新奥法在百色水利枢纽导流洞设计和施工中的应用

广西水利水电G X WA T E R R K S O U RC E S H YD R O P O WE R E N GI NE E RI NG 2 0 1 0 2 规划 设计 新奥法在百色水利枢纽导流洞设计和施工中的应用 张丽 萍 广西水利电力勘测设计研究院 广西南宁5 3 0 0 2 3 摘要 新奥法是新奥地利隧洞施工方法的简称 也是近几十年地下工程设计和施工的新理论和新技术 它从根 本上破除了岩石的散粒理论 充分考虑了围岩的自身承载能力 百色水利枢纽导流洞设计和施工中引进了这一先 进 理论 和技术 而且创造性地把新 奥法应用 到软岩 的地下工程 是对新 奥法理论和技术 的创新和发展 关键词 新奥法 导流洞 设计 施工 百色水利枢纽 中图分类号 T V5 5 4 3 T V2 2 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 1 5 1 0 2 0 1 0 0 2 0 0 0 1 0 4 1 工 程 概 况 百色水利枢 纽位 于广西百色市 上游 2 2 k m 的 右江干流上 是一座 以防洪为主兼有发 电 灌溉 供 水等综合利用 的大 一 型水利工程 水库总库容 5 6 亿 r n 3 水电站装机 5 4万 k W 是 治理和开发郁江 的 关键工程 也是中国西部开发 的标志性工程之一 导流洞设 在右坝头 长 8 2 8 m 的隧洞穿越 2 2个岩 层 岩石软硬交 替出现 规模 较大 的挤压带 有 F q F 1 0 F l 1 F 2 0 和 F 4 8 等 5条 裂隙发育 岩层破碎 V类围岩 占 5 4 地下水活动异 向性显著 工程地 质和水文地质的复杂程度在国内同类工程少见 隧 洞为圆型 开挖断面 的最大直径为 1 5 1 T I 成洞断面 最小直径为 1 3 2 I T I 该导流洞 于 1 9 9 9年 1 1月开 工建设 2 0 0 1年 1 2月完工并投入使用 2新 奥 法 2 0世纪中期以前 人们普遍采用普氏塌落拱理 论设计隧洞 在逐步认识普 氏理论不足的情况下 奥地利学者拉布西维兹 L V R AB C E WI C Z 于 2 0 世纪 5 0年代提出了新奥法 NA TM 的隧洞施工方 法 新奥法是以既有隧洞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 瑞典等 国的 许多实践和理论研究 于 2 0世纪 6 O年代取得专利 权 随后新奥法成为隧洞设计和施工的主要理论 2 0 世纪 7 0 年代末 新奥法传人我国 使我国在隧洞 设计上有 了认识上的飞跃 利用新奥法使隧洞充分 发挥 了围岩的自承能力并与支护结构共同工作 保 证隧洞的稳定和经济合理 可以说 新奥法是人们对 地下洞室工程设计思想划时代的标志 促进了现代 地下工程的一系列新概念和新理论 的形成 大大加 速了地下工程 的发展 新奥法不仅仅是一种隧洞的 施工方法 也不等于喷锚支护本身 它是一种岩土工 程中的信息化设计和信息化施工思想的体现 只有 正确地应用岩石力学原理 综合考虑围岩与支护的 共同工作 采用合理的开挖手段和适时的支护措施 才能保证隧洞建设安全经济 依据上述的认识 可以得出 新奥法是一种以岩 石力学为基础 设计 施工 工程信息反馈 紧密结合 的地下工程设计和施工的方法 新奥法从根本上破 除了传统的岩石散粒理论 充分考虑不同围岩的 自 身承载力 采用控制爆破 锚喷支护 现场监测等措 施 在围岩失稳前及 时支护并与围岩紧密结合共 同 工作 使支护既能具有一定刚度限制围岩变形的 自 由发展 又能具有一定 的柔性以适应围岩产生 的变 形 达到隧洞建设安全 快速 节省之 目的 3 设计 中应 用新奥法 新奥法是一种以岩石力学为基础 设计 施工和 工程信息反馈 紧密结合 的新 的隧洞设计方法 只有 正确运用岩石力学原理 综合考虑围岩与支护共 同 工作 采用合理 的开挖方法和适时的支护措施 才能 收稿日期 2 0 1 0 0 3 1 2 作者简介 张丽 萍 1 9 5 9一 女 广西梧州人 广西水利 电力勘测设计研究院高级工程师 从事水利电力工程设计与管理工作 1 张丽萍 新奥法在百色水利枢纽导流洞设计和施工 中的应用 保证隧洞建设的安全 