新奥法理论及其在隧道中的应用

新奥法理论及其在隧道中的应用

摘要：首先介绍了新奥法的历史和发展现状，从阐述新奥法的原理及其探讨新奥法一直存在的争议中对新奥法得到更深的认识，然后针对新奥法在隧道工程中的应用，阐述了新奥法的施工办法和工艺，探讨了新奥法施工的基本理念。

关键字：新奥法；原理；隧道工程；施工

1.概述

新奥法是奥地利隧道施工办法（New Austrian Tunneling Method，简写NATM）的简称。现有的文献表明，新奥法以此最早源自Rabcewicz于1964年的英文文章，文中重新阐述了1962年他在德国Salzburg第十三次岩土力学讨论会的演讲中首次提出新奥法隧道施工实践中的一些基本概念，其名称前冠以“新”字是以区别于老的奥地利隧道工法。

在我国的地下工程领域中，新奥法的应用也得到了高度的重视。20世纪50年代喷混凝土和锚杆技术已开始在矿山隧道中应用。60~70年代喷锚支护已在铁道隧道中推广应用，1983年用新奥法在复杂地层中建成大瑶山铁路隧道，1990年我国第一条用浅埋暗挖施工的城市土层隧道—复兴门地铁站成功建成，90年代新奥法在城市交通隧道和公路隧道中得到了普遍的应用。

2.新奥法原理

新奥法并非单指在隧道修建中的某种开挖方法或某种支护结构型式, 其含义实际上更为广泛和深刻。新奥法以岩体力学为理论基础, 提出了一系列新的概念和原则, 同地下工程的传统概念和认识有根本的区别。多少年来, 在隧道设计和施工中, 一直把支护结构（支撑、衬砌）和围岩看作是对立的两部份, 即把围岩作为松散土石荷载作用在支护结构上, 这就是所谓松散介质理论, 据此理论所设计的支护结构被动地承受来自围岩的荷载。在隧道施工中, 普遍采用钢木支撑作临时支护, 不仅消耗大量钢木材料, 而且由于不能有效地遏制围岩的变形、松弛和防止围岩风化, 往往达不到安全的要求。在灌注永久衬砌时, 又要拆除临时支护, 再一次扰动围岩, 导致围岩进一步松弛和地层压力的增长。衬砌背后回填不密实, 也是造成围岩松动的原因。

新奥法的基本原则是“同岩石合作, 而不是同岩石斗争”, 建立以围岩为主体的支护体系, 依靠围岩的自稳来维持洞体的稳定。因此, 要在工程施工中尽力保护围岩。一方面在符合使用要求的前提下, 选用合理的断面形式, 使轮廓圆顺, 以缓和围岩的局部应力集中。在施工中力求减少对围岩的扰动, 要求采用光面爆破, 大断面开挖, 避免对围岩产生反复的爆破振动。对软弱围岩, 宜采用风镐开挖或单臂掘进机切削, 减少对围岩的扰动和超挖。另一方面对围岩进行加固, 如对松散的砂卵石地层进行注浆加固; 在碎裂结构围岩和软弱围岩中, 用喷射混

凝土锚杆加固。施工中作到支护工序紧跟开挖面, 减少围岩暴露和自由变形的

时间, 防止过量的松弛, 以维护围岩的强度。

3.对新奥法理解存在争议

3.1究竟是原理还是方法

奥地利国家地下空间工程委员会正式命名过“新奥地利隧道施工方法”(N ATM) ,这里明确说是方法。但解释方法时又强调要遵循这样一个原理,即通过发挥围岩承载环的主动作用使洞室周围的围岩(岩体或土层) 成为承载结构部件,

此时又强调的是原理。

米勒教授来华讲学及他发表的系列文章均详细阐述过应遵循的22条原则。他还说过“隧道工程不仅是一门科学,而且是一门艺术。要学好隧道工程这门艺术,决不是短时间的事,要经过多年的学习。”这里强调的是原则和艺术,而不是我们所理解的具体方法。

我国编制的《铁路隧道新奥法指南》中把NATM的基本要求,归纳为7点,这7

点也都是原则,并不是一种很具体的方法。人们通常对方法的理解: 是有明确的条件,具体使用的机具,一定的工序步骤。如TBM、盾构法,我国铁路隧道以前常用的上下导坑先拱后墙法或漏斗棚架先墙后拱法等都是可操作性很强的。因此,虽然名称方法,也被大家习惯承认和使用,但实际上是一些原则。对“原理”和“方法”名词的争论并非无聊的咬文嚼字游戏。“原理”可用在很多场所,具有普遍意义。“方法”使用条件较具体,具有局限性,原理可渗透到方法之中。把各种方法取得的成就统统归结于某一具有普遍意义原理之下是不公道的。

经过总结，当认为新奥法是原理时，它的关键特征是

（1）应该尽最大可能调动隧道周围地层的强度

（2）调动地层强度的方法是允许控制地层的变形。

（3）先安装初期支护，初期支护的荷载变形特征要适合于地层条件，施筑时间与地层变形密切配合；而永久支护的施工通常于最后阶段进行。

（4）安装仪器进行监测初期支护体系的变形及其荷载。监测的结果将形成初期支护（和永久支护）和序列开挖的变更依据。

当认为新奥法是施工技术时，其关键特征是：

（1）序列化地进行隧道的开挖和支护，开挖的顺序和开挖面的面积是可以变化的。

（2）初期支护由喷射混凝土组合下列某些或全部措施：

①钢筋网；

②钢筋架（通常为格栅拱）；

③地层加固（例如岩石锚杆，超前管棚）。

（3）永久支护常常（但不是不可变的）被设计成为分离的，现场浇筑的混凝土衬砌。

3.2 NATM的设计结果会因人而异

NATM的设计不同于地面结构, 也不同于传统的设计方法。传统的设计方法根据分类确定坍落拱的高度,并作为荷载而设计衬砌结构。虽然不合理, 但合乎设计程序规范。N ATM设计思路是围岩分类—依据经验确定支护参数—施工过程中观测和监测—根据监测结果调整支护参数,即所谓信息化的设计方法,并使施工者也参加到设计中去。其思路是正确的,符合事物的客观规律。但在实施过程中,不同的设计者和施工者都可能得出不同的结论。尤其是软岩隧道,在施工步骤、支护参数、工期的安排、造价的估算方面都会产生悬殊的差异。其原因是(1)对围岩分类的认识差异,即使在同属一类围岩中也有程度之分,但设计中并不细致考虑。(2)用分类对照选择支护参数,在一般情况下可行,但对特殊工程、特殊地质条件则很易失误。(3) 勘测不易准确,超前预报尚未普及。(4)根据变形来判别稳定的标准不确定,如允许位移、位移速度和加速度等的标准和判别办法都比较勉强,工程技术人员难于掌握。因此,对一般工程并不能实现事实上的信息反馈。