【正文】 ○○七年十月 目 次 第一講 新奧法設(shè)計(jì)施工的原理 ............................................... 3第二講 隧道的支護(hù)體系與圍巖的穩(wěn)定性 ............................. 11第三講 支護(hù)施工的幾點(diǎn)說明 ................................................. 21第四講 隧道支護(hù)部分規(guī)范與說明 ......................................... 25第五講 監(jiān)控量測與支護(hù) ......................................................... 32 附錄：烏鞘嶺隧道9斜井及正洞監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析及其對(duì)支護(hù)施工的指導(dǎo) ........................................................................... 38第一講 新奧法設(shè)計(jì)施工的原理一、隧道設(shè)計(jì)施工的兩大理論及其發(fā)展過程二十世紀(jì)以來，人類對(duì)地下空間的需求越來越多，因而對(duì)地下工程的研究有了一個(gè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在大量的地下工程實(shí)踐中，人們普遍認(rèn)識(shí)到，隧道及地下洞室工程，其核心問題，都?xì)w結(jié)在開挖和支護(hù)兩個(gè)關(guān)鍵工序上。即如何開挖，才能更有利于洞室的穩(wěn)定和便于支護(hù)：若需支護(hù)時(shí)，又如何支護(hù)才能更有效地保證洞室穩(wěn)定和便于開挖。這是隧道及地下工程中兩個(gè)相互促進(jìn)又相互制約的問題。在隧道及地下洞室工程中，圍繞著以上核心問題的實(shí)踐和研究，在不同的時(shí)期，人們提出了不同的理論并逐步建立了不同的理論體系，每一種理論體系都包含和解決（或正在研究解決）了從工程認(rèn)識(shí)（概念）、力學(xué)原理，工程措施到施工方法（工藝）等一系列工程問題。一種理論是二十世紀(jì)20年代提出的傳統(tǒng)的“松弛荷載理論”。其核心內(nèi)容是：穩(wěn)定的巖體有自穩(wěn)能力，不產(chǎn)生荷載：不穩(wěn)定的巖體則可能產(chǎn)生坍塌，需要用支護(hù)結(jié)構(gòu)予以支撐。這樣，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載就是圍巖在一定范圍內(nèi)由于松弛并可能塌落的巖體重力。這是一種傳統(tǒng)的理論，其代表人物有泰沙基和普氏等人。它類似于地面工程考慮問題的思想，至今仍被廣泛的應(yīng)用著。另一種理論是二十世紀(jì)50年代提出的現(xiàn)代支護(hù)理論，或稱“巖承理論”。其核心內(nèi)容是：圍巖穩(wěn)定顯然是巖體自身有承載自穩(wěn)能力：不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)定是有一個(gè)過程的，如果在這個(gè)過程中提供必要的幫助或限制，則圍巖仍然能夠進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。這種理論體系的代表性人物有拉布西維茲、米勒菲切爾、芬納塔羅勃和卡斯特奈等人。這是一種比較現(xiàn)代的理論，它已經(jīng)脫離了地面工程考慮問題的思路，而更接近于地下工程實(shí)際，近半個(gè)世紀(jì)以來已被廣泛接受和推廣應(yīng)用，并且表現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景。由以上可以看出，前一種理論更注意結(jié)果和對(duì)結(jié)果的處理：而后一種理論則更注意過程和對(duì)過程的控制，即對(duì)圍巖自承能力的充分利用。由于有此區(qū)別，因而兩種理論體系在過程和方法上各自表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。新奧法是巖承理論在隧道工程實(shí)踐中的代表方法。 二、新奧法新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)的理論，以維護(hù)和利用圍巖的自承能力為基點(diǎn)，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段，及時(shí)地進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖的變形（松弛），使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分，并通過對(duì)圍巖和支護(hù)的量測、監(jiān)控來指導(dǎo)隧道和地下工程設(shè)計(jì)施工的方法和原則。（光爆+錨噴支護(hù)+量測）新奧法與傳統(tǒng)施工方法的區(qū)別：傳統(tǒng)方法認(rèn)為巷道圍巖是一種荷載，應(yīng)用厚壁混凝土加以支護(hù)松動(dòng)圍巖。