新奥法在隧道施工中的应用及发展

(山东建筑大学 山东 济南 250000)

新奥法在隧道施工中的应用及发展

焦红王少泉

(山东建筑大学山东济南250000)

新奥法在隧道施工中应用广泛，具有动态的力学受力特性。介绍了新奥法施工的原理，将围岩视为承载结构的重要组成部分。分析了新奥法的应用过程，在实际工程的应用中不断得到发展和进步。突出新奥法在施工过程中监测的重要性，以及新奥法延伸发展的超前支护。同时新奥法也存在相关的问题，文中也指出了在技术和施工水平上可能存在的不足，以便在未来能够得到修正和提升，弥补在实际应用中的缺陷。最后论述了新奥法的发展趋势，与动态信息化的设计相协调，共同作用于实际的工程中。

新奥法;施工应用;存在问题;延伸发展

一、前言

新奥法是目前公路隧道施工中应用范围最广的先进施工技术，新奥法是在总结大量隧道施工实践经验的基础上，根据岩体力学基本原理提出的一种科学的隧道施工方法。采用多种辅助施工措施包括管棚、注浆、钢支撑支护等加固围岩,充分调动围岩的自承能力,开挖后适时支护、封闭成环,使其与围岩共同作用,施工过程中,加强量测监控,为施工提供数据依据[1]。

新奥法以喷射混凝土和锚杆等作为初期支护的主要手段，开挖后适时对裸露围岩进行支护，使围岩实现自承，并通过观测围岩收敛、变形和数据分析，来调整初期支护的参数和提供二次衬砌的施作时间，使各种支护既及时又合理，既经济又安全可靠。

二、新奥法施工的原理

新奥法是一种隧道施工方法，它与法国称收敛约束法或有些国家所称动态监测设计施工法的基本原理一致，是目前国内外广泛采用的动态监测设计施工方法[2]。该法在岩体力学的基础上，把已往的普氏理论的围岩荷载视作能自承载的结构，并借助喷锚支护等加固作用充分发挥围岩的自承性能，而这也是新奥法的精髓。隧道开挖后，解除了开挖断面内岩体的应力，使围岩处于临空状态，破坏了隧道顶面区域的应力平衡状态，围岩的径向应力突然降为零，而环向应力则骤然升高，围岩由原来的三维应力状态变为二维应力状态。开挖后，围岩的弹性变形瞬间完成，但弹塑性和塑性变形将随时间的推移继续发展，这种变形是在围岩应力重分布过程中产生的。

因此，必须利用新奥法的隧道支护结构抵抗变形过程中的应力扩散。在支护过程中，首先应选用锚喷进行初期支护。在二次支护过程中，选用模筑混凝土进行复合衬砌，如图1所示。而锚喷支护则是由喷射混凝土、钢筋网喷混凝土和锚杆组合形成的整体支护结构。喷射混凝土是把带有速凝剂的混凝土混合料利用混凝土喷射机和高压水混合，再在高压空气的作用下将其喷射至岩面，并快速地凝结成形。

图1 新奥法隧道支护结构

在隧道支护过程中应用新奥法的锚喷支护技术，主要是将围岩作为承载结构的重要组成部分。在二次衬砌支护过程中，主要是将其作为后期围岩的饰面和压力的承载体，因而在进行二次衬砌支护之前必须对围岩的变形和初期支护以及隧道周边情况等进行综合性评估。但无论是初期支护还是永久支护，都应选用薄壳型的柔性结构，从而在减少衬砌受弯变形的同时减少挠曲引起的断裂。

三、新奥法在施工中的运用

在工程预设计的基础上，通过勘察和量测获得关于围岩稳定性和支护系统工作状态的动态信息，并对量测数据进行必要的力学计算和理论分析，用拱顶下沉量和周边收敛可实现对隧道内变形的良好监测，量测数据反映的规律能较合理地代表围岩变形过程及发展趋势[3]。按照围岩稳定性判断准则，评价围岩稳定性和支护系统功能的安全性与经济性，用于修改和确定支护系统的设计参数、支护时机和施工对策，并指导后续施工，从而达到优化工程设计和施工的目的。

