新奧法設計施工概論講座

XX2006.6.1、新奧法概念新奧法是奧地利隧道施工方法的簡稱（NewAustrianTunnelingMethod,簡寫NATM），應用巖體力學原理，以維護和利用圍巖的自穩能力為基點，將錨桿和噴射混凝土集合在一起作為主要支護手段，控制圍巖的變形與松弛，使圍巖成為支護體系的組成部分，形成錨桿、噴射混凝土和隧道圍巖為三位一體的承載結構，以共同支承山體壓力。通過對圍巖與支護的現場量測，及時反饋圍巖--支護復合體的力學動態及其變化狀況，為二次支護提供合理的架設時機；通過監控量測及時反饋信息以指導隧道和地下工程的設計施工。2、新奧法理論的特點新奧法的理論建立在巖體力學特性和巖體變形特性以及莫爾學說的基礎上；考慮到隧道掘進時的空間效應和時間效應對圍巖應力與變形的影響；集中體現在支護結構種類、支護結構的構筑時機、巖體壓力、圍巖變形四者的關系上，貫穿在不斷變更的設計與施工過程中。3、新奧法設計程序研究定測資料掌握圍巖的各種性狀和隧道的環境條件施工前預設計●斷面形式及幾何尺寸的擬定●襯砌類型及參數的選擇●預留變形量●選擇施工方法與施工順序●現場監控量測設計●必要時作輔助施工設計●防排水設計信息反饋修正設計開挖根據需要做防水層圍巖-支護體系是否穩定？支護是否合理？結束初期支護二次襯砌施工地質調查、現場監控量測4、新奧法施工的基本要點開挖作業多采用光面爆破和預裂爆破，并盡量采用大斷面或較大斷面開挖，以減少對圍巖的擾動；隧道開挖后，盡量利用圍巖的自承能力，充分發揮圍巖自身的支護作用；根據圍巖特征采用不同的支護類型和參數，及時施作密貼于圍巖的柔性噴射混凝土和錨桿初期支護，以控制圍巖的變形和松弛；在軟弱破碎圍巖地段，使斷面及早閉合，以有效地發揮支護體系的作用，保證隧道穩定；二次襯砌原則上是在圍巖與初期支護變形基本穩定的條件下修筑的，圍巖與支護結構形成一個整體，因而提高了支護體系的安全度；盡量使隧道斷面周邊輪廓圓順，避免棱角突變處應力集中；通過施工中對圍巖和支護的動態觀察、量測，合理安排施工程序，進行設計變更及日常的施工管理。綜合以上，新奧法的施工精髓為：少擾動、短進尺、早噴錨、勤量測、嚴治水、緊封閉。5、新奧法組合錨桿的力學作用（1）懸吊作用認為錨桿的作用就是將不穩定的巖層懸吊在堅固巖層上，以阻止圍巖移動滑落。（2）減跨作用在隧道頂板巖層中打入錨桿，相當于在頂板上增加了支點，使隧道跨度減小，從而使頂板巖體的應力減小，起到維護隧道的作用。（3）組合梁作用在層狀巖體中打入錨桿，把若干薄層巖層錨固在一起，類似于將疊置的板梁組成組合梁，從而提高了頂板巖層的自支承能力，起到維護隧道的作用。（4）擠壓加固作用錨桿群錨入圍巖后，隨著圍巖的變形其兩端附近巖體形成圓錐形壓縮區，各個錨桿形成的壓應力圓錐體將相互交錯并形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。6、目前正在研究發展的錨固支護作用理論⑴最大水平應力理論該理論認為，礦井、峒隧巖層的水平應力通常大于垂直應力，水平應力具有明顯的方向性，在最大水平應力作用下，峒隧頂、底板巖層易于發生剪切破壞，錨桿的作用是約束圍巖沿軸向巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯動。最大水平應力理論的三個特點：與最大水平應力平行的巷道受水平應力影響最小，頂、底板穩定性最好；與最大水平應力呈銳角相交的巷道，其頂、底板變形破壞偏向巷道的某一幫；與最大水平應力垂直的巷道，頂、底板穩定性最差。

