公路隧道新奥法开挖支护施工技术分析

张永君

(山西路桥集团左涉公路有限公司，山西 左权 032600)

0 前 言

新奥法最早由奥地利拉布西维兹于20世纪50年代创立，后经不断修正和完善被广泛应用在隧道开挖及支护施工实践中，并取得了良好的质量安全反馈；新奥法不同于普通矿山法，该技术同时集成了开挖和支护两个重要施工分项，同时借助超前地质预报技术、监控量测技术现场对施工进度、围岩支护及开挖模式进行修正优化，是一套系统性极强的隧道施工方案。新奥法施工以维持隧道围岩原始强度为原则，通过开挖与围岩支护配合的方式抵抗隧道围岩应力松弛破坏，最大程度发挥围岩自身的承载性能；同时，新奥法施工的宽容性更高，在掌子面推进过程中允许一定限度的围岩形变，以缓慢释放围岩内应力，避免“岩爆”事故的发生。

1 公路隧道新奥法施工原理及应用范围

1.1 公路隧道新奥法施工原理概述

隧道围岩在新奥法施工过程中同时扮演承载和支护两个角色，围岩与支护结构共同构成承载复合结构，在掌子面推进过程中应尽量减少对围岩的扰动，维持围岩原始稳定性；掌子面推进过程中应及时做好首次支护，一方面约束围岩荷载释放规模，控制围岩形变，另一方面，控制围岩应力重分布影响边际，降低开挖荷载对围岩的不良扰动，尤其是隧道拱部开挖应保证一次成型；首次支护宜使用喷锚支护，使用高压喷射混凝土提高支护材料与围岩的贴合性，彻底封闭围岩裂隙，阻塞暗流及地下水渗透通道，缓解应力集中效应，有助于环向应力的合理传递；为了强化隧道围岩支护结构的刚度和密封性，隧道支护应尽快封闭，可通过增设仰拱、钢拱等设施提升隧道支护结构的可靠性。图1为隧道仰拱布置示意图。

图1 隧道仰拱布置示意图

1.2 公路隧道新奥法应用范围

新奥法施工技术并非适用于任何隧道结构，在隧道工程实践中，开挖及支护方式选取必须结合隧道地质条件和水文条件。以山区公路施工过程中常见的山岭隧道为例，常用的隧道开挖技术有机械掘进法和矿山开挖法两种，其中，机械掘进法适用于长距离隧道，且机械掘进施工技术能够满足复杂地质条件要求，对隧道围岩的变形控制效率更高，可用于围岩等级较高的隧道开挖项目；矿山开挖法分为传统矿山法和新奥法两种，二者均使用钻爆的形式掘进，但支护形式不同，传统矿山法采用钢木组合支护，新奥法则常用喷射混凝土、锚喷混凝土或浇筑混凝土进行支护。表1罗列了常见土质隧道施工方法。

表1 常见土质隧道施工方法

2 新奥法常见开挖方式和支护结构概述

2.1 新奥法常见开挖方式概述

采用新奥法开挖隧道时，具体开挖方式的选取不能单纯以某一单独因素决定，必须综合隧道围岩等级、施工作业空间、隧道埋深、开挖断面、衬砌形式等众多因素综合决定，必须本着安全第一的原则，不能只图施工进度和施工效率而忽略施工安全。目前，已被应用到工程实际中的开挖方式主要有：全断面开挖法、台阶开挖法、分部开挖法及中隔墙法。

1)全断面开挖法。本文提及的全断面开挖法特指新奥全断面开挖法，全断面开挖对设计开挖面一次性开挖成型，由于开挖作业面尺寸较大，能够满足大型施工机械作业空间需求，极大地提高了施工效率；全断面开挖一次成型能够降低施工荷载对隧道围岩稳定性的干扰，可以先开挖成型再做围岩衬砌；目前，全断面开挖技术主要应用于Ⅱ级及以下围岩，对于部分掌子面面积小于50 m2，且隧道围岩等级为Ⅲ级时，先对围岩进行注浆补强后仍可采用全断面开挖法。图2为全断面开挖掌子面示意图。

