1、谈新奥法在隧道工程施工中的应用摘要: 新奥法施工技术为中国乃至全世界的隧道施工做出了巨大贡献，它几乎可以适用于从的所有岩土环境，城市、山区、海底所有地域都能见到它的影子。它的成功不仅体现在数量上，在保证工期，保证安全，保证质量等方面也是少有比拟的。它是人类智慧的体现，是工程技术不断创新进步的结果，相信随着社会的进步，工程施工技术会越来越先进，但新奥法工程史上的功绩是不可抹灭的。 关键词:隧道新奥法全断面台阶法分部开挖 中图分类号： U45 文献标识码： A 1 新奥法的理论介绍 最初，人们都认为在地层中开挖坑道必然要引起围岩坍塌掉落，开挖的断面越大，坍塌的范围也越大。因此，传统的隧道结构设计方
2、法是将围岩看成是必然要松弛塌落，而成为作用于支护结构上的荷载。随着科学的及工程施工技术的不断进步，人们对岩体有了更深层的认识。上世纪六十年代被奥地利学者 L腊布兹维奇教授命名为“新奥地利隧道施工法（New Astria Tunnelling Method） ”，简称“新奥法（NATM） ”的施工方法正式出台。它认为岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，而不是必然要坍塌的荷载，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。 新奥法施工的基本原则可概括为：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”
3、。 2 新奥法施工 新奥法施工方法有很多，基本上可分为：全断面法、台阶法、分部开挖法三大类及若干变化方案。 2.1 全断面法 通常用在硬岩中，按照隧道设计轮廓线一次爆破成型。它的施工顺序是：按断面设计炮眼；钻眼，然后装药、连接导爆管；退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面；排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土；清运石碴；安设边墙锚杆和喷混凝土；隧道仰拱支护；开始下一轮循环。全断面法的优点是：工序少，相互干扰少，便于组织施工和管理；工作空间大，便于组织大型机械化施工，还可采用深孔爆破，施工进度高。 工程实例：大瑶山双线隧道施工时采用深孔爆破全断面施工，最深钻孔深度 5.15 米，复合式衬砌
4、单口月成洞达 150-200 米。 2.2 台阶法 台阶法中包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种，其划分一般是根据台阶长度来决定的，如图 1 所示。至于施工中究竟应采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定： A初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短； B上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备对施工场地大小的要求。 （a）长台阶法 （b）短台阶法 （C）超短台阶法 图 1 台阶法施工步骤 2.2.1 长台阶法 这种方法是将断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖，上、下断面相距较远，一段上台阶超前 50m 以上或大于 5 倍洞跨。当隧道长度较短时，亦可先将上半断面全部
5、挖通后，再进行下半断面施工，即为半断面法。 长台阶法的作业顺序为： （1）开挖上台阶。用两臂钻孔台车或台车配合凿岩机钻眼、装药爆破，地层较软时亦可用挖掘机开挖。安设锚杆和钢筋网，必要时加设钢支撑、喷射混凝土。 （2）下台阶开挖。它在上半断面超前 50m 以上后才开始开挖作业，炮后出渣，安设边墙锚杆和喷混凝土。 相对于全断面法来说，长台阶法一次开挖的断面和高度都比较小，只需配备中型钻孔台车即可施工，而且，对维持开挖面的稳定也十分有利。所以，它的适用范围较全断面法广泛，凡是在全断面法中开挖面不能自稳，但围岩坚硬不用底拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法。 工程实例：云南青山岭公路隧道全长 1100m