隨著對錨固技術的應用與發展，目前又提出了幾種新理論：6、目前正在研究發展的錨固支護作用理論錨桿和錨固區域的巖體相互作用而組成的錨固體形成統一的承載結構；錨桿支護可以提高錨固體的力學參數，改善被錨固巖體的力學性能；巷道、峒隧圍巖存在破碎區、塑性區、彈性區，錨桿錨固區域內巖體的峰值強度和峰后強度、殘余強度均能得到強化；錨桿支護改變圍巖的應力狀態、增加圍壓，從而提高圍巖的承載力，改善圍巖穩定狀況；巷道、峒隧圍巖錨固體強度提高以后，可減小峒內周圍圍巖的破碎區、塑性區的范圍和峒室內空斷面的位移變形，控制圍巖破碎區、塑性區的發展，有利于圍巖穩定。⑵錨桿支護圍巖強度強化理論

該理論要點為：

6、目前正在研究發展的錨固支護作用理論⑶圍巖松動圈理論該理論認為，由于巷道的掘進，破壞了原巖應力的平衡，改變了原巖應力狀態，從而使圍巖應力升高范圍的巖體強度低于其應力時，發生屈服破壞。這種破壞將由巷道周邊向深部發展，由此在巷道周圍形成了不利于圍巖穩定的巖體松動圈，把松動圈的范圍作為錨桿支護設計的依據。7、地下工程的錨固設計方法(1)分析方法分析方法分為彈塑性分析和極限分析。彈塑性分析包括基于彈塑性力學的解析解和數值解。數值解包括有限差分法、有限單元法、邊界單元法。極限分析包括基于剪切楔體滑移理論的分析方法和基于關鍵塊體理論的極限分析。彈塑性分析方法就是借助于理論或數值方法，進行開挖洞室圍巖的應力和位移計算，根據應力和位移進行錨固參數的設計。極限分析是根據關鍵塊體或工程經驗，進行潛在滑移塊體的識別和分析，并基于潛在滑移塊體的穩定狀態和安全要求，進行潛在滑移體的加固設計。7、地下工程的錨錨固設計方法(2)經驗法經驗法包括兩方面面內容基于工程類比的經經驗設計法基于專家經驗的錨錨固設計法7、地下工程的錨錨固設計方法經驗法--基于工程類比的經經驗設計法直接類比法:將待錨固設計工程程與已建的相似工工程（地質條件和和工程類型相近或或相似）進行類比比，確定支護參數數和施工工藝。間接類比法:是建立在工程圍巖巖分類的基礎上，，首先對錨固工程程圍巖進行穩定性性分類，然后根據據圍巖類別，進行行支護設計參數設設計。7、地下工程的錨錨固設計方法間接類比法確定噴噴錨支護類型與參參數時，應體現如如下原則：a.根據不同的圍圍巖壓力特點，對對拱墻采用相應的的支護參數對穩定和中等穩定定圍巖，主要承受受松動壓力，支護護參數的選定貫徹徹“拱是重點，拱拱、墻有別”的原原則；不穩定圍巖巖，它主要承受變變形地壓，拱、墻墻采用相同的支護護參數。b.要體現支護類類型的靈活性及允允許進行局部加固固圍巖對不同的巖體和圍圍巖的不同部位采采用不同的支護類類型與參數。對于于局部不穩定塊體體和局部不穩定部部位，原則上應采采用局部加固，用用錨桿進行局部加加固，而不必配備備系統錨桿或降低低圍巖級別。c.