（岩土工程专业论文）隧道开挖与支护的效果分析.pdf

中文摘要 摘要：自从2 0 世纪9 0 年代以来，新奥法在我国隧道建设中得到了广泛应用，但 是随着隧道断面越来越大，地质情况越来越复杂，由喷射混凝土，锚杆和二次衬 砌组成的隧道支护体系是否可以保证施工的安全和隧道结构的稳定，这些支护措 施的作用是否得到充分的发挥? 这个问题无论是对于隧道的结构安全，还是建设 隧道的社会和经济效益都有重要的影响。针对此问题，本文以大瑶山二号隧道为 背景，对喷射混凝土，锚杆和二次衬砌等支护效果和地层变形情况等进行了研究， 主要内容如下： ( 1 ) 采用f l a c 软件，对不同支护条件进行了三维弹塑性数值模拟，从围岩位移 场，围岩应力场，塑性区范围，支护结构受力四个方面进行分析发现：喷射混凝 土和二次衬砌的支护作用明显，锚杆在支护过程中虽也起到了一定的作用，但是 支护效果不明显，对结构的稳定性作用不大，建议施工中可以考虑取消或部分取 消锚杆，不仅能节省造价，还能缩短工期。 ( 2 ) 针对数值模拟情况下，施加初期支护和二次衬砌时隧道的地层变形情况进行 详细分析，重点研究了拱项上方竖向位移，拱腰水平方向的位移和拱圈各个关键 点位移随开挖的变化特点。 ( 3 ) 应用围岩塑性松动圈理论，对在岩体中开挖的隧道进行了塑性圈的分析和计 算，并与直接开挖情况下数值模拟的塑性圈半径和由规范塌落高度估算的塑性圈 半径进行了对比分析。 ( 4 ) 通过对实测数据进行统计整理，得到了拱顶沉降、水平收敛随时间的变化规 律，对隧道围岩的变形及其稳定性进行了详细分析，并将数值模拟的结果与实测数 据的结果进行对比分析。 本文所得结论对大瑶山二号隧道施工提供一定的指导和技术依据，同时对类 似软弱围岩隧道支护措施和施工方法等的选择提供借鉴和参考作用。 关键词：隧道；弹塑性数值模拟；上下台阶法；支护；塑性圈；围岩变形；f l a c 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t ：s i n c et h e19 9 0 s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft u n n e le n g i n e e r i n gi no u i c o u n t r y , m a n yp r o b l e m sa p p e a ri nt h et u n n e l sc o n s t r u c t i o n t h e s em a k eu ss u s p e c t w h e t h e rt h es u p p o r ts y s t e mc o n s i s to fs h o t c r e t e ，b l o ta n dt h es e c o n d a r yl i n i n gc 雏 g u a m t e et h ec o n s t r u c t i o ns e c u r i t ya n ds t r u c t u r es t a b i l i t y 1 1 1 i sp r o b l e mh a sg r e a t i m p o r t a n c ef o r t h es o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s i nv i e w o ft h i s ，t a k i n gt h ed a y a o s h a n i it u n n e la st h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h es u p p o r te f f e c t a n dg r o u n dd e f o r m a t i o n n es t u d yw o r ki ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) n es u p p o r te f f e c ti sa n a l y z e df o rt h es t r e s s 、d i s p l a c e m e n t 、p l a s t i cz o n ed i s t r u b u t i o n a n df o r c ec h a r a c t e r i s t i c so fs u p p o r ts t r u c t u r e 1 1 l er e s u l ts h o w st h a tt h ee f f e c to f s h o t c r e t ea n ds e c o n d a r yl i n i n gi sb e t t e r ；t h eb o l tp l a y sac e r t a i nr o l e ，b u ti th a sl i t t l e f u n c t i o nt os t r u c t u r es t a b i l i t y a tl a s t ，t h ep a p e rm a k e sas u g g e s t i o nf o rc a n c e l i n gb l o t t 1 1 i sm e a s u r ec a