新奧法施工課件

新奧法施工同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院張廣興

新奧法(NewAustrianTunnellingmethod－NATM)是新奧地利隧洞施工法的簡(jiǎn)稱，它是一種集設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)于一體的科學(xué)的隧道施工方法。將地層視為連續(xù)介質(zhì)體，在粘、彈、塑性理論的指導(dǎo)下，充分考慮了地層開(kāi)挖隧道后，從變位發(fā)生、發(fā)展到巖土體出現(xiàn)破壞過(guò)程的時(shí)間效應(yīng)特性，適時(shí)構(gòu)筑柔性、薄壁、能與周圍地層貼緊的支護(hù)結(jié)構(gòu)，保護(hù)隧道周圍地層的天然承載力，使其成為支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，與人工構(gòu)筑的支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用，形成可靠的洞周支撐環(huán)，使隧道結(jié)構(gòu)能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。

一、概述1、新奧法的概念

3）根據(jù)圍巖級(jí)別，采用不同的初期支護(hù)，及時(shí)施作密貼于圍巖的柔性支護(hù)（如鋼拱架、噴射混凝土和錨桿等），以控制圍巖的變形和松弛；4）在軟弱破碎地段，使斷面及早閉合，從而增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，有效地發(fā)揮支護(hù)體系的作用，保證隧道的穩(wěn)定性；5）二次襯砌原則上是在圍巖和初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的條件下修建，使圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，從而提高支護(hù)體系的安全度。

6）盡量使開(kāi)挖后的隧道斷面周邊輪廓光滑、圓順，避免棱角突變處應(yīng)力集中；7）在施工中對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的監(jiān)控測(cè)量，以便能夠合理安排施工程序，修整不合理的設(shè)計(jì)和施工方法。

總之，新奧法不能單純理解為隧道施工的某一種方法，它是把隧道的設(shè)計(jì)與施工合為一體，以彈塑性理論的成果進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并以現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的手段修正設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工的一種新理念。這一新理念集中體現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)種類、支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)筑時(shí)機(jī)、圍巖壓力、圍巖變形這四者的關(guān)系上，自始至終貫穿于不斷變更的設(shè)計(jì)、施工的過(guò)程中。光面爆破、錨噴支護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量被稱為新奧法的三大支柱。

新奧法的適用范圍很廣，不同的地質(zhì)條件—不論是好巖石還是差巖石，都可以采用，甚至在土層中都可以采用。但是，在地下水很旺盛的地層中若要采用新奧法，必須首先解決地下水的問(wèn)題，否則開(kāi)挖后的一次支護(hù)就很難做。

各種不同深度均可采用新奧法。

各種不同形狀、不同斷面的洞室均能采用新奧法。目前，新奧法的隧道類型有鐵路、公路、水工隧洞、地鐵以及幾乎所有的其他地下工程。3、新奧法的應(yīng)用范圍如長(zhǎng)隧道：大瑤山隧道、米花嶺隧道。如大斷面隧道：二灘電站的導(dǎo)流洞（最大斷面面積600m2以上）、太平驛電站直徑達(dá)28.6m的調(diào)壓井。如特殊地質(zhì)隧道：南昆線家竹箐隧道（軟巖高地應(yīng)力大變形）。目前高速公路隧道已全面推廣新奧法施工，同時(shí)，許多重點(diǎn)難點(diǎn)地下工程的建成帶動(dòng)了我國(guó)整個(gè)地下工程的發(fā)展。包括：長(zhǎng)臺(tái)階法、短臺(tái)階法、超短臺(tái)階法1）全斷面開(kāi)挖法2）臺(tái)階法3）分部開(kāi)挖法

臺(tái)階分部開(kāi)挖法(環(huán)形開(kāi)挖留核心土法)

中隔壁法(單側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD、CRD法)

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(眼鏡法)等二新奧法施工的分類按開(kāi)挖隧道的橫斷面分部情形來(lái)分，開(kāi)挖方法可分為全斷面開(kāi)挖法、臺(tái)階開(kāi)挖法、分部開(kāi)挖法等。