認真參考規規范給定的經驗驗設計參數B≤55＜B≤1010＜B≤1515＜B≤2020＜B≤25Ⅰ不支護50㎜厚噴射混凝土⑴80～100㎜厚噴射混凝土⑵50㎜厚噴射混凝土，設置2.0～2.5m長的錨桿100～150㎜厚噴射混凝土，設置2.5～3.0長的錨桿，必要時，配置鋼筋網120～150㎜厚鋼筋網噴射混凝土，設置3.0～4.0長的錨桿Ⅱ50㎜厚噴射混凝土⑴80～100㎜厚噴射混凝土⑵50㎜厚噴射混凝土，設置1.5～2.0m長的錨桿⑴120～150㎜厚噴射混凝土，必要時，配置鋼筋網⑵80～100厚噴射混凝土，設置2.0～2.5m長的錨桿，必要時，配置鋼筋網120～150㎜厚鋼筋網噴射混凝土，設置3.0～4.0長的錨桿150～200㎜厚鋼筋網噴射混凝土，設置5.0～6.0長的錨桿，必要時，設置長度大于6.0m的預應力或非預應力錨桿Ⅲ⑴80～100㎜厚噴射混凝土⑵50㎜厚噴射混凝土，設置1.5～2.0m長的錨桿⑴120～150㎜厚噴射混凝土，必要時，配置鋼筋網⑵80～100厚噴射混凝土，設置2.0～2.5m長的錨桿，必要時，配置鋼筋網120～150㎜厚鋼筋網噴射混凝土，設置3.0～4.0長的錨桿150～200㎜厚鋼筋網噴射混凝土，設置4.0～5.0長的錨桿，必要時，設置長度大于5.0m的預應力或非預應力或非預應力錨桿——Ⅳ80～100厚鋼筋噴射混凝土，設置1.5～2.0m長的錨桿100～150㎜厚鋼筋網噴射混凝土，設置2.0～2.5長的錨桿，必要時，采用仰拱150～200㎜厚鋼筋網噴射混凝土，設置3.0～4.0長的錨桿，必要時，采用仰拱并設置長度大于4.0的錨桿————Ⅴ120～150㎜厚鋼筋網噴射混凝土，設置1.5～2.0長的錨桿，必要時，采用仰拱150～200㎜厚鋼筋網噴射混凝土，設置2.0～3.0長的錨桿，采用仰拱，必要時，加設鋼架——————毛硐跨度圍巖級別(m)隧道和斜井的錨錨固支護類型和和設計參數（GB50086—2001)《公路隧道設計計規范》(JTGD70-2004)圍巖級別初期支護二次襯砌厚度（m）噴射混凝土厚度（㎝）錨桿（m）鋼筋網鋼架拱、墻混凝土仰拱混凝土拱部、邊墻仰拱位置長度間距Ⅰ5——局部2.0——————30——Ⅱ5～8——局部2.0～2.5——————30——Ⅲ8～12——拱、墻2.0～3.01.0～1.5局部＠25×25——35——Ⅳ12～15——拱、墻2.5～3.01.0～1.2拱、墻＠25×25拱、墻3535Ⅴ15～25——拱、墻3.0～4.00.8～1.2拱、墻＠20×20拱、墻仰拱4545Ⅵ通過試驗、計算確定圍巖級別初期支護二次襯砌厚度（m）噴射混凝土厚度（㎝）錨桿（m）鋼筋網鋼架拱、墻混凝土仰拱混凝土拱部、邊墻仰拱位置長度間距Ⅰ8——局部2.5——局部——35——Ⅱ8～10——局部2.5～3.5——局部——40——Ⅲ10～15——拱、墻3.0～3.51.0～1.5拱、墻＠25×25拱、墻4545Ⅳ15～20——拱、墻3.0～4.00.8～1.0拱、墻＠20×20拱、墻仰拱50，鋼筋混凝土50Ⅴ20～30——拱、墻3.5～5.00.5～1.0拱、墻（雙層）＠20×20拱、墻仰拱60，鋼筋混凝土60鋼筋混凝土Ⅵ通過試驗、計算確定兩車道隧道復合合式襯砌的設計計參數三車道隧道復合合式襯砌的設計計參數7、地下工程的的錨固設計方法法經驗法--基于專家經驗知知識的錨固設計計在歐洲Rabcewicz等等學者認為錨桿桿的有效長度應應等于或大于開開挖寬度的1/3，并且錨桿桿間距不應超過過錨桿有效長度度的1/2，錨錨桿的預應力應應大致等于被加加固的巖層重量量。