nn o to n l yr e d u c et h ec o s t sf o r e n g i n e e r i n g , b u ta l s os h o r t e nc o n s t r u c t i o n p e r i o d ( 2 ) g r o u n dd e f o r m a t i o ni sa n a l y z e di nd e t a i l su n d e rt h ec o n d i t i o no fe a r l ys u p p o r ta n d s e c o n dl i n i n g r e s e a r c h e m p h a s e sa r et h es t r a t as e t t l e m e n tw i t he x c a v a t i o ns t e pa ta r c h c r o w na n d h a u n c h ，t h ed i s p l a c e m e n t so fe d g e so ft u n n e l ( 3 ) s u r r o u n d i n gr o c kl o o s i n g - c i r c l et h e o r yi su s e dt oa n a l y z ea n dc a l c u l a t et h er a d i u so f p l a s t i cz o n e a tt h es a m et i m e ，ac o n s t r a s ta n a l y s i si sp e r f o r m e da m o n gt h er a d i u so f p l a s t i cz o n ec a l c u l a t e db yf c n n e rf o r m u l a ，t h em a t h e m a t r i c a lr e s u l ta n dt h ec a l c u l a t e i n g r a d i u sb a s e do nc o l l a p s eh e i g h t ( 4 ) a c c o r d i n gt os i t em o n i t o r i n gd a t a , t h ed e f o r m a t i o n so ft h es u r r o u n d i n gr o c ka l e a n a l y z e di nd e t a i l i na d d i t i o nt o ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r em a d ec o m p a r e d 、析t l lt h ea n a l y s i sr e s u l t so fi n - s i t ut e s t i n gd a t a r e s e a r c hr e s u l th a si m p o r t a n tg u i d ef u n c t i o n st ot h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f t u n n e lo b v i o u s l y , a n di tc a na l s ob er e f e r r e di nt h ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dr e s e a r c ho f s i m i l a rt u n n e li nf u t u r e k e y w o r d s ：t u n n e l ；e l a s t o p l a s t i cn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；b e n c hc u tm e t h o d ； s u p p o r t ；p l a s t i c i t ys p h e r e ；s u r r o u n d i n g r o c kd e f o r m a t i o n ；f l a c c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：名产等 导师签名： 佰事 签字日期：勰年6 月矸日签字日期：山起年月夕日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：岳f 雩签字日期：如嘧年6 月牟日 7 0 致谢 两年的研究生生涯一晃而过，此时此刻我对这段美好的时光充满了怀念，怀 念这两年里帮助、关心和支持我的老师、同学和朋友们。在此，衷心地向你们表 示最诚挚的谢意! 本论文的工作是在我的导师何平教授的悉心指导下完成的，何老师严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在这两年的短暂时光里，您 无论是生活方面还是学业方面都对我像母亲般关怀，在此衷心感谢两年来您对我 的关心和指导，千言万语说不尽，在此仅祝愿您永远幸福安康。 感谢土木建筑工程学院的老师们，是诸位老师从学科的理论知识、科研的方 法、学科的发展方向等多个方面给予了我深深的教诲。