铁路隧道的新奥法施工技术研究

何 鹏

(中铁十八局集团 第一工程有限公司，河北 廊坊 065000)

随着现代交通事业的不断发展，铁路隧道施工技术逐渐趋于完善、成熟。目前，常见的铁路隧道施工技术包括盾构法、矿山法以及新奥法等，其中，以新奥法应用最为广泛。新奥法在我国铁路隧道施工中的应用已经有60多年的历史，将岩体力学理论以及隧道工程施工作为基础，施工充分考虑岩体承载力，避免对岩体扰动的影响[1]。开挖采用光面爆破、预裂爆破的方式，具有操作简单、工序少、干扰少以及便于管理等优越性，将其应用于隧道工程施工具有较高的经济效益与社会效益。随着现代隧道施工技术的不断发展，新奥法施工技术应用范围将会进一步扩展，对工程质量有着直接的影响，因此，必须严格把握新奥法技术特点，做好铁路隧道施工，为铁路建设服务。

1 新奥法施工原理

1.1 新奥法施工技术概述

新奥法又称为锚喷构筑法，最初是由奥地利L.V.Rabcewiez教授在二十世纪提出的，技术理论基础为岩体力学理论、隧道工程经验，该理论将围岩作为承载机构，采用锚杆、喷射混凝土等现代支护构件，在铁路施工支护环节广泛地应用。传统工程认为隧道围岩为荷载机构，在构筑环节必须采用厚混凝土完成衬砌，支撑操作则应采用重型钢支架。新奥法施工技术下，围岩具有承载作用，可以通过混凝土喷射、轻型钢拱肋等进行施工，在该技术下形成的薄层支撑环，能够与围岩紧贴，承受压力[2]。按照相应的施工工序，不仅能够维持岩体稳定性，而且不会导致松弛、垮塌等。随着现代新奥法施工技术的发展，多种地层、大部分重难点地下工程都能够采用新奥法解决。

1.2 新奥法施工原理

作为铁路隧道的主要承载单元，岩体直接影响着隧道施工质量及安全性。新奥法施工技术利用岩体自身承载力，强调对岩体予以保护，一方面减少对围岩的过多干扰，以避免对围岩整体性产生破坏；另一方面要密切关注围岩的性质，防止长时间处于暴露状态出现劣化。与此同时，隧道开挖环节应建立一个具有良好受体条件的洞室。通常，经过开挖洞室岩体会发生轻微变形，这些都是正常的，可以重新分配岩体应力。将开挖面作为整体，岩体应力上均匀分散圆形空洞，维持应力平衡，能够对隧道结构起到良好的支撑作用。在这个过程中需要加强现场监测，避免出现变形。围岩变形严重或出现过度松弛都会在一定程度上影响围岩的承载能力。初步支护构件主要包括拱架、钢筋网、喷射混凝土等，将初步支护紧贴于围岩表面，能够形成一个强有力的围岩-支护系统，使得两者处于共同变形状态，对围岩岩体应力进行重新分配，在保障支护体系安全性的同时，能够对围岩风化起到抑制作用，并实现对变形及受力的有效控制。完成上述环节后，对岩体应力予以监测，确保其达到平衡状态，然后进行二次衬砌，将岩体完全封闭。需要注意的是，二次衬砌目的是承受部分受力，起到美观作用，并不能够作为隧道受力结构承载物。新奥法施工流程如图1所示。

2 新奥法施工特点及适用范围

2.1 新奥法施工特点

经过多年的实践应用，新奥法施工技术趋于成熟，适用范围越来越广，最为突出的两大特点是支护的及时性与有效性。新奥法技术下，支护能够确保围岩具有较好的封闭性。另外，支护结构具有柔性特点，能够在保障工期的基础上，确保施工质量，减少施工成本，具有较高的经济效益。复合式衬砌是新奥法施工的核心技术，采用内外两层先后施工的方法，完成隧道开挖后，先针对外层进行喷锚支护，初期支护通常允许围岩有轻微变形，但不得过度松动压力，会变形严重。当围岩变形处于稳定状态后，再实施内层衬砌，也可以称作二次衬砌。为确保新奥法施工的精准性，需要加强对施工现场的监测。即在隧道开挖环节，采用各类量测仪表及工具等监测围岩变化情况，了解支护结构工作状态，以便为围岩稳定性及支护结构可靠性提供参考依据。现场监测能够帮助施工者及时发现可能存在的安全隐患及险情，并结合监测数据对支护设计作出相应的调整，并对二次衬砌时间进行确定。

