隧道新奥法施工技术原理

第一章: 新奥法施工技术原理
新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是New Austrian Tunnelling Method,简写为NA TM。

新奥地利法是奥地利学者拉布西兹（L。

V。

Rabcewicz）教授提出来的，其原理主应用岩体力学理论，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手段，及时地进行支护，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、监控来指导隧道和地下工程设计施工的方法和原则。

洞室开挖后所产生的围岩压力是由岩体与支护结构共同承担的，而且从某种意义上来说，岩体承担了围岩压力的主要部分，新奥法运用共同作用的理论作为隧道建设的指导思想，合理地利用了岩体作为支护结构的一部分，摒弃了过去将岩体作为支护结构的荷载和采用厚衬砌的传统方法，因此这一点可以说是新奥法的精髓。

岩体的失稳是由于洞室的开挖，产生了围岩应力，调整和加剧了结构面对岩体的切割，促使洞周围的岩体松动而引起的，因此，早期加固是避免岩体松动，防止岩体进一步风化，保持岩体稳定的有效手段。

围岩压力与岩体位移关系图
从理论上分析，围岩压力应是塑性形变压力和塑性松动压力的组合，其径向位移的变化曲线如图所示，根据图示的曲线特征即可分析支护刚度、支护时间对围岩压力的影响，塑性圈半径的大小从其变化特性而言与径向位移和时间成正比关系，应力调整过程中随着时间的增长其径向位移将不断产生，而径向位移的增长又促进塑性圈的继续扩大，直至达到岩体新的应力平衡，因此，可以说在围岩的二次应力调整过程中，时间、岩体径向位移、塑性圈半径等三者之间的作用是相互联系的。

新奥法建议断面及支护形式
新奥法中建议采用图所示的隧道截面形式，支护结构为一闭合环，支护结构采用的基本形式是金属网、锚杆和喷射砼，通常被称为喷锚结构，采用这种支护形式的目的是消除传统支护与岩体不能紧密地贴在一起，使支护与岩体形成一个整体的弊端，此外，这喷射砼的厚度一般为15cm左右，在上金属网形成柔性支护，能够使支护与岩体产生一定量的位移，但仍能使岩体保持洞室的稳定，如果，围岩二次应力比较大，则可采用加大喷射混凝土厚度和缩短各锚杆之间的距离等手段，甚至在洞内加设钢拱肋的方法，以确保洞室的稳定，在新奥法施工中，要求尽量用全断面开挖，以减少分级开挖而引起的多次扰动。

在施工中加强施工现场的监测，并以现场监测所得的数据作为反馈信息，进行补充设计，新奥法要求在整个施工过程中进行全面的现场监测，监测的主要内容通常是洞室内壁的位移收敛、支护与围岩交接处的压力，锚杆所受的应力及洞室周围岩体的各点位移等，将监测所得的数据制出相应的曲线（如收敛位移与时间的曲线），经长期累积后，即可分析岩体的稳定性，发生问题及时进行补充设计，保持洞室岩体的稳定。

新奥法能较好地利用岩体的力学性质，充分发挥岩体的自身的承载能力，合理地设计支护结构，从而确保隧道施工的安全性及使用的长期性，能够更完善、更经济地进行隧道建设。

第二章: 隧道施工准备
隧道施工组织安排一般独立进行，为了对工期、工程费用、施工方法及安全生产等做出计划，隧道施工前应深入工地做好调查研究，为施工提供基础资料，全面细致分析各种自然条件、社会条件、内在因素等，从量化角度详细分析，以最优化方案做好施工组织设计。

2．1工程概况：
2．1．11了解自然条件。

依据设计图纸的相关内容，深入调查隧道所处路段的地形、地貌；气候特征；水文条件。

尽可能查明隧道施工范围内的地形、地质及下列围岩的实际状况，浅埋地段地质和地表下沉的可能性，断层破碎带和褶皱破碎带构造、性质和范围，有无膨胀性
土压，有无流沙现象，洞口地段偏压和滑坡活动情况，围岩中有无毒气，做好洞内涌水形态、涌水量及其贮水范围等水文地质情况，分析各因素对隧道施工可能造成的有利或不利影响，以便采取相关处理措施。