图2 全断面开挖掌子面示意图

2)台阶开挖法。台阶开挖法在新奥法施工项目中的应用最为广泛，由于可对台阶长度进行任意调整，因此，台阶开挖法的适用性极高；传统的台阶开挖法将掌子面划分为上半面和下半面，根据台阶长度可进一步细分为长台阶法和短台阶法；虽然台阶开挖法的工程适用性良好，但相较于全断面开挖法，台阶开挖的施工周期更长，围岩被扰动频率更高，围岩支护封闭周期较长，在未完全封闭周期内的围岩变形更加显著。综上，在使用台阶开挖法进行施工时，应综合围岩等级、现场施工效率、支护条件等因素决定台阶长度，因其施工控制难度较低，目前，台阶开挖法更多被应用在Ⅳ级及以上的软弱围岩中。

3)分部开挖法。分部开挖法本质上是对台阶开挖的进一步细化和升级，根据不同分部的施工顺序和方式，分部开挖法又可细分为：环形开挖留核心土法、上下导坑法、侧壁导坑法及中洞法等；顾名思义，分部开挖法先将开挖掌子面划分为若干部分，对不同部分进行分别开挖和成型，分部开挖法主要应用在围岩等级较高的软弱围岩或存在塌方诱因的围岩地带。以工程上常见的环形开挖留核心土法为例，该方法借助预留的核心土结构临时支撑开挖面，其施工可靠性明显高于短台阶法，但环形开挖留核心土法的施工进度缓慢，且施工子作业面数量较多，不利于隧洞内通风。图3为环形开挖留核心土开挖法作业面示意图。

图3 环形开挖留核心土开挖法作业面示意图

4)中隔墙法(又可分为普通中隔墙法和交叉中隔墙法)。中隔墙法同样适用于软弱围岩地带，尤其是在控制隧洞内地基沉陷问题上效果更加显著，目前，中隔墙法已经被广泛应用在城市地下轨道交通建设项目中。

2.2 新奥法常见支护结构概述

目前，在公路隧道工程施工实践中，基本不允许“毛洞”的存在，必须根据围岩等级及现场施工情况对隧道内壁进行合理的支护，工程上又将隧道支护结构统称为衬砌。隧道衬砌除了应满足隧道内通行净空要求外，还应具备承载性、可靠性及可施工性，以实现围岩与衬砌结构的协同承载。以新奥法为例，新奥法隧道衬砌结构的主要功能是约束围岩变形，控制围岩因应力松弛效应引起的岩体失稳、坍塌、掉落等病害。

根据隧道围岩等级及设计施工条件，常用的隧道支护结构分为防备支护、构造支护及承载支护三种。防备支护无法抵抗围岩压应力，主要起到封闭“毛洞”、保护岩壁的作用，防备支护可直接向“毛洞”喷射混凝土或单独打锚杆支护，其施工工序简单、难度较低；构造支护适用于围岩处于弹性变形限度内的隧道，隧道围岩可独立形成稳定结构，所需外界支护补强要求较低；为了降低施工难度，衬砌厚度、锚杆直径及长度等参数可根据现场施工构造要求直接决定，构造支护一般可选喷射混凝土、打锚杆、浇筑混凝土等方式进行施工；对于存在塑性形变的隧道围岩必须进行可靠支护，支护结构一般选用复合衬砌结构，其中，“一衬”以喷射混凝土配合锚杆加固，“二衬”则使用现浇混凝土构筑，且衬砌间应增设防渗保护层。

3 结 语

综上所述，新奥法开挖支护施工体系基本覆盖了各种围岩等级隧道，其工程适用性、可靠性及工程经济性均有明显优势；在选定具体的隧道开挖方法及支护形式时，必须全面考虑隧道围岩等级、隧道地质条件、施工作业水平、工程安全性及工程经济性等各种因素，从而制定出科学合理的新奥法施工技术方案。

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