(1)開(kāi)挖斷面與作業(yè)空間大、干擾??；(2)有條件充分使用機(jī)械，減少人力；(3)工序少，便于施工組織與管理，改善勞動(dòng)條件；(4)開(kāi)挖一次成形，對(duì)圍巖擾動(dòng)少，有利于圍巖穩(wěn)定。

全斷面法施工特點(diǎn)適用條件

(1)I-Ⅲ級(jí)圍巖，在用于Ⅲ級(jí)圍巖時(shí)，圍巖應(yīng)具備從全斷面開(kāi)挖到初期支護(hù)前這段時(shí)間內(nèi)，保持其自身穩(wěn)定的條件。(2)有鉆孔臺(tái)車或自制作業(yè)臺(tái)架及高效率裝運(yùn)機(jī)械設(shè)備。(3)隧道長(zhǎng)度或施工區(qū)段長(zhǎng)度不宜太短，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般不應(yīng)小于lkm，否則采用大型機(jī)械化施工，其經(jīng)濟(jì)性較差。作業(yè)線采用的大型機(jī)械設(shè)備開(kāi)挖作業(yè)線鉆孔臺(tái)車、裝藥臺(tái)車、裝載機(jī)配合自卸汽車（無(wú)軌運(yùn)輸時(shí)）、裝渣機(jī)配合礦車及電瓶車或內(nèi)燃機(jī)車（有軌運(yùn)輸時(shí)）噴錨作業(yè)線混凝土噴射機(jī)、混凝土噴射機(jī)械手、噴錨作業(yè)平臺(tái)進(jìn)料運(yùn)輸設(shè)備及錨桿灌漿設(shè)備模筑襯砌作業(yè)線混凝土拌和作業(yè)廠、混凝土輸送車及輸送泵、施作防水層作業(yè)平臺(tái)、襯砌鋼模臺(tái)車隧道機(jī)械化施工，有三條主要作業(yè)線，見(jiàn)下表2、臺(tái)階法根據(jù)臺(tái)階長(zhǎng)度不同，劃分為長(zhǎng)臺(tái)階法、短臺(tái)階法和微臺(tái)階法三種。施工中采用哪一種臺(tái)階法，要根據(jù)兩個(gè)條件來(lái)決定：第一是對(duì)初期支護(hù)形成閉合斷面的時(shí)間要求，圍巖越差，要求閉合時(shí)間越短。第二是對(duì)上部斷面施工所采用的開(kāi)挖、支護(hù)、出渣等機(jī)械設(shè)備需要施工場(chǎng)地大小的要求。

1）長(zhǎng)臺(tái)階法

長(zhǎng)臺(tái)階法開(kāi)挖斷面小，有利于維持開(kāi)挖面的穩(wěn)定，適用范圍較全斷面法廣，一般適用于地質(zhì)條件較差的Ⅰ-V級(jí)圍巖。長(zhǎng)臺(tái)階法12>5L12L123~5m微臺(tái)階法12L3）微臺(tái)階法

適用于Ⅴ-Ⅵ級(jí)圍巖，一般為3-5m的臺(tái)階長(zhǎng)度。微臺(tái)階法上下斷面相距較近，機(jī)械設(shè)備集中，作業(yè)時(shí)相互干擾大，生產(chǎn)效率低，施工速度慢。

3、分部開(kāi)挖法

分部開(kāi)挖法包括環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法、側(cè)壁導(dǎo)坑法、中洞法、中隔壁法等。

1）環(huán)形開(kāi)挖留核心土法環(huán)形開(kāi)挖留核心土法常用于Ⅵ級(jí)圍巖單線和V-Ⅵ級(jí)圍巖雙線隧道掘進(jìn)。

③①②②③①②①②③①②③由于單側(cè)壁導(dǎo)坑法每步開(kāi)挖的寬度較小，而且封閉型的導(dǎo)坑初期支護(hù)承載能力大，所以它適用于斷面跨度大，地表沉陷難于控制的軟弱松散圍巖中。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