特别在此向您们表示真诚 的感谢! 感谢对我的研究工作给予支持的中铁隧道局李丰果高级工程师! 您为我提供了 珍贵的实测资料，对我的论文给予了无私的帮助，在此，真诚地祝愿您工作顺利! 在实验室工作及撰写论文期间，感谢施烨辉师兄、卞晓琳师姐、杨兆辉师弟、 肖涛师弟、苏宇等同学对我的帮助，与你们的良好相处，大家彼此团结互助的氛 围使我始终保持愉悦的心情，并获得了良好的学习环境。十分有幸和你们度过了 一段快乐和美好的时光，愿好运与你们同在! 最后还要感谢我的爸爸妈妈，是他们一直以来的理解和支持才使我能够在学 校专心完成我的学业，愿他们永远都健康快乐。 ，1绪论 1 1 问题的提出 在隧道施工中，通过近两个世纪的探索，形成以下几种施工方法：明挖法、盾 构法、地下连续墙法、矿山法、沉管法、顶管法、沉井法。其中矿山法又可分为：a 钻眼爆破法；b 新奥法；c 掘进机开挖法。新奥法是2 0 世纪5 0 年代由奥地利 l v r a b c e w i c z 等人根据多年的矿山工程经验开创并发展起来的一种实用的隧道工 程的设计、施工的理论与方法。它摒弃了原来隧道工程中应用厚壁混凝土衬砌结 构支护松动围岩的理论，适时地采用薄壁柔性支护结构，调动了围岩的天然承载 能力，变围岩为重要的支护结构组成部分，因而安全可靠，比较经济，尤其对在 松软岩层中构筑隧道是一种有效的效果。新奥法作为修建隧道与地下工程的一项 新技术，2 0 世纪6 0 年代后在欧洲各国和日本等国得到了广泛应用。 新奥法施工的隧道，其支护结构多采用复合式衬砌，它是由初期支护和二次 衬砌所组成。在软弱围岩情况下，初期支护可由喷射混凝土，锚杆，钢拱架等多 种支护形式组合而成，每种支护措施对于隧道的安全和稳定都有着不同程度的贡 献。然而，在实际的施工过程中，这些支护措施的作用是否得到充分的发挥，其 支护效果究竟如何昵? 这个问题无论是对于隧道的结构安全，还是建设隧道的社 会和经济效益都有重要的影响。 尤其，随着西部大开发战略的实施，我国的公路铁路网必定逐步向西南等山 区延伸，公路、铁路等交通建设工程势必日益增多。重要的是，隧道建设不仅投 资大而且控制建设工期非常关键。在隧道开挖过程中，对于稳定性较差的、v 类围岩，若选择开挖支护方案不合理，就可能造成局部围岩的坍塌，甚至围岩的 破坏还可能从局部开始逐渐扩展。因此，隧道支护措施的支护效果就值得我们做 进一步的深入研究。 1 2 支护理论的研究现状 1 2 1喷锚支护理论的进展 隧道开挖不可避免地会对土体产生不同程度的扰动和破坏，引起地层变形。 如果地层变形过大，可能会诱发塌方等隧道事故，塌方不仅会给隧道施工带来巨 大困难，而且致使机毁人亡，延误工期，耗费资金，并且留有后患。 喷锚支护是近年来采用广泛的一种围岩支护手段。采用喷锚支护可以充分发 挥围岩的自承能力，并有效的利用洞内的净空，既提高了作业的安全性，又提高 了作业效率；能适应软弱岩层和膨胀性岩层中隧道的开挖；能用于整治塌方和隧 道衬砌的损裂。 ( 1 ) 国外关于软弱围岩隧道支护方面的理论可概括论述如下【1 1 1 2 1 3 】： 喷锚支护理论的发展施工技术的不断进步和完善，必然有相应的理论基础做 后盾，喷锚支护技术的发展也离不开这样的规律。喷锚支护理论就是在现场实际 施工经验和经典力学理论基础上发展起来的。 早在2 0 世纪初，就出现了以海姆、朗金和金尼克为代表的古典压力理论。该 理论认为作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量为yh ，他们的不同之处是 侧压力系数的区别，海姆认为侧压力系数是1 ，朗金认为侧压力系数是t a n ( 4 5 。一 由2 ) ，金尼克认为侧压力系数是p ( 卜1 1 ) 。l i 、巾、y 分别代表岩石的泊松比、 内摩擦角和容重。 随着开挖深度的增加，上述三种理论开始不符合实际情况，于是有了普氏理 论和泰沙基理论，他们认为作用在支护结构上的荷载是塌落拱的重量，只是各自 认为塌落拱分别为抛物线行和矩形。塌落拱的最大贡献就是提出了围岩具有自承 能力。 2 0 世纪5 0 年代，人们开始提出用弹塑性力学来解决地下工程的支护问题，比 较有代表性的理论是f e n n e r 公式和k a s t n e r 公式。刚性试验机的成功，揭示了岩 石变形破坏的特性和弹塑性断裂破坏理论。 2 0 世纪6 0 年代，奥地利工程师l v r a b c e w i c z 提出了新奥法施工概念，很快 这种方法成为地下工程的主要设计施工方法之一，新奥法的核心思想是利用围岩 的自承作用来支撑隧道，使围岩本身也成为支护结构的一部分而与支护共同成为 支承环。 1 9 7 8 年，l m u l l e r 教授比较全面的论述了新奥法的基本指导思想和主要原则， 并将其概括为2 2 条。 同一时期，日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论。该理论 认为，隧洞围岩的应变随支护结构的增加而减小，而容许应变则随支护结构的增 加而增大，因此，通过加强支护结构可较容易地将围岩的应变控制在允许应变范 围内。 2 0 世纪7 0 年代，m d s a l a m o n 等人又提出了能量支护理论。该理论认为，支 护结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护 结构吸收一部分能量，但总的能量没有变化。