美國陸軍工兵部部隊制定的經驗驗法項目參數錨桿最小長度錨桿間距的2倍；不穩定巖塊寬度的3倍；對于頂部的錨桿，跨度在6m以內取跨度的1/2；跨度在6～18m范圍內，取3～4.5m；對于幫壁的錨桿，高度在8m以內，其長度與③中確定的相同，高度大于18m取高度的1/5。錨桿最大間距錨桿長度的1/2；不穩定巖塊寬度的1.5倍；1.8m（因間距大于1.8m，很難連接表面的連環式鋼筋網）。預應力頂部錨桿壓力等于垂直厚度為0.2倍孔洞寬度的巖石重力；壓力為42kpa；側壁錨桿壓力等于垂直厚度為0.1倍孔洞高度的巖石重力；壓力為42kpa。7、地下工程的的錨固設計方法法(3)現場監控控法以工程經驗為基基礎，以現場監監測為反饋信息息的隧道支護設設計和施工方法法。從掘進方法法看，它并不新新穎，主要的革革新之處在于錨錨桿的穩定作用用來保證安全開開挖。由于開挖挖而受損壞和松松散的硐室圍巖巖，可用常規的的錨桿系統進行行加固，使其成成為即能自承又又具有柔性（可可讓性）的頂拱拱。8、噴層混凝土土的力學理論⑴防護加固圍巖巖，提高圍巖強強度隧道開挖后，立立即噴射混凝土土，及時封閉圍圍巖暴露面，由由于噴層與巖壁壁密貼，故能有有效地隔絕水和和空氣，防止圍圍巖因潮解風化化產生剝落或膨膨脹，避免裂隙隙中充填物流失失，防止圍巖強強度降低。此外外，高壓高速噴噴射混凝土時，，可使一部分混混凝土漿液滲入入張開的裂隙或或節理中，起膠膠結和加固作用用，提高圍巖強強度。8、噴層混凝土的力力學理論⑵改善圍巖和支支護的受力狀態態含有速凝劑的混混凝土噴射液，，可在噴射后2～10min內凝固，及時時向圍巖提供支支護抗力（徑向向力），使圍巖巖表層巖體由未未支護時的二向向受力狀態變為為三向受力狀態態，提高了圍巖巖強度。噴層是一種柔性性支架，它允許許圍巖尋求新的的平衡所產生的的有限位移，并并可發揮自身對對變形的調節作作用，逐漸與圍圍巖變形協調，，從而改善圍巖巖的應力狀態，，降低圍巖應力力，充分發揮圍圍巖的自承能力力。噴射混凝土能使使混凝土與圍巖巖緊密均勻接觸觸，并可通過調調整噴層厚度，，調整圍巖變形形，使應力均勻勻分布，避免應應力集中。有關關實驗證明，分分層噴射比一次次噴射不同厚度度混凝土的承載載能力高。8、噴層混凝土土的力學理論(3)噴射混凝凝土厚度的計算算①沖切破壞理理論I、II級圍巖巖中的噴射混凝凝土對局部不穩穩定塊體的抗沖沖切承載力，按按下式驗算：KG≤0.6ftumh當噴層內配置鋼鋼筋網時，則其其抗沖切承載力力按下式計算：：KG≤0.3ftumh+0.8fyvAsvu式中：G——不不穩定巖面塊體體重力，N；ft——噴射混混凝土抗拉強度度設計值，MPa;fyv——鋼筋筋抗剪強度設計計值，MPa；；h——噴射混凝凝土厚度，㎜；；當h＞100㎜時，仍以100㎜計算；；um——不穩定定塊體出露面的的周邊長度，㎜㎜；Asvu—與沖沖切破壞錐體斜斜截面相交的全全部鋼筋界面面面積，㎜2;K——安全系數數，取2.0。。②剪切破壞理論論支護軟弱圍巖的的噴射混凝土的的破壞是剪切破破壞，其表層幾幾乎不出現拉應應力，計算公式式為：Pih/2≤tгB/sina1,即噴層厚t≥≥Pihsina1/2гB式中：Pi--作用在噴層層上的變形地壓壓；h--錐形剪切切體底寬，圓形形隧道為2Dcosa1,D為隧道半徑徑，a1為圍巖的剪切角角，拱形隧道取取洞高；гB—噴層材料的抗抗剪強度，可取取抗壓強度的20%；a1—噴層材料的剪剪切角，等于450-φ1/2，其中φ1為噴層材料內摩摩擦角。