①①①②②③③適用于V～Ⅵ級(jí)圍巖雙線或多線隧道掘進(jìn)。具有控制地表沉陷好，施工安全等優(yōu)點(diǎn)，但進(jìn)度慢，成本高。

4）中隔壁法(CD)

①②③④④⑤⑥①②③⑤⑥適用于V-Ⅵ級(jí)圍巖的淺埋雙線隧道。中隔墻開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)沿一側(cè)自上而下分為二或三部進(jìn)行，每開(kāi)挖一步均應(yīng)及時(shí)施作錨噴支護(hù)、安設(shè)鋼架、施作中隔壁，底部應(yīng)設(shè)臨時(shí)仰拱，中隔壁墻依次分步聯(lián)結(jié)而成，之后再開(kāi)挖中隔墻的另一側(cè)，其分步次數(shù)及支護(hù)形式與先開(kāi)挖的一側(cè)相同。

5、交叉中隔壁法(CRD)

交叉中隔壁法適用于V-Ⅵ級(jí)圍巖淺埋的雙線或多線隧道。采用自上而下分為二至三步開(kāi)挖中隔墻的一側(cè)，并及時(shí)支護(hù)，待完成1-2部后，即開(kāi)始另一側(cè)l-2部開(kāi)挖及支護(hù)，形成左右兩側(cè)開(kāi)挖及支護(hù)相互交叉的情形。

⑥①①②②③③④④⑤⑤⑥新奧法的施工工序新奧法施工的基本原則新奧法的錨桿支護(hù)施工新奧法的噴射混凝土的施工新奧法的鋼架施工三新奧法的施工技術(shù)少擾動(dòng)——開(kāi)挖時(shí)要盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)、擾動(dòng)強(qiáng)度、擾動(dòng)范圍和擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間。

早支護(hù)——開(kāi)挖后及時(shí)施作初期錨噴支護(hù)，使圍巖的變形進(jìn)入受控制狀態(tài)。

勤量測(cè)——指以直觀、可靠的量測(cè)方法和量測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)圍巖(或圍巖加支護(hù))的穩(wěn)定狀態(tài)，或判斷其動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，以便及時(shí)調(diào)整支護(hù)形式、開(kāi)挖方法

緊封閉——一方面指采取噴射混凝土等防護(hù)措施，避免圍巖因長(zhǎng)時(shí)間暴露而致強(qiáng)度和穩(wěn)定性的衰減。另一方面指要適時(shí)對(duì)圍巖施作封閉形支護(hù)。

2、新奧法施工的基本原則

（1）懸吊效應(yīng)

（2）組合梁效應(yīng)

3、新奧法的錨桿支護(hù)施工1）錨桿的支護(hù)效應(yīng)（3）加固效應(yīng)機(jī)械式錨固錨桿

2）錨桿的種類粘結(jié)式錨固錨桿

摩擦式錨固錨桿

當(dāng)隧道通過(guò)軟弱圍巖等地段時(shí)，機(jī)械式錨桿錨固容易失效，粘結(jié)式砂漿錨桿施工不便，而采用摩擦式錨桿則可以收到良好的支護(hù)效果。錨桿直徑錨桿一般采用16Mn或5號(hào)鋼，條件不具備時(shí)可用3號(hào)鋼。對(duì)于端部錨固的錨桿，其抗拉力大于或等于設(shè)計(jì)錨固力，即：

則錨桿直徑d：常用的錨桿直徑一般為18～22mm。3）錨桿的尺寸錨桿長(zhǎng)度

起懸吊作用的錨桿：長(zhǎng)度須穿透不穩(wěn)定塊體并在堅(jiān)硬穩(wěn)定巖體內(nèi)有一定錨固長(zhǎng)度。

軟弱圍巖中系統(tǒng)布置的錨桿：巖體視為單一塑性體，錨桿的長(zhǎng)度應(yīng)穿過(guò)塑性區(qū)。

按施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定錨桿長(zhǎng)度：中等以上硬質(zhì)圍巖：軟弱圍巖：