因而，主张利用支护结构来自动调 解围岩释放的能量和支护体系吸收的能量，起到相互平衡的作用。 此外还有起源于前苏联的应力控制理论，该理论也称围岩弱化法、卸压法。 2 核心思想是通过一定的技术手段改变部分围岩的物理力学性质，改善围岩内部的 应力及能量分布，人为降低支承压力区的承载能力，使支承压力向围岩深部转移， 以此来提高围岩稳定。 ( 2 ) 在国内，针对软弱围岩问题进行了大量的研究，逐渐形成了一些有影响的理 论【1 】【2 】【3 】f 4 】： “轴变论 理论是于学馥教授等人( 1 9 8 1 ) 提出来的，该理论认为隧道坍落 可以自行稳定。隧道坍落破坏是由于围岩应力超过岩体强度极限引起的，坍落改 变了隧道轴比，导致围岩进行应力重分布，应力重分布的特点是高应力下降，低 应力上升，并逐渐向无拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止。应力均匀分布的 轴比是隧道最稳定的轴比，此时隧道形状为椭圆形。 联合支护理论主要由陆家梁、冯豫、郑雨天、朱效嘉等结合软弱围岩实际， 灵活运用新奥法理论提出来的，是在新奥法的的基础上对软弱围岩支护技术的发 展。其观点可以概括为：对于软弱围岩支护，一味地追求加强刚度是难以凑效的， 要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护型式有锚喷 网技术、锚喷网架技术、锚带喷架等联合支护技术等。 锚喷弧板支护理论是由孙钧、郑雨天和朱效嘉教授等提出的，实际是联合 支护理论的新进展。该理论的要点是：对软弱围岩总是强调放压是不行的，放压 到一定程度，要坚决顶住，坚决限制和顶住围岩向空中位移。其实施的难点主要 是成本较高，弧板后充填技术要求严格，允许围岩变形有限，需要很高的阻抗力。 松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚 硬围岩的裸体隧道，其围岩松动圈都接近于零，此时隧道围岩的弹塑性变形虽然 存在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此， 支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。董方庭教授将围岩分为 六类，有一定的量化，是一个发展方向。 主次承载区支护理论是由方祖烈教授提出，认为隧道开挖后，在围岩中形 成拉压域。压缩域在围岩深部，体现了围岩的自撑能力，是维护隧道稳定的主承 载区；张拉域形成于隧道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但其与主 承载区相比，只起辅助的作用，故称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定 隧道的最终稳定。支护对象为张拉域，支护结构与支护参数要根据主、次承载区 相互作用过程中呈现的动态特征来确定。支护强度原则上要求一次到位。 软弱围岩工程力学支护理论是由何满潮教授运用工程地质学和现代大变形 力学相结合的方法，通过分析软弱围岩变形力学机制，提出的以转化复合型变形 力学机制为核心的一种新的隧道软弱围岩支护理论。它涵盖了从软弱围岩的定义、 软弱围岩的基本属性、软弱围岩的连续性概化，到软弱围岩变形力学机制的确定、 软弱围岩支护荷载的确定和软弱围岩非线性大变形力学设计方法等内容。 这些理论与技术解决了大量软弱围岩支护问题，为地下工程的建设做出了贡 献。但是，由于软弱围岩工程地质力学问题十分复杂，关于软弱围岩的概念、分 类、各类软弱围岩的变形力学机制、软弱围岩难支护的原因、软弱围岩支护的力 学原理、支护原则与支护对策等一系列的软弱围岩工程地质力学理论方面的问题 尚无系统解决。 1 2 2 喷射混凝土的作用 喷射混凝土支护， 压力喷射到洞室壁上， 是使用特定的机械把掺有速凝剂的细骨料混凝土以适当的 迅速固结成一层支护结构，其作用和支护效果见表i - i 。 表i - i 喷射混凝土的作用 喷射混凝土的作用概念图 支撑作用 喷射混凝土一般其抗压强度可达至l j 2 0m p a ， 因此它能起着支撑地压的作用。经过层层射 捣而形成的混凝土，组织致密，抗压和抗剪 强度比同样条件下浇灌的混凝土要高。喷射 施工时，掺入一定数量的速凝荆，使混凝土 凝结快、早期强度高，能紧跟掘进工作面起 到及时支撑围岩的作用，使巷道围岩因掘进 爆破而引起的应力松弛带不致有过人的发 展。因此它能迅速有效地承受矿山压力，起 着积极的支撑作用 充填作用 干拌合料通过压缩空气的输送，在喷枪出口粘结 剪力 处具有很高的速度，能很好地充填围岩的裂 隙、节理，能填补凹穴的岩面。充填到岩缝 嘏i 或裂隙中的混凝土，不仅具有很高的粘结力， 而且增加了岩层裂隙间的摩擦力，起到“楔 子”的作用，这样使原来分离的岩体能紧密 地联结起来成为一个整体，有效地阻止了岩 体之间的相对运动，增强了围岩自身的支撑 能力 4 隔绝作用 喷射混凝土直接紧密地粘结在岩面上，因此 能完全隔绝空气、水与围岩的接触，可以避 免因风化潮解而引起的围岩片帮和冒顶；同 时由于围岩裂隙中充填的混凝土，使裂隙深 处原有的充填物不致因风化作用而降低强 度，也不致因水的作用而造成充填物流失。 l 因此隔绝作用的结果使围岩保持了原有的稳 。