2．1．12掌握施工条件。

施工条件在施工过程中是比较关键性的因素，它贯穿整个施工过程，它包括：交通状况、电力资源、水源、材料等，施工时尽可能利用当地电源、动力、通讯、机具车辆维修、物资、消防、劳力、生活供应及医疗卫生条件，以节省工程费用，为拟定供水方案，应对隧道附近水源位置、储水量及水质情况进行调查，根据设计文件提供的料场，对砂石等材料的产量、质量进行鉴定，据此确定材料供应方案。

2．1．13进行技术准备。

施工场地的合理与否，关系到施工进度和工程成本，由于隧道的工程量较大，技术复杂，施工机械化成度较高，因此，洞内外各项工作应协调配合，提高机械效率，作好场地总体布署及临时工程主要包括四通（水、电、道路、通讯）一平（平整场地）及临时房屋的建设，隧道开工前应根据工程需要配备成套的试验仪具，对设计文件所列的各种材料做好试验工作，同时按规定配备机械设备和量测仪器，空气压缩机的容量要求比传统施工方法增大一倍，以满足开挖和喷射砼作业的需要，隧道施工测量是工程修建中不可缺少的一环，因此必须重视控制点、基准点、水准点的交接和复核工作，并通过三角网或精密导线网对各点进行校核，以确保隧道施工精度。

2．2编制施工组织设计：
在调查研究，核对设计文件，组织线路测量复查等工作基础上编制施工组织设计，并以此作为隧道施工的依据，编制施工组织设计，可按下列步骤进行：
2．2．1复核与分析工程设计文件，掌握工程施工的特点，摘录工程数量。

2．2．12确保总的施工方案和总的实际施工期限，在施工方案中应包括：机械化程度；初步安排施工进度；工序作业流水线和流水速度；划分总的施工程序和初步安排施工场地平面图。

2．2．13选择各分项工程的实际施工方法和计算工作量。

2．2．14确定各分项工程的实际施工进度和施工期限。

2．2．15编制施工进度图，并进行最合理的调整。

2．2．16计算劳动力、电力、材料和机械设备的需要量，并根据施工进长的要求，编拟供应计划。

2．2．17布置运输线路，计算运输量，选择运输方式，确定运输工具数量。

2．2．18确定自办材料的开采和加工方案，提出各种附属企业的设置方案和生产计划表。

2．2．19制定各项临时工程施工方案和计算工作量。

2．2．20拟定安全、质量、环保和节约等主要技术措施。

2．2．21提出施工管理机构的方案，确定劳动组织的编制，制定各种相应的管理制度。

2．2．22编写施工组织说明书。

第三章: 洞口、明洞与浅埋工程
3．1洞口工程：
隧道洞口各项工程是指边、仰坡土石方工程，边墙、翼墙及洞口排水系统等，这些工程相互关联，往往一项工程安排不周就会影响其他工程，因此应全面考虑，妥善安排，以减少干扰，保证安全，尽快完成，为洞身施工创造条件，其主要精神有两点，一是保证边坡、仰坡稳定，防止塌方，堵塞通道；二是进洞前宜将土石方及其相关工程做完，做好，避免与洞内施工干扰，影响工期。

洞口工程宜在雨季前做好，因为洞口开挖后破坏了自然平衡，且地质条件通常都比较复杂，特别是不良地质地段，在雨季施工不宜保证安全，洞口工程还包括洞门，但洞门可在进洞后再做，在一般性况下洞门所处的位置并不理想，进洞时可采用钢支撑紧贴开挖面，形成假似洞口，围岩差时可用管棚支护。

