隧道工程中新奧法施工技術應用研究

摘要 新奧法是在巖體中進行隧道建設的一種常見施工方法，應對不同地質條件，采取針對性的技術措施，才能保證隧道建設的安全與質量。該文結合西安至十堰（高速）鐵路工程實例，對新奧法施工技術應用進行研究，并指出施工中的重難點，制定控制措施。通過采取前期地質預報，針對性地采取超前支護，洞身施工時采取靈活的施工工藝及時支護，最終實現隧道建設高效、高質量完成。

關鍵詞 新奧法；隧道工程；技術應用；控制措施

中圖分類號 U415 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0070-03

0 引言

新奧法是20世紀50年代奧地利學者首次提出后傳入中國并迅速發展起來的一種隧道建造的先進工藝[1]。其機理是先采用毫秒爆破和光面爆破技術進行全斷面開挖，隨后用錨桿、鋼筋網、鋼架以及噴射混凝土等進行初期支護。應用的前提是圍巖本身具有一定的承載力，初期噴錨支護也是為了使圍巖本身的承載力得到最大限度地發揮，最后的二襯只是作為一種安全儲備和裝飾美化。

1 工程概況

西安至十堰高速鐵路工程包含了多條隧道，以其中友誼隧道為例，該隧道為Ⅰ級風險隧道，隧道工程總長6 495.691 m，最大埋深達145 m。洞體全部為Ⅲ～Ⅴ級圍巖，其中Ⅲ圍巖巖層670 m，Ⅳ圍巖巖層4 460 m，Ⅴ圍巖巖層1 366 m。隧道洞身所通過的地層主要為中元古界武當山群第一至第三巖組片巖、變粒巖，隧道出口地表零星分布有白堊系上統砂巖、礫巖；構造巖類主要為壓碎巖。隧道全部圍巖Ⅳ、Ⅴ級占隧道長度的87.2%。圍巖變形破壞嚴重，自穩能力差。對此采用新奧法施工技術，應用長管棚、超前小導管及超前砂漿錨桿進行了隧道施工中超前加固。最終，該文的友誼隧道在新奧法施工下順利完工，施工效果較好。

2 施工重難點

該項目主要存在因山體滑坡、滑落、危巖落石、順層坡面等不良地質引起的崩塌、冒頂、變形等危險因素。隧道洞身下穿溝谷段，且穿越節理密集帶，為常年流水，施工中存在突涌水及地下水流失，造成地表水疏干的風險。隧道范圍內下穿溝谷段多有村村通公路進入，施工過程中加強道路變形監控量測。DK251+513～DK251+598段洞頂分布有民房，外側回填及護拱施工中應對坡面及房屋的變形加強監測。隧道下穿吳家灣滑坡，埋深約56 m，存在較大的安全風險。

3 施工技術要點

3.1 超前支護

該項目采取不同的超前支護保障措施來應對不同級別的圍巖：1）隧道洞口部分，因處于淺埋段，圍巖松散，采用Ф108 mm超前長管棚支護，管間距40 cm。2）洞體Ⅴ級、Ⅳa級圍巖因松散易坍塌，采用Ф42 mm超前小導管支護，環向間距40 cm。3）Ⅳb級圍巖呈碎石狀，拱部無支護時，會產生較大的坍塌，采用Ф22 mm超前砂漿錨桿支護，環向間距40 cm。4）Ⅲ級圍巖呈大塊狀結構，但部分區域也呈碎（石）狀鑲嵌結構，也采用Ф22 mm砂漿錨桿支護，環向間距120 cm。

（1）長管棚施工

完成洞口土石方開挖，在成洞面和核心土成形后，才進行長管棚施工。管棚長度均為30 m。長管棚施工采用XY-28-30電動打孔機，利用打孔機將鋼花管旋轉插入孔內，待各管棚成孔后，做好封孔工作，并適時注漿施工。為達到注漿飽滿的目的，鉆孔、下好管、注漿前安放PVC排氣筒，注漿設備選用BW-250/50注漿機，漿液用1∶1（重量比）的42.5級普通硅酸水泥，摻水玻璃0.3%～0.5%[2]。用30號水泥砂漿在注漿完成后進行密實填充，使管棚剛度和強度得到加強。

