第十章-新奥法

新奥法是修建隧道一种基本理论，是包含 设计于施工内容的隧道工程新概念。 新奥法使用锚喷支护是为了达到保护围岩强 度、控制围岩变形、实现发挥围者自承能力 的目的。 只有采用施工监控量测才能掌握围岩变形 动态，做到控制变形。 锚杆、喷射混凝土和施工量测是新奥法的三 大要素。
对新奥 法正确 认识
『10.1.2 ▎新奥法施工的要点

测设的数据要求直观、正确、可靠； 测试仪器要有足够的精度。
『10.3.2 ▎监控量测的内容和方法
1）工程地质与支护状况的观察 2）隧道地表沉降量测 （浅埋隧道、洞口地段）
2~5m间隔
不动点
地表测点
不动点
地表沉降观测
(3) 隧道净空变化(收敛)量测 在开挖后的洞壁上及时 安设测点，用收敛计量测两测点间的距离，两次测定的距离 之差为该时段的收敛值。根据收敛值或位移速度，可判断围 岩与支护是否稳定。 每10~20m一个断面。收敛量测的基线，视围岩条件可选 择1条、2条、3 条、6条等。
P a/MPa
8 6 4 2
3 喷锚支护
2 喷射混凝土
1 锚杆
u
0 5 10 1 us × r0 1000
图10-5 Pa-us/r0关系曲线
3．支护与围岩共同作用原理
为了进一 步理解围岩与 支护的共同作 用，将围岩位 移曲线与支护 特性曲线放在 同一坐标系统 上来考察，由 此得到的曲线 图称为支护特 性曲线与围岩 特性曲线关系 如 图 10- 6 所 示。
uS pa K S r0
式中
Ks ——支护结构的刚度。
(10-8)
(2) 几种主要支护的刚度 1) 混凝土或喷射混凝土的支护结构。 假设圆形模筑混 凝土衬砌或喷射混凝土支护的厚度为 tc，且tc/R0≤0.04时，可 采用薄壁筒的公式来计算支护结构的受压刚度：
EHale Waihona Puke Baidu tc K Sc r0 (1 2 )
1．围岩特征曲线
8 Δ gh 6 4 2 0
P a/MPa
10 g h 修 正
前
弹塑性分界
A
5 10
崩塌 u
ulimit 15
u max 20
ur 1 × r0 1000
支护阻力与洞壁的相对径向位移的关系曲线如图虚线所示。从 图中可以发现： 1) 在形成塑性区后，无论加多大的支护阻力都不能使 围岩的径向位移为零(Pa无论多大，u不能为零)； 2) 不论支护阻力如何小(甚至不设支护)，围岩的变形如 何增大，围岩总是可以通过增大塑性区范围来取得自身的稳 定而不致坍塌(Pa＝0，当umax可稳定)。
KScB KSc KSB
它能提供的最大支护阻力也是两者之和。
(10-12)
(3) P ～ us/r0 图 在已知支护结构的刚度后，根据公式 (10-12) 即可画出支护结构提供约束的能力和它的径向位移 us/r0的关系曲线（图10-5）。该图说明，支护结构所能提供 的支护阻力是随支护结构的刚度而增大，所以，这条曲线又 称为“支护补给曲线”，或称为“支护特性曲线”。
Pa
P0-Pmax
P0-原岩压力线
A
形变压力区 Ⅰ
Pmax
P0-Pc P0-PE
Ⅰ-刚性支护 Ⅲ-柔性支护 Ⅳ-模注支护 松动压力区
K
PE
Pk Pl
PC
j
u0 uE u limit
C ED
Pmin
B
u
u max
喷锚支护
模注支护
实际施工中，一般是分二次进行支护，第一次在洞 室开挖后，尽可能及时进行初期支护和封闭，保证周边不产 生松弛和坍塌，并让围岩在有控制的条件下变形，通过对围 岩变形的监测，待位移和变形基本趋于稳定时，再进行第二 次支护( 达到图中 C点的附近) ，随着围岩和支护的徐变、支 护和形变压力将发展到PE，支护和围岩在最佳工作点 E处共 同承受围岩形变压力，围岩承受的压力值为 (P0-PE) ，支护 承受的压力值为 PE ，支护承载力尚有值为 (PK-PE) 的安全余 量。