錨桿質(zhì)量檢查，包括長(zhǎng)度、間距、角度、方向、抗拔力等。其中主要是抗拔力試驗(yàn)，對(duì)于重要工程可增作灌漿密度試驗(yàn)。如抗拔力不符合要求時(shí)，一般可用加密錨桿予以補(bǔ)強(qiáng)。

4）錨桿的質(zhì)量檢查充填裂隙加固圍巖封閉圍巖壁面防止風(fēng)化噴射混凝土與圍巖組成共同承載體系4、新奧法的噴射混凝土的施工1）噴射混凝土的作用優(yōu)點(diǎn)：柔性支護(hù)支護(hù)及時(shí)不用模板、拱架施工工藝簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：回彈量大、止水性弱2）噴射混凝土的優(yōu)缺點(diǎn)干噴：干噴是將砂、石、水泥按一定比例干拌均勻投入噴射機(jī)，同時(shí)加入速凝劑，用高壓空氣將混合料送到噴頭，再在該處與高壓水混合后以高速噴射到巖面上。3）噴射混凝土的噴射方式濕噴：

濕噴是將砂、石料預(yù)加水，使其浸潤(rùn)成潮濕狀，再加水泥拌均勻，從而降低上料合噴射時(shí)的粉塵，其工藝流程同干噴。

對(duì)于自穩(wěn)時(shí)間很短的Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖隧道；淺埋偏壓隧道；隧道處于粉細(xì)砂、大面積淋水等地段；為了抑制圍巖過(guò)大的變形。使用條件：5、新奧法的鋼架施工架設(shè)后立即受力，且強(qiáng)度和剛度均較大，可承受開(kāi)挖時(shí)引起的松動(dòng)壓力。鋼架的最大特點(diǎn)：鋼架可分為：型鋼鋼架和格柵網(wǎng)構(gòu)鋼架兩種類型。

工程上采用的型鋼鋼架有：工字型鋼、H型鋼、槽鋼、U型鋼、鋼管及鋼軌等材料。

缺點(diǎn)：鋼架較重，架設(shè)困難；不便于加工制作；鋼架與噴射混凝土結(jié)合不良，粘結(jié)力較小。目前現(xiàn)場(chǎng)只有十分必要時(shí)才使用。

型鋼鋼架工字型鋼拱架特點(diǎn)：

質(zhì)量輕，制作容易，架設(shè)方便，省工省料；與噴射混凝土結(jié)合良好，能形成整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；易與錨桿、超前小導(dǎo)管形成整體。鋼架的縱向間距應(yīng)根據(jù)所支護(hù)的圍巖而定，一般為0.75～1.2m，兩榀鋼架之間設(shè)置直徑為20～22mm的縱向鋼拉桿。

格柵網(wǎng)構(gòu)鋼架

格柵網(wǎng)構(gòu)鋼架

四新奧法的輔助施工方法1、超前錨桿1）構(gòu)造組成超前錨桿是沿開(kāi)挖輪廓線，以稍大的外插角，向開(kāi)挖面前方安裝錨桿，形成對(duì)前方圍巖的預(yù)錨固，在提前形成的圍巖錨固圈的保護(hù)下進(jìn)行開(kāi)挖等作業(yè)。

超前錨桿2）性能特點(diǎn)及適用條件特點(diǎn)：柔性較大，整體剛度較小。適用條件：應(yīng)力不太大，地下水較少的軟弱圍巖的隧道工程中，如土砂質(zhì)地層、弱膨脹性地層、流變性較小的地層、裂隙發(fā)育的巖體、斷層破碎帶等、淺埋無(wú)顯著偏壓隧道。2、管棚1）構(gòu)造組成管棚是利用鋼拱架沿開(kāi)挖輪廓線以較小的外插角、向開(kāi)挖面前方打入鋼管或鋼插板構(gòu)成的棚架來(lái)形成對(duì)開(kāi)挖面前方圍巖的預(yù)支護(hù)。a)棚管的環(huán)向布置b)管棚鋼管縱向錯(cuò)接c)鋼管端部橫向聯(lián)接2）性能特點(diǎn)及適用條件特點(diǎn)：整體剛度較大，對(duì)圍巖變形的限制能力較強(qiáng)，且能提前承受早期圍巖壓力。適用條件：主要適用于圍巖壓力來(lái)得快來(lái)得大、對(duì)圍巖變形及地表下沉有較嚴(yán)格要求的軟弱破碎圍巖隧道工程中。