(一)新奥法中加强监测对施工的重要性

将监测数据的分析评价回归到隧道衬砌结构中来，需要特别注意衬砌结构在施工过程中的变形问题。由于不可避免的超欠挖，以及施工不到位，实际施作的支护结构往往和设计结构有较大出入，主要表现为在隧道环向呈现不规则的凹凸起伏，在隧道纵向呈现波浪起伏。由于变异幅度很大，可能改变支护结构的承载特性，因此，在监测数据分析中必须以实测结构为模型，才能得出准确结论。要快速分析监测数据，就必须快速获得真实模型。监控量测的流程分析如图2所示。

图2 监控量测的流程分析

初期支护结束之后，由于其变形相对稳定，因而应加设模板，并进行二次衬砌的浇筑。而新奥法的特点就在于集施工监测、力学计算以及经验方法于一体，因而整个隧道的勘探、设计、施工等环节交叉融合，所以应在对地质进行初步调查的基础上，结合经验方法或数学计算对其进行预设计，确定支护参数，并在施工时做好监控测试系统的布置。

(二)新奥法施工的延伸发展

超前支护借鉴混凝土拱壳施工法，在拱形槽内塞入刚架和钢筋网而不是回填混凝土或砂浆，廊道开挖后刚架即作为支护结构的一部分。这种超前支护方法充分发挥了刚架即时承载的长处，工艺比较简单。在较差的围岩中创造性地应用超前支护，在未开挖隧道之前，根据围岩的实际情况分别采用高压旋喷注浆、小导管注浆、锚杆或大管棚注浆来提前加固围岩，使其开挖后能够自承一段时间，给施作锚喷支护和支立拱架提供安全环境[4]。超前支护可单项使用，也可多项同时使用，以促进围岩基本稳定为宜。超前支护就是要发挥围岩的自承能力，避免发生塌方，这正是新奥法的延伸和发展。

四、新奥法应用中存在的问题

喷锚支护施工存在不及时的现象，给支护施工质量和安全带来一定隐患。在围岩情况较好的情况下采用锚杆、喷射混凝土施工方式进行初期支护，但经常因为施工进度或以往经验等因素而造成初期支护不及时的现象。如支护不及时，很可能会因后期的爆破扰动，以致垮落、失稳[5]；对于自稳能力差的破碎围岩，难以把握初期支护的时机，等到岩石松动时才去支护，失去了利用围岩自身承载能力的机会，增加了施工的安全风险。

喷射混凝土存在厚薄不均的现象，易造成应力集中而破坏围岩。在施工过程中，初期支护的喷射混凝土厚度基本能够满足初期支护要求，但由于超欠挖等原因导致被覆厚度不均匀，这样在围岩表层形成的柔性被覆外拱就会出现应力分布不均的情况，致使被覆层出现裂缝，大大降低喷射混凝土被覆的效果，同时应力集中部位的围岩变形加剧而出现局部石渣滑落的危险。

目前针对该工程在光面爆破关键技术的研究应用上还不够深入，光爆效果不理想。在光面爆破技术应用中存在对围岩特性研究不够深入，钻孔布局不能根据岩性变化进行准确的调整，坑道超欠挖量较大，对围岩扰动大。