而新奧法認(rèn)為圍巖是一種承載機(jī)構(gòu)，構(gòu)筑薄壁、柔性、與圍巖緊貼的支護(hù)結(jié)構(gòu)（以噴射混凝土、錨桿為主要手段）并使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成支撐環(huán)，來承受壓力，并最大限度地保持圍巖穩(wěn)定，而不致松動(dòng)破壞。新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，原文是New Austrian Tunnelling Method,簡稱為NATM。它與法國稱收斂約束法或有些國家所稱動(dòng)態(tài)觀測設(shè)計(jì)施工法的基本原則一致。新奧法概念是奧地利學(xué)者拉布西維茲教授于二十世紀(jì)50年代提出的。它是以既有隧道工程經(jīng)驗(yàn)和巖體力學(xué)的理論為基礎(chǔ)，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護(hù)手段的一種施工方法，經(jīng)奧地利、瑞典、意大利等國的許多實(shí)踐和理論研究，于60年代取得專利權(quán)并正式命名。之后這個(gè)方法在西歐、北歐、美國和日本等許多地下工程中獲得極為迅速的發(fā)展，已成為現(xiàn)代隧道工程新技術(shù)的標(biāo)志之一。我國近40年來，鐵路等部門通過科研、設(shè)計(jì)、施工三結(jié)合，在許多隧道修建中，根據(jù)自己的特點(diǎn)成功地應(yīng)用了新奧法，取得了較多的經(jīng)驗(yàn)，積累了大量的數(shù)據(jù)，現(xiàn)已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。目前新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修建隧道的一種基本方法，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益是明顯的。新奧法的基本要點(diǎn)可歸納如下：1．巖體是隧道結(jié)構(gòu)體系中的主要承載單元，在施工中必須充分保護(hù)巖體，盡量減少對(duì)它的擾動(dòng)，避免過度破壞巖體的強(qiáng)度。為此，施工中斷面分塊不宜過多，開挖應(yīng)當(dāng)采用光面爆破、預(yù)裂爆破或機(jī)械掘進(jìn)。新奧法將圍巖視為巷道承載構(gòu)件的一部分，因此，施工時(shí)應(yīng)盡可能全斷面掘進(jìn)，以減少巷道周邊圍巖應(yīng)力的擾動(dòng)，并采用光面爆破、微差爆破等措施。減少對(duì)圍巖的震動(dòng)，以保全其整體性。同時(shí)注意巷道表面盡可能平滑，避免局部應(yīng)力集中。2．為了充分發(fā)揮巖體的承載能力，應(yīng)允許并控制巖體的變形。一方面允許變形，使圍巖中能形成承載環(huán)；另一方面又必須限制它，使巖體不致過度松弛而喪失或大大降低承載能力。在施工中應(yīng)采用能與圍巖密貼、及時(shí)筑砌又能隨時(shí)加強(qiáng)的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，例如，錨噴支護(hù)等。這樣，就能通過調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和它參加工作的時(shí)間（包括閉合時(shí)間）來控制巖體的變形。新奧法將錨桿、噴射混凝土適當(dāng)進(jìn)行組合，形成比較薄的襯砌層，即用錨桿和噴射混凝土來支護(hù)圍巖，使噴射層與圍巖緊密結(jié)合，形成圍巖支護(hù)系統(tǒng)，保持兩者的共同變形，故而可以最大限度地利用圍巖本身的承載力。3．為了改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能，施工中應(yīng)盡快閉合，而成為封閉的筒形結(jié)構(gòu)。另外，隧道斷面形狀應(yīng)盡可能圓順，以避免拐角處的應(yīng)力集中。4．允許圍巖由一定量的變形，以利于發(fā)揮圍巖的固有強(qiáng)度。同時(shí)巷道的支護(hù)結(jié)構(gòu)，也應(yīng)具有預(yù)定的可縮量，以緩和巷道壓力。圍巖的變形是控制在一定范圍內(nèi)的，必須避免圍巖變形過大，從而導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度的削弱以致引起垮落、失穩(wěn)。支護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的變形量，允許巷道圍巖產(chǎn)生一定的變形，以緩和來自巷道的巨大壓力，更進(jìn)一步減輕支護(hù)荷載。新奧法施工過程中量測工作的特殊性由于巖體生成條件與地質(zhì)作用的復(fù)雜性，施工條件的復(fù)雜性，以及對(duì)工程設(shè)計(jì)參數(shù)的精確要求，得要通過許多量測手段，在施工過程中對(duì)圍巖動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。并用監(jiān)測結(jié)果修改初步設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工。量測的結(jié)果可以作為施工現(xiàn)場分析參數(shù)和修改設(shè)計(jì)的依據(jù)，因而能夠預(yù)見事故和險(xiǎn)情，以便及時(shí)采取措施，防患于未然提到施工的安全程度。