6、。隧道岩性以褐灰、浅灰、灰绿色流纹岩为主，风化厚度大，岩体多以碎裂结构为主，不同风化程度的流纹岩，力学性质差别较大，隧道区域划分为、类围岩。围岩采用长台阶施工，设计循环进尺 1.5m，月进尺 50m。 2.2.2 短台阶法 这种方法也是分成上下两个断面进行开挖，只是两个断面相距较近，一般上台阶长度小于 5 倍但大于 115 倍洞跨。上下断面采用平行作业。短台阶法的作业顺序和长台阶相同。 由于短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，所以适用范围很广，级围岩都能采用，尤其适用于、级围岩，是新奥法施工中主要采用的方法之一。 短台阶法的缺点是上台阶出碴时
7、对下半断面施工的干扰较大，不能全部平行作业。 工程实例：京珠高速公路靠椅山隧道位于广东省韶关市翁源县铁龙镇与新江镇交界处，分左右线隧道，横穿靠椅山。隧道设计为单洞三车道，采用 R=7.4m 单心圆曲墙式衬砌，除明洞衬砌外，其余衬砌类型均按新奥法原理设计，采用复合式衬砌。右线出口端 2050m，地质为中下泥盆统桂光群砂岩及泥质粉砂岩夹薄层页岩，因受褶曲及构造挤压影响，岩层节理裂隙发育，岩层破碎，岩石风化成亚砂土、亚粘土，原岩结构完全破坏。在软岩地段施工中，采用短台阶平行作业法，缩短工期约 50 天，保证了整座隧道按期完成，且节约投资近 60 万元。 2.2.3 超短台阶法 超短台阶又称微台阶法，
8、这种方法也是分成上下两部分，但上台阶仅超前 35m，只能采用交替作业。 短台阶法施工作业顺序为： （1）开挖上台阶至一个进尺，安设拱部描杆、钢筋网或钢支撑，喷拱部混凝土。 （2）开挖下半断面至一个进尺。安设边墙锚杆、钢筋网或接长钢支撑，喷边墙混凝土（必要时加喷拱部混凝土） 。 （3）开挖水沟、安设底部钢支撑，喷底拱混凝土。灌注内层衬砌。 由于超短台阶法初期支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形和地表沉陷。所以超短台阶法适用于膨胀性围岩和土质围岩等要求及早闭合断面的场合。 超短台阶法的缺点是上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰较大，生产效率较低，施工速度较慢。 工程实例：某黄土隧
9、道地处黄土丘陵地带，属于长大隧道。在隧道下穿高速公路位置，地面地形比较平缓。地表覆新黄土，黄褐色，坚硬 硬塑，颗粒均匀，具大孔隙，含薄层细圆砾土和钙质结核层，夹多层浅棕红色古土壤层。下伏老黄土，浅棕红色，坚硬硬塑，土体紧密，含钙质结核层和洪积碎石类土和砂土，洞顶覆土较薄。区段沿线新黄土分布广泛，部分具有湿陷性。下穿高速公路 64.1m，采用超短台阶施工方法，用时 54 天，最大沉降 17.1mm，而设计沉控制沉降量为 20mm，成功穿越高速公路，完成了重点工程安全质量进度目标。 2.3 分部开挖法 分部开挖法可分为三种变化方案：台阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法，见图 2。 2.3.1
10、 台阶分部开挖法 台阶分部开挖法又称环形开挖留核心土法，一般将断面分成为环形拱部（图中的 1、2、3） 、上部核心土（4） 、下部台阶（5）等三部分。根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖。环形开挖进尺为0.51.0m，不宜过长。上部核心土和下台阶的距离，一般为 1 倍洞跨。 （a）台阶分步开挖法 （b）单侧壁导坑法 （c）双侧壁导坑法 图 2 分部开挖法 台阶分部开挖法的施工作业顺序为： （1）开挖环形拱部，架立钢支撑、喷混凝土。 （2）在拱部初期支护保护下，开挖核心土和下台阶，随时接长钢支撑和喷混凝土、封底。 （3）根据初期支护变形情况或施工安排建造内层衬砌。 工程实例：老山隧道位于
11、南京市老山林场境内, 为上、下分离式三车道高速公路长隧道, 隧道最大开挖宽度 19.2 m , 最大高度 11.98 m , 最大开挖面积 178.93 , 最大埋深 251 m。隧道地质结构复杂,所处路线段内不良地质现象主要为岩溶、断层及破碎带，类以上的软弱围岩占 50%以上, 隧道洞口段埋深较浅 , 以软弱泥岩为主 , 开挖跨度大,围岩自稳能力差。经研究实践后决定采用正台阶预留核心土法, 掘进速度快, 月进尺百米以上；安全和质量均处于受控状态；每延米较设计的施工方法节省投资 4200 元, 取得了较好的经济效益和社会效益。环形开挖预留核心土法在老山隧道的成功应用，充分证明了此法在大断面软围