这两点显然与客观实际有出入，如隧道开挖后立即支护 并起作用，只要支护阻力达到一定值，围岩内就可以不出现 塑性区，当支护阻力等于围岩的初始应力时，洞壁径向位移 就为零；其次，实践证明，任何类别的围岩都有一个极限变 形量，超过这个极限值，岩体的值将急剧下降，造成岩体松 弛和坍落。而在较软弱的围岩中，这个极限值一般都小于无 支护阻力时洞壁的最大计算径向位移量。因此，在洞壁径向 位移超过后，围岩就将失稳，如果此时进行支护以稳定围岩， 无疑的，其所需的支护阻力必将增大。也就是说，这条曲线 到达后不应该再继续下降，而是上升。 鉴于上述原因，我们可以将弹塑性状态的洞壁径向位移 与支护阻力的理论曲线作适当修正：
『 10.3 ▎新奥法监控量测
『 10.3.1 ▎监控量测的目的和任务
在隧道的施工过程中，使用各种仪器设备和量测元件， 对地表沉降、围岩与支护结构的变形、应力、应变进行量测， 据此来判断隧道开挖对地表环境的影响范围和程度、围岩的 稳定性和支护的工作状态，这种工作称为新奥法的现场监控 量测。
1. 监控量测的目的
Pa
P0-Pmax
P0-原岩压力线
A
形变压力区 Ⅰ
Pmax
P0-P c P0 -PE
Ⅰ-刚性支护 Ⅲ-柔性支护 Ⅳ-模注支护 松动压力区
K
PE
Pk Pl
PC
j
u0 uE
C E D
Pmin
B
u
u limit u max
喷锚支护 模注支护
3) 较 佳 的 支 护 工 作点应当在D点以左， 邻近D点处，如图中的 E点。在该点附近即能 让围岩产生较大的变 形 (u0+uE) ， 较 多 的 分 担 岩 体 压 力 (P0-PE) ， 支护分担的形变压力 较小(PE)，又保证围岩 不产生松弛、失稳， 局部岩石脱落、坍塌 的现象。合理的支护 与施工，就应该掌握 在该点附近。
1) 在弹性应力状态时，即 阶 段改用直线，用弹性力学中厚壁圆筒的公式来确定支护阻力 与洞壁径向位移的关系：
2g H c Rb 2C cos pa ( Rb ) 1 1 sin
u |r r0
e
1 (gHc p a )r0 2G
2) 洞壁径向位移超过ulimit后改用一个上升的凹曲线表 示，说明随着位移的发展，所需的支护阻力将增大。但对于 超过极限变形量后所需的支护阻力的真实情况仍然很不清楚， 所以这段曲线形态只能任意假定。不过，这并不影响我们位 移与支护结构相互作用的分析。
1) 在隧道的整个支护体系中，围岩是承载结构的一部 分，施工中要合理利用围岩的自承能力，保持围岩的稳定；
2) 隧道开挖时，应尽可能减轻对隧道围岩的扰动或尽 可能不破坏围岩的强度。 3) 允许围岩有一定的变形，初期支护应尽量做成柔性 的，以便与围岩紧密接触，共同变形和共同承载，充分围岩 的自身承载作用。 4) 洞室开挖后及时施作初期支护，封闭围岩表面，抑 制围岩体的早期变形，待围岩稳定后，再进行二次衬砌，但 遇软弱围岩特别是洞口段衬砌要紧跟。 5) 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圆顺(如做成圆形或 椭圆形的),不产生突出的拐角,避免产生应力集中现象。同时, 尽早使衬砌结构闭合(封底)，以形成承载环；

为设计和修正支护结构形式和参数提供依据； 正确选择开挖方法和支护施作时间； 为隧道施工和长期使用提供安全信息； 是研究新奥法力学机理和设计理论的重要途径。
『10.3.2 ▎监控量测的内容和方法
基本要求

尽快埋设测点； 进行一次量测的时间宜尽量短；
传感元件要有较好的防震、防冲击波的能力， 且能长期有效；
6) 对隧道周边进行位移收敛量测是施工过程中必不可 少的一个重要环节，从现场量测反馈信息及时修改设计和施 工方案。 7) 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水层等。
§10.2支护结构与围岩的相互作用
10.2.1．围岩特性曲线
地层原始应力状态称为，一次应力状态；开挖以后 围岩的应力状态称为，二次应力状态；进行支护以后围 岩的应力状态称为，三次应力状态。 洞室开挖后的应力状态有两种情况，一是开挖后的 二次应力状态仍是弹性的，洞室围岩是稳定的。另一种 是开挖后，洞室围岩产生塑性区，此时洞室都要采用承 载的支护结。
2．支护特性曲线
支护需求曲线是隧道围岩与支护结构共同作用的一方面， 即是围岩对支护的需求情况。想互作用的另一个方面是支护 结构可以提供的约束能力。任何一种支护结构, 总能对围岩 变形提供一定的约束力，即支护阻力。