2.2 新奥法适用范围

近年来，新奥法技术不断发展，其适用范围也逐渐扩大，在中等岩体、砾石、不稳定砾岩以及强风化岩石等施工中均具有极强的适用性。一般来说，新奥法施工隧道适用于稳定地层，应根据地质、施工机具条件，尽量采用对围岩扰动少的支护方法。当采用钻爆法开挖岩石地层时，应采用光面爆破、预裂爆破技术，尽量减少欠挖、超挖。浅埋暗挖法适用于软弱围岩地层，通常为第四纪软弱地层，适用于城市管网、地下构筑物大型崆峒。以改造地质条件为前提，以控制地表沉降为重点，按照“十八字”原则进行施工。其适用条件为：①不允许带水作业；②开挖面具有一定的自立性和稳定性。

3 新奥法施工技术在铁路隧道施工中的具体应用

3.1 工程概况

大瑞铁路全长约330 km，东起云南省大理市，西至中缅边境瑞丽市，是我国《中长期铁路网规划》中完善路网布局和西部开发重要项目之一。铁路自大理沿西洱河右岸而下，跨漾濞江、银江、澜沧江，穿大柱山后至保山市，再经怒江、高黎贡山，终到瑞丽。建成通车后，大理至瑞丽的旅行时间将由现在约7个小时缩短至约3个小时，这对促进沿线地区经济社会发展，提升云南对外开放水平，推动我国与南亚、东南亚国家的交流合作具有深远意义。截至目前，大瑞铁路全线44座隧道已经贯通了29座;大理至保山段，路基工程已经完成90%，桥梁工程已完成84%;保山至瑞丽段，路基工程已经完成81%，桥梁工程已经完成75%，复工复产以来，全线桥梁路基隧道工程已完成计划的105%。大柱山隧道全长14 484 m、地处横断山脉，澜沧江畔。

3.2 施工方案

结合该铁路隧道实际情况，施工时宜采取短进尺、强支护的方案，尽可能减少对围岩的扰动。选择超前锚杆或超前小导管的方式进行新奥法施工，并与钢筋网片相结合，相互协调、配合，达到相应的效果。施工所用设备型号如表1所示。围岩作为整个施工的承载体，紧贴围岩构建隧道支护结构，承受施工压力的同时，维持围岩整体稳定性，防止对围岩产生松动、破坏等。在新奥法支持下，由锚杆与钢筋网片形成一个具有极强性能的维护支护系统，有利于提升围岩承载力。

表1 新奥法施工设备型号

3.3 施工准备

为确保施工的顺利进行，施工前首先应做好三方面准备工作：(1)技术准备。在施工前要对隧道工程施工图纸进行反复审查，确保准确无误后，对施工作业人员进行技术交底，主要包括隧道开挖施工、支护、衬砌等施工要点。与此同时，考察施工作业现场、复测导线、检查导线点以及水准点的加密情况，对施工现场方向进行控制测量，明确高程控制测量。(2)现场准备。施工现场涉及到通电、通水、施工便道修筑等工作，需要构建一个平整的施工作业场地。根据隧道工程实际安装拌合站，为强化施工现场作业管理，需要建立安全管理小组，实现对施工的安全管理。(3)机械设备与材料准备。设备及材料种类、数量以及规格等都是按照隧道工程施工要求采购并运送到施工现场。除此之外，还要准备施工中必需的水泥、钢筋、小导管、防水板等常用的施工材料。

3.4 施工要点

3.4.1 支护施工

开挖作业使得隧道围岩应力被重新分布，必须通过有效的支护确保结构运行的稳定性，并对围岩实施加固处理，一旦发生变形或位移能够产生共模效应，建立受力环区域，控制围岩位移速度在合理范围，防止松动。其施工应用如下：(1)喷射混凝土。针对II、III围岩，一般应用素喷，作业前先对喷射面予以高压风水枪冲洗，为作业区域提供良好的照明视野，确保通风良好。开展喷射作业时应采用分段、分块的方式，遵循由下到上、先墙体后拱的作业原则。分层喷射需要前层混凝土完全终凝，控制好喷层厚度，然后再进行二次喷射。(2)钢筋网片组成作业。对锚杆的使用不做时间限制，可结合实际情况进行排距以及锚杆布置。在对系统锚杆进行施工时，首先应明确施工时间，做好排距。布置钢筋网时，要使其与岩面紧贴，并与锚杆端头进行焊接，形成一个蜘蛛网状，混凝土喷射厚度宜8 cm～10 cm。(3)柔性结构。为防止出现变形、扰曲断裂等情况，一般在围岩支护中采用的是薄型柔性结构，其能够在一定程度上提升围岩韧性。岩石软硬程度不同，其施工也存在明显的差异性。一般软岩隧道与地表距离近，荷载承受力差，受覆盖土重力作用的影响，围岩变形控制相对困难。而柔性结构则能够避免释放过度，能够预防坍塌事件的发生。