（2）超前小導管施工

小導管選用Φ42 mm的3.5mm厚無縫鋼管，鋼管的尾部設有加強箍，頭部呈尖錐狀。除尾部1.2 m布設壓控孔外，其余位置管壁上有6 mm的壓漿孔。施工時先用鑿巖機（TY-28）打孔，再以10～15°角度將小導管插入孔中，露出20 cm。露出部分支撐于開挖面后方的鋼拱架上，與鋼拱架共同構成預支防護系統。注漿設備采用KRY-50/70注漿泵注漿，漿液采用水泥加水玻璃漿。

（3）超前砂漿錨桿施工

錨桿縱距3 m，外插角10～15°。在注漿錨桿注漿前，先向漿泵中注水及灌入少量漿液，然后在距孔底5～10 cm處插入注漿管，首先預壓部分水和漿液的稀釋液來濕潤管路，然后再正式進行注漿，注漿時保持緩慢勻速，注漿的壓力不大于0.4 MPa。

3.2 超前地質預報

超前地質預報的作用為提前發現開挖面前方的地質情況，可探查出是否存在不良地質、地下巖石的結構完整性以及是否存在地下水影響施工。施工單位可針對探測出的地質情況，及時調整施工措施，優化支護設計參數，選擇適合的施工方案。隧道剛進洞時，采用地質雷達進行短距離地質超前預報探測，隧道進洞達到75 m以上時采用TGP進行探測[3]。

3.3 洞身開挖

因隧道Ⅴ級圍巖淺埋加固段地質條件較差，開挖采用上下臺階、預留核心土開挖方式。為減少各斷面間的相互影響，嚴格控制斷面間距，在上段開挖10～20 m后，下段開始開挖，核心土滯后上臺階5～10 m。Ⅳ級圍巖采用上部和下部階梯式開挖的方式。下段開挖要等上段挖了5～10 m后進行。Ⅲ級圍巖因圍巖相對較好，采用全斷面開挖法一次成型。

隧道掘進全部采用光面爆破，在控制變形的同時，最大限度地減少對圍巖的擾動。在較破碎的巖石隧道和水平巖層巖石隧道中，每次爆破進尺不宜過大，嚴格控制光面爆破參數，優化施工工藝和控制線性超挖量。對地表構筑物影響大或有較嚴格震速要求者，采用控制爆破。依據爆破振動衰減規律公式算出控制最大單響的炸藥量，炸藥量超出的采取分段起爆。

3.4 初期支護

Ⅴ級圍巖段的初支由18號工字鋼拱架、徑向錨桿、鋼筋網和噴射混凝土等部分組成。Ⅳ級圍巖段的初支由16號工字鋼拱架、徑向錨桿、鋼筋網及噴射混凝土組成。Ⅲ級圍巖段是由徑向錨桿、鋼筋網、噴射混凝土等構成。為了增加剛度，將鋼拱架、小導管及鋼筋網進行焊接。用Φ22 mm鋼筋連接鋼拱架。Ⅲ級圍巖段因圍巖自穩能力比較好而不設鋼拱架。

（1）徑向錨桿

Φ22 mm砂漿錨桿主要在邊仰坡防護中進行使用，Ⅳ～Ⅴ級圍巖的徑向錨桿采用Φ22 mm砂漿錨桿，Ⅲ級圍巖采用帶早強的砂漿錨桿。砂漿錨桿要在混凝土初噴完成后按照設計的長度和間距進行施工。施工的流程是鉆孔完成后清孔，灌入水泥砂漿，然后插入錨桿。砂漿錨桿施工注意在灌漿前先在漿泵內注入少量的水和少量的砂漿，將注漿管插到距離孔底50～100 mm位置，就初壓水和漿液將管路進行濕潤，然后再將調好的漿液倒入漿泵正式開始注漿。注漿的壓力要在0.4 MPa以下，漿液注滿后，要立刻插入錨桿，插入的長度不能少于95%的設計長度。如果砂漿沒有灌滿，需要拔出錨桿重新進行注漿。錨桿插入后，不能有重物掛在其端部。等到漿體達到設計強度后還要進行錨桿的拉拔試驗。

