山岭隧道两种常规施工方法的综述及比较

山岭隧道两种常规施工方法的综述及比较

摘要：

针对山岭隧道两种常规的施工方法：传统的矿山法和“新奥法”，本文介绍了它们的施工方法和理念并进行了对比，给出了两者的主要差别。最后简述了山岭隧道施工方法的发展趋势。

关键词：

隧道工程新奥法传统矿山法松弛荷载理论岩承理论

0 引言

传统矿山法是山岭隧道常规施工方法，因最早应用于采矿坑道而得名。隧道等地下工程，其核心问题，都归结在开挖和支护两个关键工序上。即如何开挖才能更有利于洞室稳定和便于支护；如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。在矿山法中，坑道开挖后的支护方法，大致可以分为钢木构件支撑和锚杆喷射混凝土支护两类。习惯上将采用钻爆开挖加钢木构件支撑的施工方法称为“传统矿山法”；而将采用钻爆开挖加锚喷支护的施工方法称之为“新奥法”。“新奥法”与“传统矿山法”相比，在在理论基础、对围岩及支护的认识等方面都有很大的不同。

1隧道设计施工的两大理论及其发展过程

二十世纪以来，人类对地下空间的需求越来越多，因而对地下工程的研究有了一个突飞猛进的发展。在大量的地下工程实践中，人们普遍认识到，隧道及地下洞室工程，其核心问题，都归结在开挖和支护两个关键工序上。即如何开挖，才能更有利于洞室的稳定和便于支护：若需支护时，又如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。这是隧道及地下工程中两个相互促进又相互制约的问题。在隧道及地下洞室工程中，围绕着以上核心问题的实践和研究，在不同的时期，人们提出了不同的理论并逐步建立了不同的理论体系，每一种理论体系都包含和解决(或正在研究解决)了从工程认识(概念)、力学原理，工程措施到施工方法(工艺)等一系列工程问题。

1.1 松弛荷载理论

一种理论是二十世纪20年代提出的传统的“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，其代表人物有泰沙基和普氏等人。它类似于地面工程考虑问题的思想，至今仍被广泛的应用着。传统矿山法是松弛荷载理论在隧道工程实践中的代表方法。

1.2 岩承理论

另一种理论是二十世纪50年代提出的现代支护理论，或称“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。这种理论体系的代表性人物有拉布西维兹、米勒一菲切尔、芬纳塔罗勃和卡斯特奈等人。这是一种比较现代的理论，它已经脱离了地面工程考虑问题的思路，而更接近于地下工程实际，近半个世纪以来已被广泛接受和推广应用，并且表现出了广阔的发展前景。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。新奥法是岩承理论在隧道工程实践中的代表方法。

2传统矿山法

2.1概念与原理概述

传统矿山法是一种较传统的施工方法，使人们在长期的施工实践中发展起来的。它是以木或刚构件作为临时支撑，待隧道开挖成型后，逐步将临时支撑撤换下来，而代之以整体式厚衬砌作为永久性支护的施工方法。

木构件支撑由于其耐久性差和对坑道形状的适应性差，支撑撤换工作既麻烦又不安全，且对围岩有所扰动，因此，目前已很少使用。钢结构支撑具有较好的耐久性和对坑道形状的适应性等优点，施工中可以不撤换，也更安全。日本隧道界将以钢构件作为支撑的矿山法称为“背板法”。钢木构件支撑类似于地上的“荷载一结构”力学体系。它作为一种维持坑道稳定的措施，是很直观和奏效的，也容易被施工人员理解和掌握。因此这种方法常被用于不便采用喷锚支护的隧道中，或处理塌方等。由于衬砌的设计工作状态与实际工作状态不一致，以及临时支撑存在的一些缺陷等，在一定程度上限制了它的发展和应用。

矿山法的基本理论依据是，隧道开挖后受爆破影响，造成围岩体破裂形成松弛状态，随时都有可能塌落。给予这种松弛荷载来了依据，其施工方法是采取分割式按分部顺序一块一块的开挖，并要求边挖边撑以策安全，所以支撑复杂，材料耗用多。由于这种施工方法，因其工作面小，不能使用大型的凿岩钻孔设备和装卸运输工具，故施工进度慢，建设周期长，机械化程度低，耗用劳力多，难以适应现代公路建设工期的需要。