- - 一 定性和强度 转化作用 高速喷射到岩面上形成的混凝土层，具有很 高的粘结力和较高的强度，混凝土层与围岩 紧密结合，能在结合面上传递各种应力。隔 绝作用和充填作用的结果，提高了围岩的稳 定性和自身支撑能力，因而使喷射混凝土层 与围岩形成一个共同工作的力学统一体，具 有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用， 从根本上改变了过去各种支护消极承压的弱 点 1 - 2 3 锚杆的作用 锚杆支护是地下工程中有效的支护手段，对于锚杆的支护作用主要表现如下 表1 - 2 。 表1 - 2 锚杆的作用 锚杆的作用概念图 悬吊作用 崩 把隧道洞壁附近具有裂隙、节理的不稳定岩 体，用锚杆固定在深层的坚固稳定的岩体上， 可将不稳定岩体的重量传递给深层坚固岩体 负担，以防止破碎岩块的冒落。在坚硬的节 理发育的岩块处，锚杆通常起这种作用 5 减跨作用 在隧道顶板岩层中打入锚杆相当于在顶板上 增加了支点，使得隧道的跨度由l o 变为l l ， 从而使得顶板岩体的应力减小，起到维护隧 道的作用 组合作用 三三睾兰三彰垦 对于水平或缓倾斜的层状围岩，用锚杆能把 厂、 数层层状岩体串连在一起，增大层间摩阻力， 从结构力学观点来看，就是形成组合梁 挤压加固 对于节理密集破碎岩体，或是较为软弱的土 体，施加锚杆，使破碎岩体具有完整性。在 软弱土体中增加筋骨使岩体的组织构造变得 密实些，裂隙或孔隙率在减小，其物理上的 变化体现在介质参数的变化，如弹性模量、 凝聚力、内摩擦系数等有可能提高，渗透系 数有可能变小等 1 2 4 二次衬砌的作用 隧道二次衬砌是指初期支护之后进行的最后一层支护，二次衬砌的强度一般也 较大，故它能也能有效地承受矿山压力，起着积极的支撑作用。一般隧道工程不 进行最后装修，对二次衬砌结构的完整性要求高，外观也要求平顺、美观、无暇疵、 裂缝。 1 3隧道施工引起地层变形的研究现状 隧道开挖引起地层变形的分析预测方法大致分为五类：经验公式法，解析公 6 式法，数值分析法，实测数据分析法，模型实验法。 国固圈圜圈圈圈 图1 - 1 隧道开挖引起地层变形的分析预测方法 目前研究中存在的问题： ( 1 ) 自1 9 6 9 年p e c k 公式提出后，掀起了对隧道引起的沉降进行研究的热潮。许 多学者结合本地的实践经验，提出了自己的修正公式。尽管这些经验公式计算的 预测值相对比较准确，但是经验公式的可移植性差，最为关键的是经验公式缺乏 理论依据，不具有足够的说服力。 ( 2 ) 文献中对个别因素对地层变形的影响研究比较多，而对多个因素共同作用时 的效果研究的比较少。 ( 3 ) 目前的解析法基本上都考虑弹性或粘性分析，而实际情况是隧道周围的地层 和衬砌超出弹性的，所以可以考虑进行弹塑性分析。 ( 4 ) 隧道施工对土体的扰动范围和程度，在实践中进行了一些有意义的的理论探 索，但是还不完善。 1 4 本文的主要内容 本文以大瑶山二号隧道工程情况为依托，对软弱围岩情况下喷射混凝土、锚 杆和二次衬砌的支护效果进行了数值模拟研究，还得到无支护条件下塑性圈的范 围，并将其与理论计算的塑性圈半径和铁路规范的围岩塌落高度等进行了分析对 比，同时以现场监测数据为依据，介绍铁路隧道的监测手段及施工模拟方法，最 后基于监测结果和有限元模拟计算结果，对隧道大埋深段施工过程中围岩的变形 特点进行了分析，所得数据和结论可望为日后类似工程的设计、施工和研究提供 有益的借鉴和参考依据研究内容，并根据现有研究条件，确定研究思路如下图。 7 隧道 开挖 的塑 性区 范匿 值 拟 分 现场 实测 部分 由规范给定的塌方高 度得到塑性区范围 区范围 施加喷射混凝土时的 情况 旌加喷射混凝土和锚 杆时的情况 埘五i - i 乃 1 瓦佩上_ l ， 1 - m 杆和二次树时的情况 实测数据的非线 性回归分析 规范的塑性圈半 茎鍪竺兰竺竺竺悯 半径广门器象 琵殛函药覆h 的围岩变形值 隧道实测的围岩变形篷 图卜2 本文的研究思路 网 i 与实测l 瞳型 2 新奥法概述及大瑶山隧道工程概况 2 1 新奥法概述 新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是n e wa u s t r i a nt u n n e l l i n g m e t h o d 简称n a t m ，新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹 ( l v r a b c e w i c z ) 教授于 5 0 年代提出的，它是以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混 凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法，经过二些国家的许多实践和 理论研究，于6 0 年代取得专利权并正式命名。之后这个方法在西欧、北欧、美国 和日本等许多地下工程中获得极为迅速发展，己成为现代隧道工程新技术标志之 一。六十年代n a t m 被介绍到我国，七十年代末八十年代初得到迅速发展。至今可 以说在所有重点难点的地下工程中都离不开n a t m 。新奥法几乎成为在软弱破碎围 岩地段修筑隧道的一种基本方法。 