（2）掛鋼筋網

鋼筋網的施工嚴格按實際要求進行，鋼筋網與巖面要有3 cm的間隙，鋼筋網與錨桿、鋼筋網與鋼筋網之間要用細鐵絲扎牢并進行電焊，以保證鋼筋網的穩定，在噴射混凝土時不會移動。鋼筋網的外保護層厚度要不少于20 mm。噴射混凝土時噴頭要微微地傾斜，以保證網片和巖面噴射均勻密實[2]。

（3）鋼拱架架設

鋼拱架在洞體外按設計分段加工，在洞體內分段安裝后用螺栓將其連接成整體。安裝要在混凝土初噴之前進行，安裝后要與定位筋進行焊接固定。鋼拱架和鋼拱架之間用縱向鋼筋進行連接，中間的空隙用混凝土噴射補平。鋼拱架的拱腳安放在穩定的地基上。架設時要保持垂直隧道的中線，如果圍巖不平整，與鋼拱架之間間隙過大，需要在鋼拱架上安放大的墊塊，再噴混凝土補齊平。

（4）噴射混凝土

初期支護噴射C25的混凝土，采用二次噴射的方式噴射。在開挖（或部分開挖）完成后立即進行初噴，在錨桿、掛網、拱架安裝完成后，盡快對暴露巖面進行封閉，防止圍巖剝落，形成初期支護對圍巖變形起到抑制作用。噴射施分段分片進行，每段長度不超過6 m，按由低到高的順序依次進行，每次噴射厚度控制在6 cm以下，并按規定對新噴好的混凝土進行噴水保養。

3.5 二次襯砌

仰拱采用仰拱棧橋全幅超前施工，防水板采用防水板自動鋪設臺車進行無釘鋪設，襯砌采用液壓模板式襯砌臺車，混凝土拌和站生產混凝土實行全自動計量，混凝土運輸車運送混凝土，襯砌作業采用泵送混凝土入模，插入式、附著式振搗器振搗。

（1）仰拱施工

仰拱開鑿采取光面爆破，開鑿完成后要及時清理仰拱基底和復核斷面尺寸，嚴禁欠挖，如超挖要采用同等級混凝土對超出部分進行回填處理。隨后，進行仰拱處防排水施工，排水系統所采用的透水盲管都是單壁波紋管，外包土工布。仰拱模架采用以桁架為主，仰拱弧形模架，液壓系統，行走系統等組成的自行式液壓弧形模架。自行式仰拱腹模板如圖1所示。仰拱腹模和端頭鋼模安裝完成后，再對模板進行復測檢查，檢查無誤后，依次由下往上逐層澆筑混凝土，通過溜槽對仰拱混凝土進行分窗振搗。

圖1 自行式仰拱腹模示意圖

（2）拱墻二次襯砌

在進行拱墻襯砌施工前，先進行初支斷面復查，初支的表面平整度符合D/L≤1/20的要求[D為初支基面相鄰兩個凸面的深度（m），L是基面上相鄰的兩個凸面之間的間隔（m），L≤1m]。模板臺車用于襯砌主模板，組合式鋼模板用于端頭封堵?；炷翆ΨQ式澆筑，左右兩側混凝土面高差不大于0.5 m，前后高差不大于0.6 m。自模板窗口由下向上，分層對稱澆筑。傾落自由高度不大于2.0 m，連續進行混凝土澆筑[3]。

（3）拱頂帶模注漿

在澆筑拱墻的模板臺車上拱頂位置中心線縱向設置一定數量的注漿管（活性粉末混凝土RPC注漿管），注漿管用法蘭安裝固定，在二襯混凝土沖頂結束后，對拱頂及時進行注漿。

澆筑拱頂混凝土時，注意觀察各個注漿孔是否泌漿，也可以用圓鋼來觀察管內的出漿情況，以確定澆筑的混凝土是否到達了注漿管出漿口位置。在澆筑過程中同時利用拱頂的攝像頭對澆筑過程進行實時監控。只有每個注漿孔都均勻出漿且端模的混凝土飽滿，才視為拱頂混凝土澆筑合格。最后拱頂混凝土澆筑完成后，及時對注漿孔進行清理并采取防堵措施。