3．2明洞工程：
明洞大多设置在坍方、落石、泥石流等不良地质或受地形限制地段，明洞一般为钢筋砼结构，因此施工中如钢筋的加工、接头、焊接、绑扎和安装以及砼的拌制、运输、浇筑、养护、拆模和检查均要求严格施工，拱形明洞与隧道整体式衬砌基本相似，由拱圈、边墙、铺底或仰拱组成，其衬砌施工一般要求除参照隧道整体式衬砌办理外，在衬砌端部与拱、墙首轮环节处都要设置挡头板，为控制拱圈厚度，在拱部加设外模并架立骨肋边接固定，当先做一侧边墙随即灌筑拱圈时，如另侧的拱脚基岩松软，可在拱脚下横木垫板加大承载力面积或夯填碎石以增加拱脚承载力，墙背回填的作用，主要是使边墙与围岩密贴，当围岩较稳定时一般可自墙顶起坡开挖，墙背宜挖垂直或较陡的坡度，当围岩稳性较差时，采用先拱后墙法施工，边墙宜开挖马口灌筑，两者和墙背空隙都不大时，可用与这墙相同材料同时自墙底起坡或在已成路堑增建明洞，明洞防水层材料应尽可能采用实践证明的良好的材料。

明洞与隧道暗洞衔接施工，应注意防止仰坡坍塌，并做到明暗洞衔接良好，。

3．3浅埋工程
实践证明，覆盖层浅的隧道，其围岩难以自成拱，地表易下沉，因此应采用合理的施工方法，根据山体成形的特点，浅埋段一般存在于洞口段范围内，洞口段的一般范如图所示：由于埋层浅，因此洞口段往往是施工上的技术难点，洞口自然灾害及处理措施如下表所示
灾害现象问题点主要措施
滑坡由于洞口挖方破坏了原地面的平衡，导致滑坡，在原地层滑坡线上开挖，导致出现新的滑坡。

地表锚杆，注浆桩，深基桩，挡墙、土袋等。

崩塌落石在陡坡山崖处开挖，即使围岩条件好也极可能出现崩塌或落石喷射砼，地表锚杆，锚索，防落石棚，化学药液注浆。

偏压岩地形非对称性，作用在隧道横断面上的荷载不平衡，加大隧道结构上的压力，导致结构剪切破坏。

平衡压重填土，护坡挡墙，反压护拱，挖切土体，减轻偏压力。

泥石流泥石流的冲击力极大，多从沟谷冲下，危害结构物安全。

沿沟谷设梯级防沙坝。

雪崩与泥石流同样具有极大冲击力，多发生在沟谷或陡坡处。

沿沟谷设梯级坝，洞口顶部设防护棚。

工程实例：206国道改造丰顺莲花山隧道工程地处莲花山山脉中低山区，工程总长13.39km，其中柚树下隧道长1569m属于长隧道，地形变化比较复杂，其汕头端洞口为第四系残坡积层,天然含水量25%，液性指数0.09，孔系比1.081，直接快剪凝聚力35.20KPa内磨擦角25°，属Ⅱ类围岩,受整个线路的影响洞口处于极度偏压、浅埋地段，山坡最大倾角达40度，隧道上方最浅埋深只有2米多，如图所示，洞口断面图（比例1：600）
从洞口断面图中可以看出其所处的地质结构是相当复杂的，经实地考查可知其岩性较弱。

经过强烈的地质构造运动，或风化作用造成极度破碎的岩体，这种岩体被称为软弱岩体，其初始的大主应力一般为垂直方向居多，隧道开挖后容易在某一范围内形成一个滑动面，同时我们知道，岩体内有各种各样的结构面，它们有的是构造作用形成的，有的是其它原因造成的，这些结构面对围岩的影响不仅仅是它们本身的强度比岩石低，从而造成潜在滑动面，更重要的是这些结构面的组合，使岩体内出现分离体，这些分离体就是与整个岩体相脱离的岩块，当隧道开挖后，山体的应力重新分布，这些岩块在自身重力作用下有塌落的可能，而在浅埋地段会形成大面积的坍落，造成较大的经济损失。

所谓偏压是指由于地形的非对称性作用，在隧道横断面上的荷载不平衡，加大了隧道结构上的压力，导致结构剪切破坏，隧道开挖后上面的土层形成自重应力场，其侧向压应力б呈三角形分布，如图所示，由于山体偏压，濳在的滑动体形成了附加的拉应力б1从图中可以看出M点至隧道壁范围内处于受拉状态，由于覆盖层薄，其上面不能形成稳定的覆盖层，并且随着时间的延长，M点逐渐向上延伸
一直到最终的整体破坏。