新奥法的基本思想：充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采 用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛变 形，并通过对围岩和支护结构的监控测量来指导地下工程的设计和施工。 2 1 1新奥法施工特点 1 及时性 新奥法施工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， 因此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，阻止围岩进入 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。 2 封闭性 由于喷锚支护能及时施工，而且是全面密粘的支护，因此能及时有效地防止 因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨胀，保护原有 岩体强度。巷道开挖后，围岩由于爆破作用产生新的裂缝，加上原有地质构造上 的裂缝，随时都有可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩 面，很好的充填围岩的裂隙，节理和凹穴，大大提高了围岩的强度，( 提高围岩的 粘聚力c 和内摩擦角矽) ，同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用，隔绝了水和空气 9 同岩层的接触，使裂隙充填物不致软化、解体而使裂隙张开，导致围岩失去稳定。 3 粘结性 喷锚支护同围岩能全面粘结，这种粘结作用可以产生三种作用： ( 1 ) 联锁作用，即将被裂隙分割的岩块粘结在一起，若围岩的某块危岩活石发生滑 移坠落，则引起临近岩块的联锁反应，相继丧失稳定，从而造成较大范围的冒顶。 开巷后如能及时进行喷锚支护，喷锚支护的粘结力和抗剪强度是可以抵抗围岩的 局部破坏，防止个别围岩活石滑移和坠落，从而保持围岩的稳定性。 ( 2 ) 复合作用，即围岩与支护构成一个复合体( 受力体系) 共同支护围岩。喷锚支护 可以提高围岩的稳定性和自身的支撑能力，同时与围岩形成了一个共同工作的力 学系统，具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用，从根本上改变了支架消极 承担的弱点。 ( 3 ) 增强作用，开巷后及时进行喷锚支护，一方面将围岩表面的凹凸不平处填平， 消除因岩面不平引起的应力集中现象，避免过大的应力集中所造成的围岩破坏； 另一方面，使巷道周边围岩变为双方向受力状态，提高了围岩的粘结力c 和内摩 擦角矽，也就是提高了围岩的强度。 4 柔性 喷锚支护属于柔性薄性支护，能够和围岩紧粘在一起共同作用，由于喷锚支 护具有一定柔性，可以和围岩共同产生变形，在围岩中形成一定范围的非弹性变 形区，并能有效控制允许围岩塑性区有适度的发展，使围岩的自承能力得以充分 发挥。另一方面，喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生越来越大 的支护反力，能够抑制围岩产生过大变形，防止围岩发生松动破坏【5 】。 2 1 2 新奥法与传统施工方法的区别 1 新奥法认为围岩是一种承载机构 传统方法认为巷道围岩是一种荷载，应用厚壁混凝土支护松动围岩。而新奥 法认为围岩是一种承载机构，与构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构( 以喷射 混凝土、锚杆为主要手段) 共同形成支撑环，来承受压力，并最大限度地保持围岩 稳定，而不致松动破坏。新奥法将围岩视为巷道承载构件的一部分，因此，施工 时应尽可能全断面掘进，以减少巷道周边围岩应力的扰动，并采用光面爆破、微 差爆破等措施，减少对围岩的震动，以保全其整体性。同时注意巷道表面尽可能 平滑，避免局部应力集中。新奥法将锚杆、喷射混凝土适当进行组合，形成比较 薄的衬砌层，即用锚杆和喷射混凝土来支护围岩，使喷射层与围岩紧密结合，形 成围岩一支护系统，保持两者的共同变形，故而可以最大限度地利用围岩本身的 l o 承载力。 2 允许围岩有一定量的变形 允许围岩有一定量的变形，以利于发挥围岩的固有强度，同时巷道的支护结 构，也应具有预定的可缩量，以缓和巷道压力。围岩的变形是控制在一定范围内 的，必须避免围岩变形过大，从而导致围岩强度的削弱以致引起垮落、失稳。支 护结构具有一定的变形量，允许巷道围岩产生一定的变形，以缓和来自巷道的巨 大压力，更进一步减轻支护荷载。 3 新奥法施工过程中量测工作的特殊性 由于岩体生成条件与地质作用的复杂性，施工条件的复杂性，以及对工程设 计参数的精确要求，需要通过多种量测手段，在施工过程中对围岩动态和支护结 构工作状态和支护结构工作状态进行监测。并用监测结果修改初步设计，指导施 工。量测的结果可以作为施工现场分析参数和修改设计的依据，因而能够预见事 故和险情，以便及时采取措施，防患于未然提高施工的安全程度。由上所述，新 奥法的支护原则是：围岩不仅是载物体，而且是承载结构：围岩承载圈和支护体组 成巷道的统一体，是一个力学体系：巷道的开挖和支护都是为保持改善与提高围岩 的自身支撑能力服务岭j 。 2 1 3 新奥法的主要支护手段和施工顺序 新奥法是以喷射混凝上、锚杆支护为主要支护手段，因锚杆喷射混凝土支护 能够形成柔性薄层，与围岩紧密粘结的可缩性支护结构，允许围岩有一定的协调 变形，而不使支护结构承受过大的压力。