(1) 一般支护特性曲线公式 仍以圆形隧道为研究对象， 并假定围岩给支护结构的反力也是径向分布的。相对于围岩 的力学特性而言，混凝土或钢支护结构的力学特性可以认为 是线弹性的，也就是说作用在支护结构上的径向均布压力是 和它的径向位移成线性关系，即
当然，在umax<ulimit的情况下，可不必做第2)项修正。
修正后的pa-ur/r0关系曲线在图5-17中以实线表示。从图 中可以看出，随着ur/r0的增大Pa逐渐减小，超过后又逐渐增 大；反之，随着Pa的增大，ur/r0也逐渐减小。可以认为这条 曲线形象地表达了支护结构与隧道围岩之间的相互作用：在 极限位移范围内，围岩允许的变形大了，所需的支护阻力就 小，而应力重分布所引起的后果大部分由围岩所承担，如图 5-14中的A点，围岩承担的部分为 DgHc；围岩允许的位移小 了，可需的支护阻力就大，围岩的承载能力则得不到充分发 挥。故这条曲线可称为“支护需求曲线”或“围岩特性曲 线”。 应该指出，上述的分析是在理想条件下进行的，例如， 假定洞壁各点的径向位移都相同，又如假定支护需求曲线与 支护刚度无关等。不过，尽管存在这样一些不准确的地方， 但上述的隧道围岩与支护结构相互作用的机理仍是有效的。
Es 2 d B r0 KSB 4 l Sa Se
式中
(10-11)
——大于1的系数，表示灌浆后所增加的刚度；
Es——钢筋弹性模量； dB——锚杆的直径； Sa——锚杆的纵向间距 Se——锚杆的横向间距； l——锚杆的长度
3)组合式支护结构。如采用喷射混凝土和钢锚杆联合支 护时，其组合的支护刚度即为：
Pa
P0-Pmax
P0-原岩压力线
A
形变压力区 Ⅰ
Pmax
P0-Pc P0-PE
Ⅰ-刚性支护 Ⅲ-柔性支护 Ⅳ-模注支护 松动压力区
K
PE
Pk Pl
PC
j
u0
uE u limit
C ED
Pmin
B
u
u max
喷锚支护 模注支护
图10-6 支护特性曲线与围岩特性曲线关系
1) 隧道开挖后，如支护特别快，且支护刚度又很大， 没有或很少变形，则在图中A点取得平衡，支护需提供很大 支护力Pamax，围岩仅负担产生弹性变形 u0的压力P0-Pamax,故 刚度大的支护是不合理的(不经济)。
Pa
P0-Pmax
P0-原岩压力线
A
形变压力区 Ⅰ
Pmax
P0-Pc P0-PE
Ⅰ-刚性支护 Ⅲ-柔性支护 Ⅳ-模注支护 松动压力区
K
PE
Pk Pl
PC
j
u0 uE u limit
C ED
Pmin
B
u
u max
喷锚支护
模注支护
2) 如隧道开挖后不加 支护，或支护很不及时， 也就是容许围岩自由变形。 在图中是曲线DB，这是洞 室周边位移达到最大值 umax，支护压力Pa很小或接 近于零。这在实际中也是 不容许的，因为实际上周 边位移达到某一位移值时， 围岩就会出现松弛、散落、 坍塌的情况。这时，围岩 对支护的压力就不是形变 压力，而是围岩坍塌下来 的岩石重量，即松动压力， 此时，已不适于作喷锚支 护，只能按传统施工方法 施作模筑混凝土衬砌。
『 10.1.1▎新奥法的基本概念
以控制爆破（光面爆破、预裂爆破等）为 开挖方法；
新奥法
以喷锚作为主要支护手段； 通过监测控制围岩变形，动态修正设计参 数和变动施工方法。
核心内容是充分发挥围岩的自承能力。 把新奥法理解为隧道开挖与支护的方法 误以为采用了锚喷支护就是新奥法 对施工监控量测不够重视
对新奥 法的误 解
它能提供的最大径向压力为：
(10-9)
Pc max
式中
( R0 t c ) 2 1 c [1 ] 2 2 R0
抗压强度。
(10-10)
Ec、R0——混凝土或喷射混凝土的弹性模量和
2)灌浆锚杆。灌浆锚杆的受力变形情况比较复杂，它对 围岩变形的约束力是通过锚杆与胶结材料之间的剪应力来传 递的，所以，在围岩向隧道内变形过程中锚杆始终是受拉， 同时，锚杆所能提供的约束力必然与灌浆的质量直接有关。 因此，目前在评价锚杆的力学特征时，只能通过现场的拉拔 试验决定。在无试验条件时，参考以下近似公式来确定锚杆 的受拉刚度，此时假定锚杆是沿隧道周边均匀分布的：