隧洞工程新奧法施工的淺析與運用

【摘要】通過分析新奧法施工的基礎(chǔ)理論，隧洞工程地質(zhì)特點，總結(jié)新奧法施工基本要點；新奧法施工在隧洞工程復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中的有效運用。

【關(guān)鍵詞】隧洞工程；巖承理論基礎(chǔ)；應(yīng)力集中效應(yīng)；承載環(huán)；支護(hù)時效

1、引言

洞室工程設(shè)計施工理論主要運用巖承理論。巖承理論強(qiáng)調(diào)：圍巖穩(wěn)定是巖體自身具備承載自穩(wěn)能力；不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)定有一個過程。理解為在圍巖失穩(wěn)之前，在其有效時限內(nèi)，提供必要的幫助或限制，則巖體仍然能夠進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。以巖承理論為基礎(chǔ)，新奧法施工在洞室工程中得以廣泛的運用。

2、隧洞工程新奧施工

2.1 新奧法施工原理：

根據(jù)巖承理論，允許圍巖收斂變形。根據(jù)不同洞室結(jié)構(gòu)、不同地質(zhì)條件，分析收斂變形失穩(wěn)因素，進(jìn)行相應(yīng)開挖、支護(hù)（襯砌）工程，使其達(dá)穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，其工藝、方法即我們探討的新奧法施工。新奧法是巖承理論在隧道工程施工的代表方法。

新奧法施工原理簡單稱之為蛋殼原理。雞蛋均勻受力不易破壞，在于其任一外截面結(jié)構(gòu)均為拱狀，能較好傳力而不易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，我們稱之為拱狀穩(wěn)定受力；整體均勻受力不易破壞，當(dāng)不均勻應(yīng)力集中在局域點、面易產(chǎn)生破壞現(xiàn)象（規(guī)律），稱之為應(yīng)力集中效應(yīng)。隧洞工程新奧法施工特點即避免應(yīng)力集中效應(yīng)，讓巖體形成穩(wěn)定狀態(tài)的承載環(huán)。

2.2 新奧法施工的基本要點：

2.2.1 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，盡量減少對它的擾動，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)。

2.2.2 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，通過收斂變形擠壓形成穩(wěn)定承載體；另一方面又必須限制它，使巖體不致過度松弛而喪失或大幅度降低承載能力。收斂變形量需以支護(hù)工程加以控制，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間（包括閉合時間）來控制巖體的變形。

2.2.3 為了改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能，施工中應(yīng)盡快閉合形成筒形結(jié)構(gòu)，支護(hù)工程應(yīng)與圍巖緊密結(jié)合，避免應(yīng)力傳遞斷層，同時斷面形狀應(yīng)盡可能圓順，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2.4 通過施工中對圍巖和支護(hù)的動態(tài)觀察、量測，合理安排施工程序、進(jìn)行設(shè)計變更及日常的施工管理。

2.2.5 為了敷設(shè)防水層，或為了承受由于錨桿銹蝕，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。

2.2.6 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)形成一個整體，因而提高了支護(hù)體系的安全度。

上述新奧法施工的基本要點可扼要的概括為：“少擾動、早噴錨，勤量測、緊封閉”。

3、新奧法施工在工程運用中的案例：

隧洞支護(hù)是其形成穩(wěn)定承載體的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)支護(hù)需要達(dá)到的時效性，理解為三種支護(hù)類形，即開挖前的超前支護(hù)，開挖成型后的臨時支護(hù)，臨時支護(hù)結(jié)合永久支護(hù)，三種支護(hù)手段，對其支護(hù)時間要求的理解尤為關(guān)鍵；根據(jù)洞室工程不同類型及不同地質(zhì)情況，所需支護(hù)工程的剛度要求不同（保證支護(hù)后傳力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定），歸納理解為柔性支護(hù)、剛?cè)峤Y(jié)合支護(hù)及剛性支護(hù)。

3.1 案例一：四川聯(lián)補(bǔ)電站導(dǎo)流洞出口隧洞掛口。

特點：超前豎向管棚、環(huán)向管棚、固灌、仰拱襯砌等綜合措施穩(wěn)定圍巖。

隧洞口埋層淺，風(fēng)化強(qiáng)，以及其應(yīng)力分布特征，多于采用開挖前的超前支護(hù)及洞口鎖口措施。在洞口仰坡不具備穩(wěn)定坡度或無條件削坡成穩(wěn)定邊坡時，通常采用明洞配合洞口超前支護(hù)掛口進(jìn)洞，利用明洞為承載體在其上部形成穩(wěn)定仰坡。

聯(lián)補(bǔ)導(dǎo)流洞出口地質(zhì)情況復(fù)雜：①洞口段巖體破碎、松弛、風(fēng)化嚴(yán)重；②山體較高較陡，隧洞掛口無明挖至較好巖體條件；③在明洞配合超前支護(hù)方案，其明洞拉槽開挖過程中，曹體邊墻由于圍巖地質(zhì)狀況，側(cè)向壓力破壞突出，導(dǎo)致拉槽不成功。調(diào)整后采用開挖支護(hù)方案如下：①明洞拉槽段，開挖前地表向下兩排超前豎向管棚（兩側(cè)邊墻），臨時解決側(cè)向壓力邊墻破壞作用，確保明洞開挖襯砌施工期穩(wěn)定；②明洞襯砌抵至洞口后，以明洞為承載體，洞頂回填形成洞口穩(wěn)定邊、仰坡；③洞室開挖前，洞口段從坡面向下固結(jié)灌漿，固結(jié)松弛圍巖塊體，增加圍巖完整性的同時，增強(qiáng)山體側(cè)壓作用下的傳力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；④洞口段超前管棚確保開挖成型，開挖后及時鋼拱架支護(hù)及砼澆筑。⑤洞口段砼襯砌段后，底部仰拱及時進(jìn)行，形成閉合的穩(wěn)定傳力結(jié)構(gòu)。該工程開挖、支護(hù)、襯砌整體措施，為新奧法施工的綜合體現(xiàn)。