12、岩隧道施工的可行性和适用性。 2.3.2 单侧壁导坑法 单侧壁导坑法的施工作业顺序为； （1）开挖侧壁导坑，并进行初期支护（锚杆加钢筋网、或锚杆加钢支撑、或钢支撑，喷射混凝土） ，应尽快使导坑的初期支护闭合； （2）开挖上台阶，进行拱部初期支护，使其一侧支承在导坑的初期支护上，另一侧支承在下台阶上； （3）开挖下台阶，进行另一侧边墙的初期支护，并尽快建造底部初期支护，使全断面闭合； （4）拆除导坑临空部分的初期支护； （5）建造内层衬砌。 单侧壁导坑法是将断面横向分成 3 块或 4 块，每步开挖的宽度较小，而且封闭型的导坑初期支护承载能力大，所以，单侧壁导坑法适用于断面跨度大，地表沉陷难于控制
13、的软弱松散围岩中。 工程理论分析：某隧道隧址区属构造侵蚀窄谷脊状中丘地貌, 岩层呈单斜状产出,隧道轴线与构造线走向近于垂直,其地质构造不发育, 主要为岩层节理裂隙。隧址区地势落差大, 相对高差达 100m。地下水类型主要为承压水, 隧道区地下水补给主要来源于大气降水, 洞内涌水量不大。隧址区上部覆盖层薄, 大部分为基岩裸露区, 下伏基岩岩性主要为下沙溪庙组砂岩与砂质泥岩互层。随深度增加,岩体趋于完整, 裂隙发育程度变为较发育不发育。 工程模拟采用单侧壁导坑法施工，数值模拟分析表明, 隧道围岩支护体屈服区皆在锚杆的加固范围之内, 围岩位移和应力不大, 符合公路隧道设计规范的要求, 锚杆轴力一般小
14、于 10.0kN。因此, 对类似地质条件的四车道大跨度隧道采用单侧壁导坑法施工是可行的，为大跨度隧道施工提供了可供比选的施工方法。 2.3.3 双侧壁导坑法 双侧壁导坑法又称眼镜工法。当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的12 左右。 双侧壁导坑法施工作业顺序为： （1）开挖一侧导坑，并及时地将其初次支护闭合。 （2）相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并建造初次支护。（3）开挖上部核心土，施做拱部初期支护，临时支撑设在两侧壁导坑的拱脚初期支护上。 （4）开挖下台阶，施做底部（仰拱
15、）的初期支护，使初支结构全断面闭合。 （5）拆除导坑临空部分的初支结构。 （6）施做二次衬砌。 双侧壁导坑法的优缺点：当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1/2。双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初期支护全断面闭合的时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发展。双侧壁导坑法施工安全，但速度较慢，成本较高。 工程实例：翔安隧道是国内第一条海底隧道，西起厦门五通，东至翔安海岸，是厦门第三条进出岛公路通道，全长 6.05km，跨越海域宽约420
16、0m。隧道按双向六车道高等级公路标准设计。隧道五通端为 720 余米全强风化花岗岩, 隧道埋深为 1119 m。洞顶有公路、民居、厂房等众多地表建筑物, 洞内岩层土体较松散,土体含水量大, 自稳能力差,不能形成自然压力拱。原 CRD 法施工, 隧道上方沿两侧的破裂面之间的土体全部压到初期支护上,基底承载力不够, 造成隧道初期支护严重下沉。实施此工法后,有效地避免地表大幅度沉降，每月进度从以前的 35 m 达到45m 至 50m，加快了施工进度，保证了结构安全。 3 结语 新奥法施工技术为中国乃至全世界的隧道施工做出了巨大贡献，它几乎可以适用于从的所有岩土环境，城市、山区、海底所有地域都能见到它
17、的影子。它的成功不仅体现在数量上，在保证工期，保证安全，保证质量等方面也是少有比拟的。它是人类智慧的体现，是工程技术不断创新进步的结果，相信随着社会的进步，工程施工技术会越来越先进，但新奥法工程史上的功绩是不可抹灭的。 参考文献： 1杨其新,王明年.地下工程施工与管理M.成都.西南交通大学出版社，2005. 2雷军,和万春. 大跨度软岩公路隧道短台阶七步平行流水作业施工技术J.公路，2001,(4). 3马占荣，武国春,董佐.隧道超短台阶开挖法下穿高速公路施工案例J.铁道标准设计，2011,(S1) 4刘振霞. 正台阶预留核心土法在大断面软弱围岩公路隧道施工中的应用J.现代交通技术，2005,(3) 5 任国雷,蒋中贵,黄木坤.大跨度隧道侧壁导坑法施工过程数值模拟J.西部探矿工程，2005,(3) 6 叶小兵，刘东升,刘玉.海底隧道双侧壁法施工工法J.石家庄