施工管理水平和操作人员素质距离新奥法的技术组织要求相差太远，施工流程和质量指标难以达到规定，使得新奥法在实行中大打折扣。例如，在软弱、破碎的地层中施工，不按照“喷—锚一网一支一喷”的标准程序走，而是省却工序，边挖边支，最后再喷。结果形成开挖面较长时间地裸露，临空面围岩出现较大的松弛和变形，自稳能力有了不同程度地下降;更为恶劣的情形是在支撑背后的超挖空洞里填塞石块和杂物，以喷射混凝土覆盖之;还有支撑接头连接强度不足、轴线偏离超标的情形等。这些不规范、不道德的操作行为降低了围岩和支护的设计承载能力，埋下了严重的质量隐患，并严重危害施工安全，甚至可能造成隧道坍塌。所以，提高施工管理水平和加强施工人员的技术培训也应该是施行新奥法的重要环节。

五、新奥法未来的发展延伸

工程预设计是开始施工的技术依据，也是信息采集和修正设计的基础。预设计是在获取使用要求、工程地质条件、岩体力学参数及围岩分级、隧道围岩压力等相关资料基础上，开展包括隧道断面尺寸、支护结构形式及初步参数、施工工艺等工作，最终形成工程施工图纸。

在测试技术方面，无论是远程有线、无线通信技术都已经比较成熟，在施工现场这一块，以总线通信技术为代表的通信技术也非常成熟，因此，要实现支护结构力学指标的在线监测，通信技术不是问题，关键问题是如何廉价、便捷地布设庞大的传感器系统。分布式传感器系统是解决这一问题的重要手段。以围岩压力为例，采用分布式压力传感器，将可以获得更丰富的压力信息，避免因偏压、超挖，导致测得的压力量值及分布与实际不符。

动态信息采集是判断围岩是否稳定、工程预设计是否妥当的基本手段和依据，也是修正工程预设计的基本依据，因此，信息采集在整个信息化动态设计与施工技术中发挥着承上启下的纽带作用，是十分重要的技术环节。信息化施工是一个动态的过程,实施信息化施工必然要求管理、合同等方面与之相适应[6]。动态信息采集通过现场量测实现，并在确定量测基准值和制定安全管理机制基础上，分析量测结果，修正设计。

筛选量测项目的原则是量测简单、结果可靠、成本低廉、数据易于分析反馈，结合本次隧道工程特点安排了洞内观察、围岩表面收敛监测、围岩内部位移监测和地质超前预报等现场量测项目，目的是正确反映围岩和支护结构的动态。

六、结语

新奥法作为一种先进理念，其科学性已经得到了证实，但由于岩土材料的复杂性，其在实践中还面临着诸多难题。原本量测数据的采集、处理和分析就是新奥法的重点和难点，也是新奥法需要继续深入发展的重要方面之一，监测系统不完善使得信息要素缺失，新奥法在

实际运用中遇到困难。同时不规范的操作行为降低了围岩和支护的设计承载能力，埋下了严重的质量隐患，甚至造成隧道坍塌。公路隧道施工企业必须结合工程实际，科学运用新奥法进行隧道围岩的支护、隧道施工的监测以及隧道的开挖施工，确保公路隧道工程质量。随着在工程施工中不断地实践总结，新奥法技术将会不断得到完善，在地下工程施工中将发挥更加重要的作用。

[1]王新建.新奥法原理在复杂地质软岩隧道施工中的应用[J].上海铁道科技,2006(2):48-49．

[2]彭佳林.新奥法在高速公路隧道设计与施工技术中的分析应用[J].四川建材,2010,36(2):148-150．

[3]代高飞,应松,夏才初等.高速公路隧道新奥法施工监控量测[J].重庆大学学报:自然科学版， 2004,27(2):132-135．

[4]李小红.隧道新奥法及其量测技术[M].北京:科学出版社,2002．

[5]TBJ10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005．

[6]张延.信息化施工技术在山岭偏压隧道中的应用[J].铁道建筑技术,2009(2):109—111．

焦红(1965-)，女，汉族，山东济南，副教授，硕士，山东建筑大学，研究方向：钢结构、工程项目管理；王少泉(1993-)，男，汉族，江苏泰州，研究生，山东建筑大学，研究方向：建造技术与项目管理。