9、監控量測（1）必測項目目是為了在設計施施工中確保圍巖巖穩定、判斷支支護結構工作狀狀態、指導設計計施工的經常性性量測，主要包包括：①隧道內內目測觀觀察；②隧道內內空變位位量測；；③拱頂下下沉量測測；④錨桿拉拉拔力量量測。（2）選選測項目目對有特殊殊意義和和具有代代表性的的區段進進行補充充測試，，以求更更深入地地了解圍圍巖的松松動范圍圍和穩定定狀態及及噴錨支支護的效效果，為為未開挖挖區段的的設計與與施工積積累現場場資料。。主要包包括：①地表下下沉（在在埋深厚厚度小于于40m時為必必測）②圍巖體體內位移移③圍巖與與初支壓壓力④初支與與二襯壓壓力⑤鋼支撐撐壓力⑥初支砼砼內壓力力⑦二襯砼砼壓力表1監監控量量測的方方法與目目的表2監監控量測測的方法法與目的的表3監監控量量測的方方法與目目的10、利利用量測測結果修修改設計計指導施施工（1）根根據內空空變位速速度預報報險情①巖質軟軟弱破碎碎，開挖挖工作面面自穩時時間比較較短時，，應當先先用3～～5㎝的的薄層噴噴射混凝凝土封閉閉開挖工工作面，，必要時時還應打打設水平平超前錨錨桿先加加固開挖挖工作面面，然后后再進行行開挖。。②如發現現初襯混混凝土的的噴層已已經開裂裂，應馬馬上做第第二次噴噴混凝土土層，噴噴層要逐逐步加厚厚。③增加錨錨桿數量量或加大大錨桿長長度對危危險面進進行加固固，一般般增加錨錨桿數量量不如加加大錨桿桿長度效效果好，，錨桿數數量和長長度要參參考錨桿桿拉拔力力、軸向向力、圍圍巖內變變位等量量測資料料確定。。④如果是是全斷面面開挖，，可改為為臺階法法開挖，，若已是是臺階法法開挖，，可縮短短臺階長長度，由由長臺階階改為短短臺階或或小臺階階，亦可可改為多多臺階開開挖。⑤用仰拱拱或臨時時仰拱及及時使斷斷面閉合合，形成成閉合支支承環對對內空變變位收斂斂有顯著著效果，，即使是是用3～～5㎝厚厚的噴射射混凝土土做臨時時仰拱，，效果也也很明顯顯，所以以在臺階階式開挖挖法施工工中可把把每個臺臺階都用用臨時仰仰拱進行行封閉。。⑥在開挖挖工作前前上方拱拱頂設置置超前斜斜錨桿進進行預支支護后再再開挖，，斜錨桿桿對促使使變位速速度收斂斂和對減減少最終終變位量量有顯著著效果。。根據初期期變位速速度預計計最終變變位量可可能超出出容許變變位數值值時，或或發現內內空變位位速度持持續增長長，特別別是開挖挖面已距距量測斷斷面1～～2倍隧隧道直徑徑時，量量測斷面面的內空空變位速速度仍持持續地維維持一個個常量或或持續增增長。可可判定這這是危險險的征兆兆，這時時，首先先應當立立即停止止開挖。。然后根根據情況況盡快采采取如下下一種或或幾種加加強支護護的措施施。10、利利用量測測結果修修改設計計指導施施工（2）根根據內空空變位速速度修改改設計施工中，，如果內內空變位位速度收收斂很快快，可以以預計出出最終變變位很少少時，可可認為原原設計偏偏于保守守，為了了節省人人力、物物力、財財力，應應當減少少支護結結構參數數，但在在確定減減少設計計參數之之前要構構筑2～～3個施施工過渡渡段進行行試驗施施工，每每一施工工過渡段段的長度度為1～～2倍隧隧道的直直徑，每每一施工工過渡段段所要修修改的支支護結構構設計參參數應當當逐漸減減少，在在每一過過渡段中中都要增增設量測測斷面，，記錄減減少支護護結構設設計參數數后內空空位速度度的收斂斂情況，，并預計計出最終終變位，，當結合合目測觀觀察和其其他量測測資料的的分析，，認為減減少支護護參數后后隧道確確實安全全可靠時時，方可可決定采采用新的的設計參參數進行行施工。。