新奥法的原理

新奥法的原理[原创2006-05-27 12:25:01 ] 发表者: minjoy

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。

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，其代表人物有泰沙基和普氏等人。

(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。这种理论体系的代表性人物有拉布西维兹、米勒-菲切尔、芬纳-塔罗勃和卡斯特奈等人.

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。

二、新奥法New Austrian Tunnelling Method

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。新奥法的基本要点可归纳如下：

1．岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。为此，施工中断面分块不宜过多，开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。2．为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；另一方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度和它参加工作的时间（包括闭合时间）来控制岩体的变形。

3．为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合，而成为封闭的筒形结构。另外，隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。

4．通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，合理安排施工程序、进行设计变更及日常的施工管理。5．为了敷设防水层，或为了承受由于锚杆锈蚀，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载，可采用复合式衬砌。

6．二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，围岩和支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度。

上述新奥法的基本要点可扼要的概括为：“少扰动、早喷锚，勤量测、紧封闭”。

三、用一个弹簧来理解新奥法原理

1．洞室边缘某一点A在开挖前具有原始应力（自重应力和构造应力）处于一个平衡状态。如同一根弹性刚度为K的弹簧，在P0作用下处于压缩平衡状态。

2．洞室开挖后，A点在临空面失去约束，原始应力状态要调整，如果围岩的强度足够大，那么经过应力调

整，洞室可处于稳定状态（不需支护）。然而大多数的地质情况是较差的，即洞室经过应力调整后，如不支护，就会产生收敛变形，甚至失稳（塌方），所以必须提供支护力PE，才能防止塌方失稳。等同于弹簧产生了变形u后，在PE作用又处于平衡状态。

3．由力学平衡方程可知，弹簧在P0作用时处于平衡状态；弹簧在发生变形u后，在PE的作用下又处于平衡状态，假设弹簧的弹性系数为K，则有：

P0=PE+Ku

讨论：（1）当u=0时，P0=PE 即不允许围岩变形，采用刚性支护，不经济；

（2）当u↑时，PE↓；当u↓时，PE↑。即围岩发生变形，可释放一定的荷载（卸荷作用），所以要允许围岩产生一定的变形，以充分发挥围岩的自承能力。是一种经济的支护措施，围岩的自稳能力P=P0-PE=Ku；（3）当u=umax时，发生塌方，产生松驰荷载，不安全。

四、要点

1．围岩是受洞室开挖影响的那一部分岩（土）体，围岩是三位一体的即：产生荷载、承载结构、建筑材料。2．隧道是修筑在应力岩体中的，具有特殊的建筑环境，不能等同于地面建筑。

3．隧道结构体系=围岩+支护体系。

新奥法

新奥法即新奥地利隧道修建方法的简称。原文是New Austria Tunnelling Method简写懔NAT M。安与法国称为的收敛——约束法或有些国家所称的动态观测设计施工方法的基本原则相一致。在我国常把新奥法称为“锚喷构筑法”。采用该方法修建地下隧道时，对地面干扰小，工程投资也相对较小。在我国上前的地下隧道修建中，使用本方法较多，已经积累了比较成熟的施工经验，工程质量也可以得到较好的保证。使用此方法进行施工时，对于岩石地层，可采用分步或全断面一次开挖，锚喷支护和锚喷支护复合衬砌，必要时可做二次衬砌；对于土质地层，一般需对地层进行加固后再开挖支护、衬砌，在有地下水的条件下施工必要降水后方可施工。

新奥法的初期支护是永久衬砌的一部分，它承受了整个隧道60%-70%的受力，在初期支护中主张采用锚杆、挂网、喷射混凝土等手段将围岩与喷锚支护连成一个整体共同受力，极大限度地利用围岩自身承载能力，摒弃传统矿山法施工中初期支护仅为临时设施，在围岩破坏的条件下强行支护的措施，变被动受力为主动受力，不仅节约了支护材料和资源，也获得了更好的支护效果。

随着我国隧道工程的增多，新奥法得到越来越广泛的应用，作为新奥法的重要环节：光面爆破，也越来越得到广泛施工单位的采用。用光爆方法施工，岩层能较精确地沿设计轮廓断裂下来，使岩面平整，规则，并使围岩的整体性和稳定性不遭受明显的破坏。由于其显著的优越性，光面爆破已经成为我国推广应用新奥法中公认的三大技术措施之一。

光面爆破设计涉及到很多方面的内容，包括炸药的选择，起爆器材的选择，起爆方法的选择等，其中最重要的便是光爆参数的选择。这其中，又以最小抵抗线、周边眼密集系数和周边眼线装药密度为光面爆破的三大要素。在爆破过程中，还要考虑工程计划进度，施工机械的供应情况等等，只有在各方面条件都具备的情况下，光面爆破才能全面的体现其优越性。但，工程中不能只用计算出的结果，还要经过工程类比和试验的方法来调整光面爆破参数，才能让实际效果与设计的预期效果相符合。

虽然光面爆破有着诸多的优越性，但其对施工技术和钻眼精度要求高，而且其超欠挖的控制也一直是工程中的一个难点。实践中本着“宁超勿欠”的原则来指导施工。精心的管理，技术过硬的施工队伍，再加上认真负责的工作态度，是能克服光爆所带来的负面效应的。（一）全断面法。即全断面开挖法，是指按设计开挖面一次开挖成型。其开挖顺序是全断面开挖，锚喷支护，灌筑砼衬砌。常选用于？－？类硬岩的石质隧道，该法可以采用深孔爆破。

全断面开挖法有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，且工序少、干扰少，便于施工组织和管理。缺点是由于开挖面积较大，围岩相对稳定性降低，且每循环工作量相对较大，因此就要求施工单位应具有较强的开挖、出渣与运输及支护能力，茅荆坝？：v类围岩中采用了全断面开挖，达到了预期效果。

全断面施工开挖工作面大，钻爆施工效率较高，采用深眼爆破可加快掘进速度，且爆破对围岩的振动次数较少，有利于转帐岩稳定。缺点是每次深孔爆破震动较大。因此要求进行精心的钻爆设计和严格控制爆破作业。

全断面开挖法的主要工序是：使用移动式台车（或者台架），首先全断面一次钻孔，并进行装荷连线，然后将钻孔台车后退到50m以外的安全地点，再起爆，使一次爆破成型，