经济 设计中应用新奥法 实 际上就是运用新奥法理论和技术指导开挖设计 支 护设计 施工量测设计和衬砌设计 3 1 导流洞开挖设计 百色导流洞工程地质比较复杂 岩石软硬交替 出现 V类 围岩 占 5 4 依据新奥法原理 隧 洞开挖要求一次成型 以免应力重新分布 对于开 挖洞径为 1 5 F D 的软岩 一次成型是不可能的 因为 软岩的自稳能力无法满足一次循环作业时间的要 求 软岩隧洞能否采用新奥法 设计者采用分层分 块相间开挖 根据不同围岩 自稳时间的长短 设计出 不同的分块和开挖方法 确保围岩失稳前尽早支护 3 1 1 类围岩段开挖设计 类围岩属于基本稳定的围岩 I I 类围岩虽然 稳定性较差 但稳定时间一般都有一个月左右 能满 足新奥法一次成型的条件 类围岩设计采用 分上 下两层半圆一次成型开挖 具体 的开挖方法 是 上层先中导洞超前掘进 然后全断面开挖跟进 采用光面爆破作业 下层先中间拉槽再扩挖两侧 边 孔采用光面爆破 3 1 2 I V类围岩段开挖设计 类围岩 自稳能力差 一般稳定时间不能满足 一 次循环作业 也就是说 开挖后尚未完成支护 围 岩已经失稳 达不到新奥法要求开挖一次成型的要 求 也达不到新奥法要求 围岩与支护共同工作之 目 的 在 类围岩段设计采用上下半断面开挖法 具 体做法是 先挖上部断面并采用浅孔小炮爆破开挖 中导洞 待中导洞顶部锚喷支护后 再开挖侧墙部分 并及时对侧墙进行锚 喷支 护 不管是 中导洞或侧 墙 都采用光面爆破和锚喷支护 紧跟掘进 下层断 面开挖采用先挖中槽再扩挖两侧 采用光面爆破和 锚喷支护紧跟掘进 3 1 3 V类围岩段开挖设计 V类围岩 自稳能力极差 自稳时间很短 设计采 用上下分层分块开挖 上层开挖采用预留核心土环 形开挖法 即先挖周边 1 0 1 5 m 预留中部 开挖 后及时初喷混凝土封闭岩面 并施工和安装系统注 浆锚杆 然后在开挖中部和对锚杆注浆的同时 紧跟 着安装钢拱架 挂钢筋网 喷混凝土 设计上层开挖 循环进尺控制在0 5 1 0 m 一个循环进尺安装 1 榀拱架 周边喷钢筋网混凝土厚 1 5 2 0 c m 下层 开挖采用先挖槽再挖两侧 喷锚支护紧跟开挖 循环 进 尺 2 3 r n 3 2 锚喷支护设计 根据断面尺寸 埋置深度 围岩类别 塑性 区分 布和各种支护结构工作状况 应用 新奥法 理论和 技术进行分析计算 给 出不 同围岩采用不同的锚喷 支护方法如表 1 表 1 百色导流洞锚喷支护设计成果表 3 3 量测设 计 根据新奥法理论和技术要求 设计给出的支护 结构是否符合实际 应通过现场监控量测数据修正 设计参数和调整施工方法 量测设计 的主要 内容 有 净空变位量测 顶拱下沉量测 锚杆抗拔力测定 锚杆轴力测定 钢拱架应力测定 围岩位移量测 松 弥带厚度快速测定 在施工过程 中 对上述量测内 2 容不断地进行量测 并对每次得出的量测数据进行 处理和 回归分析后 结合现场 的地质编录和施工过 程获取的其他信息 与原设计进行比较 如果基本相 符则继续按原施工方法实施 否则就应修改设计或 改变施工方法或调整循环作业时间 百色导流洞设 计允许相对位移量如表 2 广西水 利水 电G X WA T E R R G S O UR C E S HY D R OI WE R E N GI N E E RI N G 2 0 1 0 2 表 2 百色导流洞允许相对位移量表 3 4 混凝土衬砌设计 衬砌设计也引进新奥法理念 采用复合式衬砌 把开挖时的混凝土锚喷支护作 为一期衬砌 主要承 受隧洞施工期荷载 二期衬砌采用模注混凝土 经过 对复合式的衬砌结构进行分析计算 得 出模注混凝 土的衬砌厚度为 类 围岩段为 5 0 c m 双层 钢 筋 V类围岩段模注混凝土衬砌厚度 为 6 0 c m 双层钢筋 3 5 强迫进洞设计 根据设计要求 导流洞进出 口及右 4 沟明挖后 再进洞 如果执行行业规范 应按进出 口洞顶上覆 岩层厚度不小于 1 0倍 的洞径规定进行设计 这样 不仅土石方开挖量增加 3 0万 m3 而且会出现高边 坡的处理问题 设计根据新奥法的支护技术和国内 同类工 程 的经 验 在进 口上 覆 岩层厚 度为 洞径 的 0 5 2 倍 出口上覆岩层厚 度为洞 径的 0 1倍的情况 下 经分析计算后 采用地表加 固 锚喷支护 钢支撑 