施工顺序可以概括为：开挖，一次支护， 二次支护。 1 开挖 开挖作业的内容依次包括：钻孔、装药、爆破、通风、出渣等。开挖作业与一 次支护作业同时交叉进行，为保护围岩的自身支撑能力，第一次支护工作应尽快 进行。为了充分利用围岩的自身支撑能力开挖应采用光面爆破( 控制爆破) 或机械 开挖，并尽量采用全断面开挖，地质条件较差时可以采用分块多次开挖。一次开 挖长度应根据岩质条件和开挖方式确定。岩质条件好时，长度可大一些，岩质条 件差时长度可小一些，在同等岩质条件下，分块多次开挖长度可大一些，全断面 开挖长度就要小一些。一般在中硬岩中长度约为2 2 5 米，在膨胀性地层中大约 为0 8 1 2 米。 2 一次支护 第一次支护作业包括：一次喷射混凝土、打锚杆、联网、立钢拱架、复喷混凝 土在巷道开挖后，应尽快地喷一层薄层混凝土，为争取时间在较松散的围岩掘进 中第一次支护作业是在开挖的渣堆上进行的，待把未被渣堆覆盖的开挖面的一次 喷射混凝土完成后再出渣。按一定系统布置锚杆，加固深度围岩，在围岩内形成 承载拱，由喷层、锚杆及岩面承载拱构成外拱，起临时支护作用，同时又是永久 支护的一部分。复喷后应达到设计厚度，并要求将锚杆、金属网、钢拱架等覆裹 在喷射混凝土内。完成第一次支护的时间非常重要，一般情况应在开挖后围岩自 稳时间的二分之一时间内完成。目前的施工经验是松散围岩应在爆破后三小时内 完成，主要由施工条件决定。在地质条件非常差的破碎带或膨胀性地层( 如风化花 岗岩) 中开挖巷道，为了延长围岩的自稳时间，为了给一次支护争取时间，安全的 作业，需要在开挖工作面的前方围岩进行超前支护( 预支护) ，然后再开挖。在安 装锚杆的同时，在围岩和支护中埋设仪器或测点，进行围岩位移和应力的现场测 量；依据测量得到的信息来了解围岩的动态，以及支护抗力与围岩的相适应程度。 3 二次支护 一次支护后，在围岩变形趋于稳定时，进行第二次支护和封底，即永久性的 支护( 或是补喷射混凝土，或是浇注混凝土内拱) ，起到提高安全度和整个支护承 载能力增强的作用，支护时机可以由监测结果得到。对于底板不稳，底鼓变形严 重，必然牵动侧墙及顶部支护不稳，所以应尽快封底，形成封闭式的支护，以谋 求围岩的稳定。 2 1 4 新奥法适用范围 1 一般情况下，新奥法可应用于下列场合： ( 1 ) 具有较长自稳时间的中等岩体； ( 2 ) 弱胶结的砂和石砾以及不稳定的砾岩； ( 3 ) 强风化的岩石； ( 4 ) 刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩； ( 5 ) 坚硬粘土，也有带坚硬夹层的粘土； ( 6 ) 微裂隙的，但很少粘土的岩体； ( 7 ) 在很高的初应力场条件下，坚硬的和可变坚硬的岩石。 2 在下述条件下应用新奥法必须与一些辅助方法相配合： ( 1 ) 有强烈地压显现的岩体； ( 2 ) 膨胀性岩体，要与仰拱与底部锚杆相配合； ( 3 ) 在一些松散岩体中，要与钢背板与之配合； ( 4 ) 在蠕动性岩体中，要与冻结法或预加固法等配合。 1 2 3 在下列场合中应用应慎重： ( 1 ) 大量涌水的岩体； ( 2 ) 由于涌水会产生流砂现象的围岩； ( 3 ) 极为破碎，锚杆钻孑l 、安装都极为困难的岩体； ( 4 ) 开挖面完全不能自稳的岩体等。 新奥法施工是从实际经验中总结出来的，又在不断实践经验中得以丰富其内 容和进一步发展，新奥法基本原则可以概况为：“少扰动，早喷锚，快封闭，勤测 量。新奥法施工在我国推广以来，经过几十年的发展，通过科研、设计、施工三 结合，在修建下坑、西坪、军都山等铁路隧道以及中梁山、二郎山、西山坪等多 座隧道中，应用新奥法原理及其相应的技术，取得了较大的成就【5 】。 2 2 大瑶山隧道工程概况 2 2 1工程地质及水文地质状况 1 地形地貌 大瑶山隧道区属南岭山系，二号隧道为剥蚀侵蚀一构造型低山，斜坡陡峭， 植被发育，沟谷深切，相对切割深度2 0 0 - - 4 9 0 m 。 2 地层岩性 寒武系下统( 。) ：浅变质长石石英砂岩、砂质板岩、浅变质粉砂岩夹泥质板 岩( 板岩) 。泥盆系中下统桂头群( d ) ：砂砾岩、石英砂岩、砂岩、细砂岩、粉砂 岩夹页岩。 3 地质构造 二号隧道穿越泗公坑复式背斜的次级褶皱：班古坳向斜( 又称头寨向斜) 、大 源倒转向斜及湖洞、九峰河两断裂。隧道洞身地层由于沉积年代久远，经历了多 期次、多阶段的构造活动，形成了复杂的各种性质的节理、裂隙。 4 水文地质特征 地下水主要以基岩裂隙水为主，划分为碎屑基岩裂隙水和浅变质岩基裂隙水 两种。地下水、地表水一般对砼无腐蚀性。 2 2 2 隧道设计情况 1 主要技术标准 ( 1 ) 铁路等级：客运专线 ( 2 ) 设计速度目标值：基础设施3 5 0 k m h 1 3 ( 3 ) 正线数目：双线 ( 4 ) 正线线间距：5 m ( 5 ) 最小曲线半径：一般地段9 0 0 0 m ，困难地段7 0 0 0 m ( 6 ) 最大坡度：一般地段1 2 ，困难地段不超过2 0 ( 7 ) 机车类型：电动车组 ( 8 ) 轨道类型：无碴轨道 2 平纵断面设计 大瑶山二号隧道进口段除d k l 9 1 9 + 8 8 5 1 5 d k l 9 2 0 + 5 3 0 段位于半径为1 0 0 0 0 m ( 右线半径为9 9 9 5 m ) 的曲线上外，其余地段位于直线上，隧道纵向设计坡度为3 的上坡。 