3、超前小導(dǎo)管注漿b)注漿半徑及孔距選擇a<40cmrrb(取30cm)鉆孔15oa)超前小導(dǎo)管布置小導(dǎo)管鋼支撐0.2m3.5~6.0mc)小導(dǎo)管全圖管箍(φ6鋼筋加焊)出漿孔1.5m不鉆孔0.2mφ25~35mm有縫鋼管

特點(diǎn)：漿液被壓注到巖體裂隙中并硬化后，不僅將巖塊或顆粒膠結(jié)為整體起到了加固作用，而且填塞了裂隙，阻隔了地下水向坑道滲流的通道，起到了堵水作用。

適用于一般軟弱破碎圍巖，也適用于地下水豐富的軟弱破碎圍巖。

4、超前深孔圍幕注漿正洞平行導(dǎo)坑(c)平導(dǎo)超前注漿正注漿區(qū)域已注漿區(qū)域(a)洞內(nèi)超前注漿(b)地表超前注漿為設(shè)計(jì)和修正支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)提供依據(jù)；正確選擇開(kāi)挖方法和支護(hù)施作時(shí)間；為隧道施工和長(zhǎng)期使用提供安全信息；是研究新奧法力學(xué)機(jī)理和設(shè)計(jì)理論的重要途徑。

8.4新奧法的監(jiān)控量測(cè)1、監(jiān)控量測(cè)的目的

盡快埋設(shè)測(cè)點(diǎn)；進(jìn)行一次量測(cè)的時(shí)間宜盡量短；傳感元件要有較好的防震、防沖擊波的能力，且能長(zhǎng)期有效；測(cè)設(shè)的數(shù)據(jù)要求直觀、正確、可靠；測(cè)試儀器要有足夠的精度。2、監(jiān)控量測(cè)的基本要求3、量測(cè)內(nèi)容和方法工程地質(zhì)與支護(hù)狀況的觀察隧道地表沉降量測(cè)隧道凈空收斂量測(cè)拱頂下沉量測(cè)圍巖內(nèi)部位移量測(cè)鋼支撐應(yīng)力量測(cè)噴層應(yīng)力量測(cè)二襯應(yīng)力量測(cè)隧道地表沉降量測(cè)

地表沉降觀測(cè)

地表沉降觀測(cè)

隧道凈空收斂量測(cè)

洞周收斂量測(cè)

洞周收斂量測(cè)

測(cè)點(diǎn)拱頂下沉量測(cè)圍巖內(nèi)部相對(duì)位移的測(cè)孔，一般與周邊位移測(cè)線相應(yīng)布置，以便使兩項(xiàng)測(cè)試結(jié)果能夠互相驗(yàn)證，協(xié)同分析和應(yīng)用。

圍巖內(nèi)部位移測(cè)孔布置圍巖內(nèi)部位移量測(cè)圍巖內(nèi)部位移量測(cè)

鋼支撐應(yīng)力量測(cè)鋼支撐應(yīng)力量測(cè)

鋼筋計(jì)測(cè)格柵應(yīng)力噴層應(yīng)力量測(cè)噴層應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的布置二襯應(yīng)力量測(cè)二襯應(yīng)力量測(cè)4、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用1）量測(cè)數(shù)據(jù)的處理與分析

如果位移時(shí)態(tài)曲線始終保持，說(shuō)明位移速率不斷下降，這是穩(wěn)定的標(biāo)志。

當(dāng)位移—時(shí)間曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)，也即位移出現(xiàn)反常的急劇增長(zhǎng)現(xiàn)象時(shí)(