通過施工中對(duì)圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài)觀察、量測，合理安排施工程序、進(jìn)行設(shè)計(jì)變更及日常的施工管理。5．新奧法施工在巷道開挖后采取了一系列綜合性措施：構(gòu)筑防水層、圍巖巷道排水；選擇合理的斷面形狀尺寸；給支護(hù)留變形余量；開巷后及時(shí)做好支護(hù)、封閉圍巖等，都是為保護(hù)巷道圍巖的自身承載能力，使圍巖的擾動(dòng)影響控制在最小范圍內(nèi)，并加固圍巖，提高圍筵強(qiáng)度。使其與人工支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受巷道壓力。為了敷設(shè)防水層，或?yàn)榱顺惺苡捎阱^桿銹蝕，圍巖性質(zhì)惡化、流變、膨脹所引起的后續(xù)荷載，可采用復(fù)合式襯砌。6．二次襯砌原則上是在圍巖與初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的條件下修筑的，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，因而提高了支護(hù)體系的安全度。由上所述，新奧法的支護(hù)原則是：圍巖不僅是載物體，而且是承載結(jié)構(gòu)；圍巖承載圈和支護(hù)體組成巷道的統(tǒng)一體，是一個(gè)力學(xué)體系；巷道的開挖和支護(hù)都是為保持改善與提高圍巖的自身支撐能力服務(wù)。上述新奧法的基本要點(diǎn)可扼要的概括為：“少擾動(dòng)、早噴錨，勤量測、緊封閉”。三、用一個(gè)彈簧來理解新奧法原理1．洞室邊緣某一點(diǎn)A在開挖前具有原始應(yīng)力（自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力）處于一個(gè)平衡狀態(tài)。如同一根彈性剛度為K的彈簧，在P0作用下處于壓縮平衡狀態(tài)。2．洞室開挖后，A點(diǎn)在臨空面失去約束，原始應(yīng)力狀態(tài)要調(diào)整，如果圍巖的強(qiáng)度足夠大，那么經(jīng)過應(yīng)力調(diào)整，洞室可處于穩(wěn)定狀態(tài)（不需支護(hù)）。然而大多數(shù)的地質(zhì)情況是較差的，即洞室經(jīng)過應(yīng)力調(diào)整后，如不支護(hù)，就會(huì)產(chǎn)生收斂變形，甚至失穩(wěn)（塌方），所以必須提供支護(hù)力PE，才能防止塌方失穩(wěn)。等同于彈簧產(chǎn)生了變形u后，在PE作用又處于平衡狀態(tài)。3．由力學(xué)平衡方程可知，彈簧在P0作用時(shí)處于平衡狀態(tài)；彈簧在發(fā)生變形u后，在PE的作用下又處于平衡狀態(tài)，假設(shè)彈簧的彈性系數(shù)為K，則有：P0=PE+Ku討論：（1）當(dāng)u=0時(shí)，P0=PE 即不允許圍巖變形，采用剛性支護(hù)，不經(jīng)濟(jì)；（2）當(dāng)u↑時(shí)，PE↓；當(dāng)u↓時(shí)，PE↑。即圍巖發(fā)生變形，可釋放一定的荷載（卸荷作用），所以要允許圍巖產(chǎn)生一定的變形，以充分發(fā)揮圍巖的自承能力。是一種經(jīng)濟(jì)的支護(hù)措施，圍巖的自穩(wěn)能力P=P0PE=Ku；（3）當(dāng)u=umax時(shí)，發(fā)生塌方，產(chǎn)生松馳荷載，不安全。四、要點(diǎn)1．圍巖是受洞室開挖影響的那一部分巖（土）體，圍巖是三位一體的即：產(chǎn)生荷載、承載結(jié)構(gòu)、建筑材料。2．隧道是修筑在應(yīng)力巖體中的，具有特殊的建筑環(huán)境，不能等同于地面建筑。3．隧道結(jié)構(gòu)體系=圍巖+支護(hù)體系。 五、新奧法施工特點(diǎn)新奧法施工采用噴錨支護(hù)為主要手段，可以最大限度地緊跟開挖作業(yè)面施工，因此可以利用開挖施工面的時(shí)空效應(yīng)，以限制支護(hù)前的變形發(fā)展，阻止圍巖進(jìn)入松動(dòng)的狀態(tài)，在必要的情況下可以進(jìn)行超前支護(hù)，加之噴射混凝土的早強(qiáng)和全面粘結(jié)性因而保證了支護(hù)的及時(shí)性和有效性。在巷道爆破后立即施工以噴射混凝土支護(hù)能有效地制止巖層變形的發(fā)展，并控制應(yīng)力降低區(qū)的伸展而減輕支護(hù)的承載，增強(qiáng)了巖層的穩(wěn)定性。由于噴錨支護(hù)能及時(shí)施工，而且是全面密粘的支護(hù)，因此能及時(shí)有效地防止因水和風(fēng)化作用造成圍巖的破壞和剝落，制止膨脹巖體的潮解和膨脹，保護(hù)原有巖體強(qiáng)度。巷道開挖后，圍巖由于爆破作用產(chǎn)生新的裂縫，加上原有地質(zhì)構(gòu)造上的裂縫，隨時(shí)都有可能產(chǎn)生變形或塌落。當(dāng)噴射混凝土支護(hù)以較高的速度射向巖面，很好的充填圍巖的裂隙，節(jié)理和凹穴，大大提高了圍巖的強(qiáng)度。（提高圍巖的粘聚力C和 ②復(fù)和作用，即圍巖與支護(hù)構(gòu)成一個(gè)復(fù)合體（受力體系）共同支護(hù)圍巖。噴錨支護(hù)可以提高圍巖的穩(wěn)定性和自身的支撐能力，同時(shí)與圍巖形成了一個(gè)共同工