，经分析比较或计算后，最后提出设计。

理论解析和有限元数值计算，至今还不能得出充分可靠和满意的结果，必须由上述两种方法即经验和量测加以验证。

施工量测：
新奥法的施工作业必须根据事前的调查决定下列4个问题：
①开挖方法；②支护布置及进行支护的最适宜时机；③是否设置仰拱及设置的时间和方法；④是否采用辅助施工方法及其种类等。

用新奥法施工的绝大多数工程均采用各种台阶法进行开挖，其次是采用全断面法。

新奥法要求保证光面爆破的质量，避免凹凸不平而引起应力集中和减少超挖，从而节约为填平表面所需的大量混凝土。

新奥法的量测十分重要。

在制定现场量测计划时，要根据隧道及地下工程的规模、地质资料、各量测项目的作用，并考虑工点所需解决的问题和量测计划的经济效益，选择合理的量测项目和方法。

同时还必须考虑采用切实可靠的手段和仪表，保证量测工作准确安全，并尽可能不妨碍施工。

在应力应变、接触应力、位移等三大类量测项目中，新奥法应以位移的量测为主。

通常是用收敛计量测收敛变形，用伸长计量测围岩在不同半径处的变形和获得围岩动态的范围，用水平仪量测围岩表面垂直位移和地面沉陷。

此外，还可
用量测锚杆测得锚杆的轴向应力，用压力盒测定接触应力，用应变计测定支撑和衬砌应力等。