针对这一特殊的地质现象设计采用了反压护拱的方案其布置如图所示
锚杆：Ф22mm,L=5m，间距1m×1m，面积25m×24m
钢筋网：两层，间距20cm×20cm
20号砼：长20m×宽16m×厚1.5m
施工中用的锚杆不但起到抗滑作用，同时也加固了软弱围岩。

并取得了良好的效果。

在岩体中施加锚杆的主要作用是加强薄板状或不牢固的岩体，锚杆产生应力和应变，从而改善岩体的稳定性。

破碎围岩锚固体的应力变形曲线如图，图中第一个峰线是试件破碎前的曲线，第二个峰线是破裂后锚固体应力变形曲线，第二个峰线显示了两个特点：一是锚固体具有可观的强度，它接近于试块的强度；二是锚固体具有较好的可缩性，如图当应力达到极值后产生明显的变形，但是其承载力基本不变，根据地压显现的规律可知，对于地压较大的地层，采用可缩性支护，经过释放应力是加固围岩取得成功的关键。

为了验证反压护拱应用的可靠性，在施工洞口工程时对其进行了严格的监测，在洞顶布置了六个监测点，其布置形式如图所示其观测结果是：水平位移为零，垂直方向有变形。

把六十天的观测结果绘成收敛曲线和收敛回归曲线图如图所示，从曲线回归图中可看出在前28天内曲线斜率较大，说明其变形比较明显，而在28天至60天这段区间内，曲线斜率逐渐变小，并一直趋向于零，也就是说隧道上部的围岩已形成了比较稳定的环形拱架，从而达到了自稳。

在第二部分应力、应变分析章节中我们知道，由于地形偏压且浅埋，其应变的典型曲线的变化规律是开始曲线斜率较小变形并不明显，而随着时间的增加其变形有增大的趋势，而在这种情况下，围岩是不稳定的。

第四章: 洞身工程
第一节: 洞身开挖
4．1．1围岩分类：隧道围岩分类是正确进行隧道设计与施工的基础。

类别围岩主要工程地质条件围岩开挖后的稳定状态
主要工程地质条件结构特征和完整状态
Ⅵ硬质岩石（饱和抗压极限强度Rb?60Mpa），受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面或夹层，层状岩层为厚层。

呈巨石状整体结构围岩稳定、无坍塌，可能产生岩爆。

Ⅴ硬质岩石（饱和抗压极限强度Rb?30Mpa）受地质构造影响较重，节理发育，有少量软弱面和贯通微张节理，但其产状组合关系不致产生滑动，层状岩层为中层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象。

呈大块状砌体结构或巨块状事例结构。

暴露时间长可能会产生局部小坍塌，侧壁稳定，层间结合差的平绶岩层，顶板易塌落。

Ⅳ硬质岩石（饱和抗压极限强度Rb?30Mpa）受地质构造影响严重，节理发育，有层状软弱面，但其层状及组合关系尚不致产生滑动，层状岩层为薄层或中层，层间结合差，多有分离现象。

呈块石、碎石状镶嵌结构，拱部无支护时可产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易塌。

Ⅲ硬质岩石（饱和抗压极限强度Rb?5Mpa）受地质结构影响严重，节理很发育，层状软弱面已基本被破坏，呈块、碎石状，拱部无支护时可产生较大的坍塌，侧壁产生小坍塌，浅埋时易出现地表下沉
Ⅱ石质围岩位于挤强烈的断裂带内，裂隙杂乱，呈石夹土或土夹石状，一般为第四系的半干性土、硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的一般碎、卵石土，角砾土及黄土。

呈松散结构，非粘性土呈松软结构围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌，浅埋时易出现地表下沉。

Ⅰ石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内，呈角砾、砂、泥松软体，软塑性粘土及潮湿的粉砂等。