10、利利用量測測結果修修改設計計指導施施工（3）根根據最終終變位量量修改開開挖斷面面尺寸隧道的開開挖斷面面尺寸是是隧道斷斷面凈尺尺寸和預預訂的容容許變位位量之和和，一次次襯砌施施工完畢畢的內空空變位已已達到穩穩定的隧隧道，其其最終變變位量可可能大于于或小于于預訂的的容許變變位量，，巖質較較好時，，變位量量并不很很大，對對隧道斷斷面尺寸寸影響很很小，一一般不做做任何修修改。但但膨脹性性地層變變位量變變化范圍圍大，如如果最終終變位量量小于預預定容許許變位量量時，應應當減少少開挖斷斷面尺寸寸，相反反，則要要考慮加加大開挖挖面尺寸寸，或改改變支護護方式和和支護參參數，控控制最終終變位，，使它不不超過預預訂的容容許定位位量。10、利利用量測測結果修修改設計計指導施施工（4）根根據內空空變位速速度確定定二襯澆澆筑時機機做好初襯襯后，當當內空變變位速度度等于零零時是澆澆筑二次次襯砌最最理想的的時機，，因為只只要圍巖巖變位沒沒有終結結，所構構筑二次次襯砌上上就作用用有荷載載。新奧法構構筑隧道道時，一一次襯砌砌的變位位應當穩穩定，二二次襯砌砌不應當當承擔荷荷載，只只起裝飾飾作用和和提高安安全度的的作用。。在實際施施工當中中，對于于巖質條條件好的的隧道，，圍巖變變位速度度收斂很很快。這這種情況況下，可可以在圍圍巖內空空變位速速度等于于零后再再構筑二二次襯砌砌是最好好的。對于巖質質條件不不好，圍圍巖變位位收斂很很慢的隧隧道如果果也等到到內空變變位速度度等于零零時再構構筑二次次襯砌，，就會造造成施工工速度太太慢而不不經濟，，這種情情況下，，可以在在圍巖變變位趨于于穩定、、變位速速度收斂斂到一個個恰當小小的數值值時就構構筑二次次襯砌。。在歐洲一一般規定定當變位位速度降降到每月月幾毫米米時開始始構筑二二次襯砌砌混凝土土，但所所使用的的混凝土土的強度度應根據據平均內內空變位位來確定定。月內空變位量/㎜平均內空速度/（㎜/d）混凝土強度/（98kpa）0～10～0.032501～30.03～0.103003～50.10～0.17400我國《公公路隧道道施工技技術規范范》（JTJ042——94））規定隧隧道周邊邊任意點點的實測測相對位位移值應應小于下下表數值值。隧道周邊邊允許相相對位移移值（%）<5050～300>300備注IV(新規范III級)0.10～0.300.20～0.500.40～1.20相對位移值指實測位移值與兩測點間距離之比，或拱頂位移實測值與隧道寬度之比；脆性圍巖取表中較小值，塑性圍巖取表中較大值。III(新規范IV級)0.15～0.500.40～1.200.80～2.00Ⅱ(新規范V級)0.20～0.800.60～1.601.00～3.00覆蓋層厚厚度許允圍巖類別對值移相位并規定二二次襯砌砌的施作作應滿足足:已產生的的各項位位移已達達預計總總位移量量的80%～90%；各測試項項目的位位移速率率明顯收收斂,圍巖基本本穩定；；周邊位移移速率小小于