新奥法

隧道新奥法的工作原理与工艺

曾怀波摘要

新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。

新奥法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。

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。

关键词

新奥法、全断面法、支护、喷混凝土、锚杆、量测

正文

对于“新奥法”一词的内涵，人们的认识有一个发展的过程。诚如它的名词本身—New Austrian Tunneling Method（缩称NATM）所表述的那样，新奥法的创始人最初是将它作为一种同新型支护相关的隧道修建方法提出来的。但后来发现，将新奥法拘泥于一种特定的施工方法或具体的支护技术将会使其推行受到很大的局限。于是，在一些文献中强调新奥法是一种“概念”、“哲学”、“原则”或“途径”，而不是一种固定不变的具体施工方法或技术。阐明这一点，有重要的现实意义。事实上，在一些工程中，由于照搬某些新奥法工程中具体施工方法而不注意结合本工程的实际来体现新奥法的原则而遭到失败。那

么，什么是新奥法概念的内涵？有人归结为22条，有人归结为7条。其实，只有一条，那就是保护围岩，调动和发挥围岩的自承能力。从这样一个原则出发，可以根据隧道工程具体条件灵活地选择开挖方法、爆破技术、支护形式、支护施作时机和辅助工法。至于对围岩变形的控制，根据不同情况，有时应强调释放，有时应强调限制。其目的都是为了“保护围岩，调动和发挥围岩的自承能力。

新奥法应用岩体力学的理论，通过对隧道围岩变形的量测、监控，采用新型的支护结构，尽量利用围岩自承能力指导隧道设计和施工的方法。其特点是在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷射混凝土和锚杆支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力（见围岩压力）。因此，它也是一个具体应用岩体动态性质的完整力学方法，其目的在于促使围岩能够形成圆环状承载结构,故一般应及时修筑仰拱,使断面闭合成圆环。它适用于各种不同的地质条件，在软弱围岩中更为有效。新奥法的原理虽然可用于各种类型的支护,但是,最为适用的是喷锚支护。因此喷混凝土、锚杆、量测被认为是新奥法的三大要素。它产生和发展的历史与这三者密切相关，但不能把喷锚支护误解为新奥法的同义语。

新奥法经过了一个漫长的发展过程。新奥法主要创始人 L.V. 拉布采维茨在1934年就试图将喷浆方法用于地下工程。他在1942～1945年建造的洛伊布尔隧道中采用了双层薄衬砌，即先喷一层混凝土,待变形收敛后再喷一层。1944年,他发表了有关喷混凝土的论文，并指出了围岩动态随时间变化的重要性。1948年,又指出了量测工作的重要性。1948～1953年喷混凝土在奥地利首次用于卡普伦水力发电站的默尔隧洞。最早在欧洲推广使用锚杆的是1951～1953年建造的伊泽尔-阿尔克电站的有压输水隧洞。 1953～1955年修建普鲁茨-伊姆斯特电站的有压输水隧洞时,按照拉布采维茨的建议,充分采用锚杆而获得成功。1957～1965年是着手发展新奥法的时期。拉布采维茨于1963年将这一方法正式命名为新奥地利隧道施工法。1964～1969年又提出了在岩石压力下隧道稳定性的理论分析，强调采用薄层支护，并及时修筑仰拱以闭合衬砌的重要性。根据实验证实，衬砌应按剪切破坏进行设计计算。奥地利的马森贝格道路隧道由于

地质不良,用比国法失败后,改用新奥法使闭合隧道衬砌环的经验取得成功，并在1971年及1974年分别用于地压很大的陶恩隧道和阿尔贝格隧道。

新奥法支护机理的基本观点是根据岩体力学理论，着眼于洞室开挖后形成塑性区的二次应力重分布，而不拘泥于传统的荷载观念。所以它主要不是建立在对于坍落拱的“支撑概念”上，而是建立在对围岩的“加固概念”基础上。在合理的临界限度内，它所需要的表面支护抗力Pi是与围岩塑性区半径R、洞室周边位移ur、以及围岩的内聚力с、内摩擦角φ等参数成反比，而支护能提供的抗力则与其刚度成正比。

图中表示了隧道围岩应力再分布和支护抗力之间的关系。围岩特征曲线1表明，若不允许围岩壁面位移发展,洞壁径向压应力非常大；而若允许位移发展，则径向压应力减小，当位移达到某一数值时，围岩径向压应力，也就是支护抗力，为最小(Pi新奥法)。如果接近开挖面修筑支护,则位移ur较小。支护特性曲线2表示随着ur的增加，Pi也增加，并在与曲线 1的交点处取得应力稳定，此时的径向压应力为P媽。如果修筑刚性更大的支护如曲线3所示,径向压应力增大如图中的P嫇。新奥法就是根据上述理由，接近开挖面适时施作密贴围岩的薄层柔性支护的。如果施作支护时间过迟，则使围岩位移过大而产生塌落荷载。如图中斜线阴影部分，也使径向压应力P拝增大，如曲线4所示。曲线 5表示由于围岩应力重分布和衬砌之间相互作用而存在的四个显著的特征阶段。第Ⅰ阶段是围岩不受支护的约束而能够向洞室内自由位移的时期。第Ⅱ阶段是修筑一次支护时由于支护抗力而使变形速度减小，并且这个抗力还和支护的刚度有关。第Ⅲ阶段是由于修筑了仰拱，支护刚度变大而使变形速度越来越小。最后当仰拱完全受力，就达到第Ⅳ阶段，变形基本停止。

新奥法基本的施工方法如下：钻孔安装导管→双液注浆→开挖钻孔→吹孔装药→放炮→处理危石是否开挖够3.5米喷普通砼←打锚杆立钢拱架←喷钢纤维早强砼←出碴。

新奥法的基本要点可归纳为以下7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