3.2 案例二、四川柳坪電站引水隧洞開挖支護(hù)

特點：柔性支護(hù)與剛性支護(hù)結(jié)合，襯砌時效要求。

3.2.1 地質(zhì)情況分析：巖體為碳質(zhì)千枚巖，巖層致密，巖體強(qiáng)度低，軟化，膨脹能力強(qiáng)。由于巖體強(qiáng)度低，開挖后圍巖拱圈淺層范圍，易受到收斂變形擠壓應(yīng)力產(chǎn)生巖體破壞，不能通過其擠壓成拱，形成穩(wěn)定的應(yīng)力承載圈，在后期膨脹蠕變過程中最終失穩(wěn)。因此，收斂變形一定程度后進(jìn)行的剛性支護(hù)，其時效性尤為重要。

3.2.2 開挖支護(hù)思路：①光面爆破，減少對巖層擾動（該隧洞為致密碳質(zhì)千枚巖，開挖成型一般較好）；②及時進(jìn)行剛、柔相結(jié)合的初期支護(hù)。及時性支護(hù)作用在于盡快封閉為拱狀受力結(jié)構(gòu)，防止局部掉塊產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，從而引起塌方；剛?cè)峤Y(jié)合支護(hù)作用在于即需提供一定收斂變形空間，同時針對碳質(zhì)千枚巖強(qiáng)度低易破壞的特點，有支護(hù)剛度要求，防止收斂變形過大、過快引起失穩(wěn)，為后期剛性支護(hù)提供時間條件。具體為型鋼拱架結(jié)合錨噴，局部根據(jù)需要進(jìn)行超前管棚；③在一定時效期內(nèi)（一般通過變形觀測），完成剛性支護(hù)（或襯砌）。如不具備永久襯砌條件，臨時剛性支護(hù)預(yù)留永久襯砌空間，或永臨結(jié)合結(jié)構(gòu)。

3.3 柳坪隧洞塌方處理：

3.3.1 塌方過程及情況分析：隧洞 0+620～0+580段完成開挖及剛拱架聯(lián)合錨噴網(wǎng)支護(hù)施工后，由于拱頂以上20m范圍倒三角不利結(jié)構(gòu)組合，掌子面（0+580）開挖后塌方，帶動后端不利結(jié)構(gòu)層擴(kuò)大塌方范圍，0+620～0+580已支護(hù)段整體坍塌。塌方體堆積高度15m（超出拱部結(jié)構(gòu)線3m），頂部空腔高度17m。

3.3.2 一階段處理：由于安全考慮要求及現(xiàn)場不具備支護(hù)通道（渣體面后緣封住已開挖斷面），待坍塌基本穩(wěn)定后進(jìn)行了清渣工作；塌腔臨空面隨清渣工作的進(jìn)行增大，應(yīng)力重新分布過程中，由于圍巖屬于碳質(zhì)千枚巖，強(qiáng)度低，受擠壓應(yīng)力、自重應(yīng)力作用下巖體破壞（擠壓破碎為石渣）引起塌方頂部進(jìn)一步坍塌。

3.3.3 二階段處理：根據(jù)一階段的情況分析，進(jìn)一步清渣工作將導(dǎo)致塌方處理不可控。將處理思路調(diào)整為：①保留渣體，在渣體頂部澆筑3m厚混凝土蓋撐住周邊圍巖，將上部應(yīng)力通過混凝土拱蓋傳至邊墻。具體辦法為對渣體頂部打入2根φ95鋼管作為混凝土泵送管道，管口高出3～5m，管口間距10m，進(jìn)行渣體頂部混凝土回填作業(yè)；②待頂部拱狀混凝土達(dá)一定強(qiáng)度后，按每循環(huán)1m進(jìn)尺，分臺階完成混凝土邊墻接底工作。具體辦法為：混凝土邊墻頂住已澆筑混凝土頂蓋，單邊逐層下接。③混凝土墻體每完成3m接底工作，對墻體外圍圍巖徑項小導(dǎo)管固結(jié)灌漿，增加圍巖強(qiáng)度。④塌方段開挖襯砌貫通后，塌方前后端頭鎖口加強(qiáng)；0+580掌子面開挖前超前管棚灌漿，短進(jìn)尺掘進(jìn)，確保塌方段順利過渡。

三、結(jié)語

目前新奧法施工工藝、方法趨于成熟和完善，借鑒以往洞室工程不同地質(zhì)情況下開挖、支護(hù)、襯砌施工思路，以探討交流。

參考文獻(xiàn)：

[1]王亞輝. “新奧法”改進(jìn)工藝在特大洞室開挖施工中的應(yīng)用[J]. 人民長江，2016，（11）：70-72.

[2]黃斌. 新奧法在小斷面引水隧洞工程中的應(yīng)用[J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2016，（03）：58-59.