3.4.2 洞口、洞身开挖

新奥法施工应坚持及早封闭成环的原则，防止变形，完成开挖后应立即进行初喷混凝土施工，初期支护应控制在12 h。为了降低对围岩的扰动，宜采用光面爆破的方法，尽可能减少超挖量，降低施工对围岩产生的扰动，以提升围岩的承受能力。需要注意的是，每完成一次洞口及明洞开挖，就要立即完成初喷混凝土操作，还要安装锚杆、挂网，对混凝土进行复喷，与设计厚度相一致。在施工排水环节，要将围岩与支护结构构建为一个整体，整体性变形对于维持围岩稳定性及洞口安全性有着重要的作用。洞身开挖应在洞口超前支护完成后进行，采用台阶法对洞身段III类围岩予以施工，常见施工方法包括三台阶法、三台阶临时仰拱法。三台阶临时仰拱适用于V类围岩。需要注意的是，围岩初期支护宜采用锚喷法，拱墙进行一次衬砌。

3.4.3 二次衬砌

完成围岩与初期支护后，确保变形稳定后再进行二次衬砌操作，对数据进行监控量测，当位移率减缓时进行。若围岩破碎、浅埋段则应尽早进行二次衬砌。大部分情况下，围岩及初期支护变形处于稳定状态后便可以进行二次衬砌操作。对变形是否稳定进行判断时，可以参照如下标准：①隧道周边变形逐渐缓和，速度呈现降低趋势；②水平收敛<0.2 mm/d，拱顶下沉速度<15 mm/d；③二次衬砌前累积为宜达到相对极限值80%以上；④已经完成的初期支护，表面裂缝不会进一步发展。

3.4.4 钢架施工

通常，新奥法施工对于钢架与围岩施工很少有明确安排。拱部钢架稳定性差，将废渣清除后，钢架会降低，针对明显下沉，一般采用石块予以支垫，然后焊接钢架与锚杆，此时钢架与围岩之间会形成间隙。通常，洞室开挖后，软弱围岩应力会被重新分布，在洞室周边会产生一个塑性区，朝向坑道位置进行位移。随着塑性区的扩大发生破坏。开挖后及时进行喷混凝土、锚杆等支护，能够实现对围岩变形的控制。在柔性支护条件下，钢架承担了部分支撑作用，钢架与围岩的大间隙若处理不及时，未能予以阻挡，会降低围岩承载力，存在坍塌等安全隐患。因此，可以通过预留变形量解决上述问题。

3.4.5 砂浆锚杆

砂浆锚杆主要用于对松弛区扩大的控制，其不仅能够完成悬吊、挤压等操作，而且具有锁脚作用，有利于发挥围岩的支护能力，但是必须保障锚杆施工长度足以顺利穿过应力松弛区，且密度足够。砂浆锚杆与土体有着良好的粘着力，可以设计砂浆锚杆，在提升围岩支护能力的同时，确保施工安全。

3.4.6 监控量测

新奥法施工质量离不开严格的质量把握，必须加强现场监测，把控好隧道稳定性与安全性。针对围岩不稳定问题，要积极采用支护措施，对于稳定性较好的围岩则要积极做好预防工作，强化加固效果。初次喷射完成后，要监测喷层变形。初期支护后，围岩变形处于稳定状态，可以组织进行二次衬砌。结合地质考察结果进行力学计算，对支护参数进行设置，加强质量把控。

4结语

新奥法施工技术在铁路隧道施工中应用广泛，采用喷锚支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面施工，可以利用开挖施工面的时空效应，以限制支护前的变形发展，防止围岩进入松动的状态，在必要的情况下可以进行超前支护，加之喷射混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。在巷道爆破后立即施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展，并控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载，增强了岩层的稳定性。结合工程实例探究了新奥法施工要点，对于保障铁路隧道施工进度、施工质量有着重要的借鉴意义。应加强对新奥法施工的安全性控制，推动铁路机械化施工作业高效完成。