公路隧道新奥法设计施工原理概述

公路隧道新奥法设计施工原理概述科技信息专题论述公路隧道靳奥I=l=L,II,凸计旋工原理概述青海省果洛公路工程建设公司周中续摘要】本文介绍了公路隧道新奥法设计施工的理论体系的发展历史,基本原理以及其主要支护体系的工作原理.并简要叙述了施工要点.关键词】公路隧道新奥法设计施工组合锚杆喷层混凝土施工要点一,隧道设计施工的两大理论及其发展过程在隧道及地下洞室工程中,在不同的时期,人们提出了不同的理论并逐步建立了不同的理论体系,每一种理论体系都包含和解决(或正在研究解决)了从工程认识(概念),力学原理,工程措施到施工方法(工艺)等一系列工程问题.一种理论是二十世纪2O年代提出的传统的松弛荷载理论.其核心内容是:稳定的岩体有自稳能力,不产生荷载;不稳定的岩体则可能产生坍塌,需要用支护结构予以支撑.这样,作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力.这是一种传统的理论,其代表人物有泰沙基和普氏等人.它类似于地面工程考虑问题的思想,至今仍被广泛的应用着.另一种理论是二十世纪5O年代提出的现代支护理论,或称岩承理论.其核心内容是:围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力:不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的,如果在这个过程中提供必要的帮助或限制,则围岩仍然能够进入稳定状态.这种理论体系的代表性人物有拉布西维兹,米勒一菲切尔,芬纳一塔罗勃和卡斯特奈等人.这是一种比较现代的理论,它已经脱离了地面工程考虑问题的思路,而更接近于地下工程实际,近半个世纪以来已被广泛接受和推广应用,并且表现出了广阔的发展前景.由以上可以看出,前一种理论更注意结果和对结果的处理:而后一种理论则更注意过程和对过程的控制,即对围岩自承能力的充分利用.由于有此区别,因而两种理论体系在过程和方法上各自表现出不同的特点.新奥法是岩承理论在隧道工程实践中的代表方法.二,新奥法设计施工原理新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称,原文是NewAustrianTunnellingMethod,简称为NATM.新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹教授于二十世纪5O年代提出的.它是以既有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,经奥地利,瑞典,意大利等国的许多实践和理论研究,于6O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的发展,已成为现代隧道工程新技术的标志之一.我国近40年来,铁路等部门通过科研,设计,施工三结合,在许多隧道修建中,根据自己的特点成功地应用了新奥法,取得了较多的经验,积累了大量的数据,现已进入推广应用阶段.近几年随着公路建设的快速发展,公路工程中大量使用隧道工程,新奥法设计与施工理念得以推广应用,目前新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修建隧道的一种基本方法,技术经济效益是明显的.(一)新奥法的基本原理应用岩体力学原理,以维护和利用围岩的自稳能力为基点,将锚杆和喷射混凝土集合在一起作为主要支护手段,控制围岩的变形与松弛,使围岩成为支护体系的组成部分,形成锚杆,喷射混凝土和隧道围岩为三位一体的承载结构,以共同支承山体压力.通过对围岩与支护的现场量测,及时反馈围岩支护复合体的力学动态及其变化状况,为二次支护提供合理的架设时机;通过监控量测及时反馈信息以指导隧道和地下工程的设计施工.新奥法的理论建立在岩体力学特性和岩体变形特性以及莫尔学说的基础上;考虑到隧道掘进时的空间效应和时间效应对围岩应力与变形的影响;集中体现在支护结构种类,支护结构的构筑时机,岩体压力,围岩变形四者的关系上,贯穿在不断变更的设计与施工过程中.(二)新奥法的基本要点1.岩体是隧道结构体系中的主要承载单元,在施工中必须充分保护岩体,尽量减少对它的扰动,避免过度破坏岩体的强度.为此,施工中断面分块不宜过多.开挖应当采用光面爆破,预裂爆破或机械掘进.2.为了充分发挥岩体的承载能力,应允许并控制岩体的变形.一方面允许变形,使围岩中能形成承载环;另一方面又必须限制它,使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力.在施工中应采用能与围岩密贴,及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构,例如,锚喷支护等.这样,就能通过调整支护结构的强度,刚度和它参加工作的时间(包括闭合时间)来控制岩体的变形.376.3.为了改善支护结构的受力性能,施工中应尽快闭合,而成为封闭的筒形结构.另外,隧道断面形状应尽可能圆顺,以避免拐角处的应力集中.4.通过施工中对围岩和支护的动态观察,量测,合理安排施工程序,进行设计变更及日常的施工管理.5.为了敷设防水层,或为了承受由于锚杆锈蚀,围岩性质恶化,流变,膨胀所引起的后续荷载,可采用复合式衬砌.6.二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的,围岩和支护结构形成一个整体,因而提高了支护体系的安全度.上述新奥法的基本要点可扼要的概括为:少扰动,早喷锚,勤量测,紧封闭.(三)新奥法组合锚杆的力学作用(1)悬吊作用认为锚杆的作用就是将不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上,以阻止围岩移动滑落.(2)减跨作用在隧道顶板岩层中打人锚杆,相当于在顶板上增加了支点,使隧道跨度减小,从而使顶板岩体的应力减小,起到维护隧道的作用.(3)组合梁作用在层状岩体中打人锚杆,把若干薄层岩层锚固在一起,类似于将叠置的板梁组成组合梁,从而提高了顶板岩层的自支承能力,起到维护隧道的作用.(4)挤压加固作用锚杆群锚入围岩后,随着围岩的变形其两端附近岩体形成圆锥形压缩区,各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错并形成一个均匀的压缩带,即承压拱,这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载.(四)喷层混凝土的力学理论(1)护加固围岩,提高围岩强度隧道开挖后,立即喷射混凝土,及时封闭围岩暴露面,由于喷层与岩壁密贴,故能有效地隔绝水和空气,防止围岩因潮解风化产生剥落或膨胀,避免裂隙中充填物流失,防止围岩强度降低.此外,高压高速喷射混凝土时,可使一部分混凝土浆液渗入张开的裂隙或节理中,起胶结和加固作用,提高围岩强度.(2)善围岩和支护的受力状态含有速凝剂的混凝土喷射液,可在喷射后2lOmin内凝固,及时向围岩提供支护抗力(径向力),使围岩表层岩体由未支护时的二向受力状态变为三向受力状态,提高了围岩强度.喷层是一种柔性支架,它允许围岩寻求新的平衡所产生的有限位移,并可发挥自身对变形的调节作用,逐渐与围岩变形协调,从而改善围岩的应力状态,降低围岩应力,充分发挥围岩的自承能力.喷射混凝土能使混凝土与围岩紧密均匀接触,并可通过调整喷层厚度,调整围岩变形,使应力均匀分布,避免应力集中.有关实验证明,分层喷射比一次喷射不同厚度混凝土的承载能力高.三,新奥法施工要点1.开挖作业多采用光面爆破和预裂爆破,并尽量采用大断面或较大断面开挖,以减少对围岩的扰动;2.道开挖后,尽量利用围岩的自承能力,充分发挥围岩自身的支护作用;3.据围岩特征采用不同的支护类型和参数,及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆初期支护,以控制围岩的变形和松弛;4欺弱破碎围岩地段,使断面及早闭合,以有效地发挥支护体系的作用,保证隧道稳定;5.次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基