2.2传统矿山法施工的基本原则

传统矿山法施工的基本原则可以归纳为“少扰动、早支撑、慎撤换、快衬砌”。

“少扰动”是指开挖后及时施作临时构件支撑，使围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间，这与新奥法施工的要求是一致的。采用钢支撑，可以增大一次开挖断面跨度，减少分部次数，从而减少对围岩的扰动次数。

“早支撑”是指开挖后及时施作临时构件支撑，使围岩不致因变形松弛过度而产生坍塌失稳，并承受围岩松弛变形产生的压力，即早期松弛荷载。定期检查支撑的工作状况，若发现变形严重或出现损坏征兆，应及时增设支撑予以加强。作用在l临时支撑上的早期松弛荷载大小可比照设计永久衬砌的计算围岩压力大小来确定。临时支撑的结构设计亦采用类似予永久衬砌的设计方法，即结构力学方法。

“慎撤换”是指拆除临时支撑，以永久性模筑混凝土取代，衬砌时要

慎重，即要防止撤换过程中围岩坍塌失稳。每次撤换的范围、顺序和时间要视围岩稳定性及支撑的受力状况而定。若预计到不能拆除，则应在确定开挖断面大小及选择支撑材料时就予以研究解决。使用钢支撑作为临时支撑，则可以避免拆除支撑的麻烦和危险。

“快衬砌”是指拆除临时支撑后要及时修筑永久性混凝土衬砌，并使之尽早承载参与工作。若采用的是钢支撑又不比拆除，或无临时支撑时，亦应尽早施作永久性混凝土衬砌。

2.3施工注意事项

按松弛荷载理论设计的隧道永久性模筑混凝土衬砌，其厚度较厚，刚度较大，故相对于复合式衬砌称为整体式衬砌。整体式衬砌的施工应注意以下几点。

1)模筑混凝土衬砌时，需慎重进行临时支撑的拆除，以免围岩坍塌失稳。每次拆除的范围、顺序和时间要视围岩稳定性及支撑的受力状况而定。若不必拆除或不能拆除临时支撑，则可将其留在衬砌背后或浇筑在混凝土中。但原则上只允许钢构件留在混凝土中。

2)整体式衬砌的设计中一般并未计入钢支撑的承载作用。事实上，当钢支撑不必拆除或不能拆除时，其支撑作用是存在的。这种不计入就造成一定的浪费，因此有人提出：在整体式衬砌设计时，计入钢支撑的永久承载作用，并相应地适当减薄衬砌厚度。

3)采用先拱后墙法施工时，应注意处理好墙顶和拱脚连接处的封口，以保证其整体刚度不严重降低。马口开挖应遵循马口开挖原则进行。

4)传统矿山法施工，其衬砌背后空隙较多，尤其是拱部有较多背板未拆除时，对于衬砌的受力状态是不利的。因此，应在衬砌混凝土达到一定强度后进行压浆处理。浆液材料多采用单液水泥浆。钻压浆孔时应注意避开未被拆除的钢支撑。

5)整体式衬砌混凝土的拆模时间，应根据衬砌的受力条件、自重大小以及混凝土的强度增长情况由现场试验确定，以保证不会因拆模而导致衬砌变形开裂，一般应符合工程设计规定的要求。

3. 新奥法

3.1基本概念、发展历史及现状

新奥法即新奥地利隧道施工方法，原文是NewAustrianTunnellingMethod，简称为NATM。它与法国称收敛约束法或有些国家所称动态观测设计施工法的基本原则一致。新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹教授于二十世纪50年代提出的。它是以既有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，经奥地利、瑞典、意大利等国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的发展，已成为现代隧道工程新技术的标志之一。我国近40年来，铁路等部门通过科研、设计、施工三结合，在许多隧道修建中，根据自己的特点成功地应用了新奥法，取得了较多的经验，积累了大量的数据，现已进入推广应用阶段。但在公路部门新奥法的应用仅为50％左右。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，技术经济效益是明显的。

3.2施工基本思想

新奥法是由传统矿山法发展起来的。传统矿山法是把施工是把地层压力视为外力荷载，而新奥法是把围岩