呈松软结构，粘性土易蠕动。

围岩极易坍塌变形，有水时土砂常与水一齐涌出。

4．1．12开挖方法：隧道施工中，开挖对工程的安全、质量、进度会产生重大影响，因此确定开挖方式和开挖方法时，应对各种条件作综合考虑，爆破开挖的进度较快且较为经济，缺点是会产生振动，和噪声对围岩也会产生不同程度的扰动，掘进机开挖对环境无不良影响，超、欠挖小，对围岩基本上无扰动，缺点是一次性投入大，人力开挖在施效率、安全性等方面很差，只限于局部，地段围岩不稳定、未固结的土质隧道以及小断面导坑开挖，根据围岩的实际情况，一般认为Ⅱ类围岩可采用人工机械开挖方式，Ⅲ类以上的围岩采用钻爆方式。

在开挖方法方面，全断面开挖的特点是，开挖断面与作业净空大，干扰小，有条件充分使用机械，减少人力，每掘进一次，石渣数量较多钻爆和出渣又必须顺序作业，因此需配有钻孔台车和配套的高效率装渣机械才能提高掘进速度。

台阶法按上台阶超前长度分为长台阶法，（台阶长50米以上）、短台阶法（台阶长5-50米）和微台阶法（3-5米），三种，采用长台阶时上下部可配属同类大型机械平行作业，当机械不足时可交替作业，当遇短隧道时可将上部断面全部挖通后，再挖下半断面，短台阶和微台阶二种方法可缩拓仰拱封闭的时间，改善初期支护受力条件，但施工干扰较大，当遇到软弱围岩时需慎重考虑，必要时采用辅助开挖措施稳定开挖面，以保证安全。

导坑法从功能上考虑其适用性稍有差别，探查地下水时采用下导坑法较合适，处理膨胀性地层时，中央导坑法较合适，洞口段辅助开挖时上导坑法较合适，侧壁导坑法适用于地质差、断面大、地表下沉有严格要求的情况，典型的开挖方法如图所示：
4．1．3钻爆设计：爆破工程是一门技术科学，技术含量的高低直接影响着爆破效果，因此在工程应用中它是控制工程质量及成本的关键性因素之一。

公路隧道的施工特点是断面较大，两车道隧道最大断面达到100平方米、三车道隧道最大断面达到150平方米左右，如何在这样大的面积上施作爆破参数，从而达到预期的效果，需要有较高的技术要求。

目前在隧道工程中应用最广的是钻眼爆破技术，其主要任务是，在保证安全的条件下，高效率、高质量、低成本地将岩石按规定的断面爆破下来，并且尽可能地不损坏隧道的围岩，从而达到隧道的长期稳定性，为此，需在工作面上合理布置一定数量的炮眼、确定每孔的装药量、采用合理的装药结构及起爆顺序。

炮眼布置和合理选择各种参数将有效地达到爆破任务所规定的技术要求。

4．1．3．1岩石爆破作用原理
1岩石的强度。

岩石是一种天然生成的固体，具有一般固体的强度性质,同一岩石在不同受力状态下的强度一般符合以下规律:三向等压强度>三向不等压强度>双向压缩强度>单向压缩强度>剪切强度>单向拉伸强度，但是岩石在不同受力状态下的强度差异往往比其它固体要大，如岩石的抗拉强度只有单向抗压强度的3-30%。

因此岩石在受到拉力时很容易破坏，而处于压应力、特别是三向压应力状态下不容易破坏。

许多实验研究的结果表明，岩石的破坏形式只有两种：拉伸破坏和剪切破坏。

2 爆破破碎机理。

爆炸在岩体中所激起的应力扰动的传播称为爆炸应力波。

爆炸应力波在距爆点不同距离的区段内可表现为冲击波、爆炸应力波和地震波。

在爆炸点近区内产生的冲击波具有陡峭波头，并以超声波传播，波头上的岩石所有状态参数都发生突跃变化，传播过程中能量损失大，衰减快。

随着距离增大，冲击波衰减为压缩应力波，波头变缓，以声波速度传波，仍有脉冲性，传播中能量衰减比冲击波小，随着距离再增大，压缩应力波衰减为具有周期性震动的地震波，如图所示。