3 隧道围岩级别 根据隧道洞身地层岩性、地质构造及地下水发育情况等将大瑶山二号隧道围 岩分为i i 、i i i 、v 四个级别，具体长度统计见表。 表2 1围岩长度统计表 项目级别 长度( m )全长( m ) 比例备注 v2 6 6 1 3 2 6 3 53 1 4 大瑶山二号隧道2 0 2 l i 6 8 53 3 9 i i4 3 52 1 5 4 隧道衬砌 隧道采用复合式衬砌，根据隧道地形条件明洞衬砌分别采用复合式衬砌、浅 埋偏压明洞衬砌。 表2 2衬砌支护类型表 长度 项目里程衬砌类型备注 ( m ) 洞口明洞 d k l 9 1 8 + 5 0 9 + 5 1 56 浅埋偏压明洞衬砌 号 浅埋及偏压 d k l 9 1 8 + 5 1 5 + 6 0 08 5 复合式衬砌 隧 道 普通段d k l 9 1 8 + 6 0 0 d k l 9 2 0 + 5 3 01 9 3 0 复合式衬砌 以级围岩隧道断面复合式衬砌为例，简单介绍一下支护参数： 1 4 图2 - 1 隧道断面复合式衬砌设计图 图2 - 1 为级围岩隧道断面复合式衬砌设计图，隧道断面开挖的最大宽度为 1 4 7 0 m ，最大高度为1 2 4 7 m 。表2 - 3 为级围岩设计支护参数表。 表2 - 3 级围岩设计支护参数表 喷射混凝土( c 2 0钢筋网锚杆( 巾2 2 的中空注浆锚杆)二次衬砌( c 2 5 钢 混凝土)筋混凝土) 位置厚度位置网格间位置长度间距( m )位置厚度 ( c m ) 距( c m )( m ) ( c m ) 拱墙，2 0拱墙 2 0 * 2 0 拱墙 3 51 2 1 0 拱墙， 4 5 仰拱仰拱 5 防排水设计 防水等级：满足地下工程防水技术规范( g b 5 0 1 0 8 ) 规定的一级防水标准， 衬砌表面无湿渍。采用“防、排、堵、截结合，因地制宜，综合治理 的原则。 ( 1 ) 一般地段防排水设计 防水 隧道拱墙设防水板加土工布，二次衬砌混凝土采用防水混凝土，防水混凝土 的抗渗等级不小于p 8 ；环向施工缝及拱墙部位设置中埋式止水带及排水管，仰拱 部位设置中埋式止水带；纵向施工缝刷涂混凝土界面剂。变形缝拱墙部位防水采 用中埋橡胶止水带、沥青木丝板塞缝、聚硫密封胶( 内侧设置排水暗槽引排渗入 水) 等措施；沉降缝仰拱部位采用中埋式橡胶止水带、沥青木丝板塞缝并环向设 1 5 置双层抗剪钢筋的措施。 排水 衬砌防水板背后环向每8 m 间距设置巾5 0 透水管盲沟，在隧道两侧边墙外侧泄 水孔标高处分段设置巾8 0 透水管盲沟，段长按8 m 计，环向盲沟均直接与隧道侧沟 连通，纵向盲沟中部设置巾5 0 p v c 泄水孔连通侧沟。当地下水发育时，加密布置透 水管，隧道施工中遇较大水流时，查明水流通道，在通道中根据实际情况埋设大 小合适的过水软管，且加密布置该范围内的透水盲管，尽量不要堵塞其原有水流 通道，改变其通道，使水流从隧道范围外的通道中通过。二次衬砌应要用带仰拱 衬砌，必要时作加强处理，同时根据现场实际情况采取开挖后的径向注浆封堵。 ( 2 ) 特殊地段防排水设计 二号隧道截堵水措施 主要针对地下水发育、地下水无控制排放影响生态环境情况，采用开挖前预 注浆或开挖后径向注浆等措施对地下水进行截堵，在隧道开挖线外一定范围内截 断地下水与隧道之间的水流通路，达到限制地下水向洞内排放的目的。根据综合 超前地质预报成果判定，当在水量丰富、导水性好的断层破碎带等地段，围岩无 自稳能力，施工中可能产生突水、突泥时，采取超前预注浆措施；当在一般地段 裂隙水较发育、围岩涌水量超过允许排放量、施工中围岩可自稳时，采用开挖后 围岩径向注浆措施，对围岩自稳性好、局部面状淋水或局部渗流、渗水量超过允 许排放量等状况，采用局部注浆。对于注浆材料，根据地质情况选择使用普通水 泥、超细水泥及其他特殊材料，慎用水玻璃，提高浆液材料的耐久性。 2 2 3 施工条件 1 地理位置 武广客运专线s d i i 标段位于广东省乐昌市境内，其中大瑶山二号隧道位于乐 昌市两江镇的九峰河与大源镇大源电站之间，进口处有两江至红马桥电站的简易 公路通过。 2 气象特征 属亚热带海洋季风气候区，四季分明，温和湿润；无霜期约为3 0 0 天，霜冻 期约6 5 天，年平均气温为1 9 7 ；最高气温4 2 。c ，最低气温一4 6 。c ，山区有霜 冻和积雪现象，多年平均湿度7 6 粕2 ：年最大降雨量为2 11 7 4 m m ，最小降雨 9 7 6 6 r a m ；丰水期从4 月至8 月，多有洪涝灾害发生，平均降雨量为1 4 9 1 m m ，占年 降雨量6 3 2 7 0 9 ；枯水期节从1 1 月至次年1 月，仅为年降雨量的9 2 1 1 5 ： 丰、枯季节之间均有两个月的过渡期，约占年降雨的2 0 左右。 1 6 3 交通状况 大瑶山一号隧道进口位于“头巾冲 村庄附近，自坪石出发沿省道s 2 4 8 行进 约2 8 k m 后拐入一乡村便道，再行进5 5 k m 到达洞口，该便道的前段为3 k m 的泥结 石路面，需要加宽加固；该便道的后段为2 5 k m 的简易道路，需要全面改造和新 建。一号隧道横洞、出口和二号隧道进口需自乐昌市两江镇先溪头村拐入一乡村 便道( 泥结石路面、宽度约3 5 m ) ，沿河右侧行进约7 k m 到达横洞口，继续行进约 4 k