4 不良地質地段輔助措施

4.1 軟弱破碎圍巖（含斷層破碎帶）地段

采用地質素描、TSP203、超前鉆孔探測、地質雷達、紅外探水等超前地質預報手段，了解工作面前方地質、地下水情況。富水地層進行超前鉆孔釋放水流，并進行注漿封堵，防止地下水影響施工安全。開挖采用控制爆破技術，短進尺、弱爆破，特別松散的圍巖采用局部松動爆破或利用挖掘機、風鎬等進行開挖。開挖方法采用小斷面開挖，掘進循環進尺控制在0.5～1.0 m之間。采用超前小導管、管棚、鋼架、錨網噴等多種支護手段，構成強支護體系；并根據拱頂下沉、凈空位移和鋼架內力等監控量測結果評價支護的可靠性和圍巖的穩定狀態，及時調整支護參數。開挖后隨即澆筑仰拱，形成封閉結構；復合式襯砌根據監控量測結果確定施作時間。

4.2 危巖落石地段

采用抗滑樁進行處理，危巖落石按清除處理。隧道進洞前首先按設計對滑坡、巖堆進行加固整治，加固處理完成后再進行洞口施工。并對洞口的危巖落石進行現場踏勘、核實，確定危巖落石處理范圍、危巖落石節理發育等情況，核對與設計地質情況是否相符、危巖落石處理加固措施是否能達到安全要求，必要時需報請建設、設計、監理共同現場核對進行變更加強，情況緊急時應及時采取措施確保安全。

4.3 順層偏壓地段

開挖前對該段地質進行詳細的地質調查，進一步了解圍巖的特性、走向及其與線路的關系。順層地帶采用先進行預加固，然后再開挖的方式進行。

偏壓隧道的邊坡巖體在開挖時因受到擾動，其穩定性和強度會降低，如還受地下水對其綜合影響，常常容易引起隧道冒頂坍陷，因此須嚴格按設計組織施工，確保做到隨挖隨護、寧強勿弱、質量可靠、萬無一失，并根據圍巖量測情況，需要時及時補強。對此，在開挖前一定要進行超前預支護，可用小導管進行超前注漿支護。施工階段加強監測，主要的監測內容包含洞內、外觀測，地表下沉量測及周邊收斂以及拱頂下沉量測等[4]。

4.4 淺埋地段

部分隧道偏壓淺埋段采用明挖法開挖，其他地段微震爆破法（或非爆破法）開挖，錨、網、噴初期支護。隧道內監測網測拱頂下沉、洞內凈空水平收斂、鋼架應力等；根據監測的結果調整爆破的參數、支護的形式，并且采用小導管或者長管棚超前預注漿加固。采取了上述注漿加固措施，可提高巖體的強度，便于巖體的穩定和隧道的掘進，在開挖后還可以設置拱墻格柵鋼架加強支護。

5 結論

該文以西安至十堰高速鐵路工程中的友誼隧道為例，介紹了此工程的新奧法的施工難點，新奧法在該工程中的技術應用要點以及講述了在不良地質下新奧法施工的輔助措施。該工程中針對隧道的進口處采用超前長管棚支護，洞體Ⅴ級、Ⅳa級圍巖采用Ф89 mm超前管棚支護，Ⅳb級圍巖采用Ф42 mm超前小導管支護的超前支護方案是可行的，在洞身開挖、初期支護以及二次襯砌施工時規范落實，控制技術要點，安全圓滿地完成隧道的建設。該研究可為后續其他采用新奧法施工的隧道工程提供參考。

參考文獻

[1]陳敏柏.“新奧法”施工技術在那文隧洞工程的應用[J].治淮，2022（5）：56-58.

[2]楊柳斌，李超，黃地義.新奧法在鉛鋅礦巷道支護中的應用[J].四川水力發電，2023（S2）：73-78.

[3]馬磊.新奧法施工技術在隧道工程中的應用[J].運輸經理世界，2023（31）：77-79.

[4]譚忠盛，吳金剛.我國隧道鉆爆法施工技術回顧與展望[J].隧道建設（中英文），2023（6）：899-920.