单个装药在无限岩体内爆破时，根据岩石的破坏情况，可以将炸药周围的岩体分为三个区：岩体除在装药处产生扩大的孔腔外，将产生粉碎区、裂隙区和震动区，如图所示。

炸药爆炸在岩体中作用的冲击波或应力波传播到自由面时将产生反射；入射波为压缩波，反射波则为拉伸波，岩石容易拉伸破坏，岩石将从自由面开始，向岩体内部形成片落破坏块，反射波拉伸衰减到不足以拉断岩石时，还可以同径向裂隙的尖端处应力场叠加，使径向裂隙进一步扩
展延伸，如图
3）爆破参数的确定
反射拉伸波对径向裂隙的影响
公路隧道在爆破过程中应用的是光面爆破技术，它可以使爆破后的隧道断面形状规则，符合设计，隧道围岩平整光滑，损伤小，保持稳定。

依据岩石的强度及爆破作用机理为获得良好的光面爆破效果，一般都选用低密度、低爆速、高威力的炸药，目前隧道施工一般选用2号岩石炸药和防水的乳化炸药。

4）不偶合系数。

不偶合系数选取的原则是使作用在孔壁上的压力低于岩石的抗压强度而高于抗拉强度，即，
KD=db/dc≥[ηρ0D2/8Kbσc]1/6
式中：ρ0，D--为炸药的密度和爆速；
Kb--体积应力状态下岩石抗压强度增大系数；
η--压力增大倍数；
σc --岩石单轴抗压强度。

在实际爆破中，不偶合系数视炸药和岩层性质不同，一般在1.5-2.5之间。

5炮眼间距。

合适的间距应使炮眼间形成贯穿裂缝。

关于贯穿裂缝形成的机理，目前有不同的观点，根据应力波理论，可以得出合适的眼间距是以两眼在连线上叠加的切向应力大于岩石的抗拉强度为原则，
E=（2bp2/σt）1/adb
式中：E--炮眼间距；
p2--炮眼壁上初始应力峰值；
b--切向应力与径向应力比值，b=γ/(1-γ), γ为泊松比。

σt--岩石抗拉强度；
a--应力波衰减指数，a=2-γ/（1-γ）；
db --炮眼直径。

其中：E一般为炮眼直径的10-15倍，在松软岩层中取小值，在较硬和较完整的岩层中可取最大值。

6）最小抵抗线。

光爆层厚度或周边眼至邻近崩落眼的距离是周边眼爆破的最小抵抗线，最小抵抗线过大，光爆层的岩石将得不到适当破碎，过小，在反射波作用下，围岩内将产生较多的裂缝，影响围岩稳定，合理的最小抵抗线是与装药邻近系数m=E/W相关的，当m=0.8-1.0时最好。

" & Chr(13) & Chr(10)4．1．4工程实例
206国道改造丰顺莲花山隧道工程梅汕施工现场以桥梁、隧道为主，其中青潭隧道长2879米，柚树下隧道全长1569米，是控制整个线路工期及评比质量的关键工程。

隧道在施工过程中爆破工程是最关键的施工工序，其爆破效果的好坏直接关系到施工质量、施工安全、工程成本，由于隧道施工的隐蔽性，及隧道围岩的千变万化，由理论计算出的一些参数在实际工作中并不能达到最好，因而只能作参考，在这两个隧道的施工过程中，工程技术人员以理论数据为基础，结合工程特点，边实践边改进，在施工过程中摸索出了一套行之有效的施工技术方案，现分述如下供同行类参考。

" & Chr(13) & Chr(10)4．1．4．1围岩特性：青潭隧道和柚树下隧道为穿越莲花山中低山区的长隧道，穿越山岭地形完整，反映在该上部为第四系残坡积层，基底为上侏罗统凝灰岩及其风化层，围岩基本以Ⅳ-Ⅴ类为主。

地下水不发育，岩石单轴极限抗压强度离散性大，从55.10-185.61Mpa平均值101.7Mpa，弹性模量7.42-8.97E4Mpa,泊松比0.33-0.43,RQD=30-85%." & Chr(13) & Chr(10)4．1．4．2爆破参数：以下爆破参数是在前面理论计算的基础上，在实际操作中进行了调整。

" & Chr(13) & Chr(10)炮眼深度（L）:3.00-3.40m；。