等综合措施强迫进洞 4 施 工 中应用新 奥 法 在百色导流洞施工过程 中应用新奥法 主要是 根据设计给出的施工图和施工设计 以及控制爆破 锚喷支护 信息反馈等 3大支柱技术 进行开挖 爆 破 支护和塌方体处理等 同时 根据施工过程获取 的工程信息 不断调整设计参数和施工方法 确保 隧洞不欠挖 而且超挖控制在设计允许的范围内 支护措施在围岩失稳前让围岩与支护共同工作并 最大限度地节约支护费用 4 1 开挖 施 工 百色导流洞开挖 断面为 1 3 1 5 1 T I 直径 的大型 隧洞 开挖采用分层 作业 第一层为上部 7 m 第二 层为中部 5 6 I T I 第三层为底部反弧 2 3 m 开挖 施工采用钻爆法光面爆破 用 3 m3 液压装载机或反 铲配合 1 5 t自卸汽车出碴 4 1 1 类围岩洞段开挖作 业 类 围岩的 自稳能力如达到或超过一次循 环作业时间的要求 可 以采用新奥法要求 的一次成 型全断面开挖的方式 但是 洞身为圆型的百色水 利枢纽导流洞开挖断面最大直径达 1 5 1 T I 采用钻爆 法一次成型的全断面开挖 比较困难 故施工开挖采 用分层不分块开挖作业 第一层作业面采用 2 5 I T I 3 5 I T I 中导洞超前掘进后再扩挖 第 二和第三层 采用先挖中槽再扩挖两侧的开挖作业 钻孔和装药 量严格按光面爆破要求控制 按上述方法开挖的隧 洞成型较好 周边半孔率平均值为 8 5 9 0 4 1 2 类围岩段开挖作业 类围岩属于不稳定围岩 即使采用分层开挖 其自稳能力也很难 达到一次循环作业 的时间 为 此 施工过程采用锚喷及时跟进的分层并限制进尺的 开挖作业 具体开挖方法是 按上中下 3层的顺序掘 进 上层采用中导洞超前 2 3 1T I 掘进后再扩大两侧 并严格控制进尺在 1 2 I T I 采用光面爆破并及时锚 喷支护 中下层采用先挖中槽再扩挖两侧并锚喷支护 及时跟进的开挖作业 循环进尺控制在 2 4 m 4 1 3 V类围岩洞段开挖作业 V类围岩属于极不稳定 的围岩 为了使 V类 围 岩达到一定的 自稳能力 并能维持分层开挖一次循 环作业的稳定时间 在开挖前先在设计顶拱上方打 超前钢管注浆锚杆 以提高围岩 的 自稳能力 开挖 时采用分层分块开挖 即第一层开挖作业采用中间 预留核心土环 先挖周边并及时锚喷支护 然后挖中 间核心土环 开挖时要确保 及时锚喷支护的同时 还要做到及时架立钢拱架支护 严格执行松动爆破 的打浅孔 少装药或直接用反铲掘进的施工方法 控 制循环进尺为 0 5 1 0 IT I 第二 第三层开挖作业 是在确保拱顶安全后 先挖 中槽再扩挖两侧并锚喷 支护及时跟进 循环作业进尺控制在 2 4 m 4 2 锚 喷支护 施工 锚喷支护是新奥法 3大支柱之一 它是在 围岩 失稳前对围岩采取适时或快速的支护 使围岩与支 护共同工作 达到安全节省之 目的 百色水利枢纽 导流洞的支护 是根据不同围岩的类别采用不 同的 措施 类围岩洞段开挖后 在岩面及时喷混凝 土封闭 然后在距 开挖面 5 8 m 打孔安装系统锚 杆 具体施工作业顺序是 清理岩面一初喷混凝土 一 挂网一复喷混凝土一 打孔安装 系统锚杆 类围 岩洞段锚喷支护与 类围岩洞段基本相 同 但锚 喷支护紧跟开挖作业工作面 系统锚杆支护距开挖 面为 1 3 m V类 围岩段锚 喷支护 紧跟开挖工作 面 作业顺序为 超前钢插管预注浆一钻爆法开挖或 反铲开挖一初喷混凝土封闭岩面一挂网一安装钢拱 架 卡 各 栅拱架一复喷钢筋网混凝土一钻孔安装支护 锚杆及围岩注浆 固结 3 张丽萍 新奥法在百 色水利枢纽导流洞设计和施工中的应用 4 3 塌方处 理 百色水利枢纽导流洞 V类 围岩 占 5 4 岩 体破碎 围岩 自稳能力极差 虽然采用新奥法施工 但在 V类 围岩洞段仍在拱顶 9 0 1 2 0 范围多次 发生不同程度的塌方 特别是 0 4 8 7 0 5 0 4段的 大塌方将已开挖成型的第一层洞室堵塞 总方量约 l 6 0 0 m3 在对塌方 体处理时也采用新奥法 充分 利用和调动围岩的自承能力 首先在塌方体 内使用 管棚注浆 使塌方体形成一定的自 稳能力后 在一边 开挖一边锚喷支护的同时 架立钢拱架和安装环向 可注浆锚杆等措施 使塌方段开挖成型 的洞室能维 持N 期砼衬砌前不失稳的支承拱 5 在V类围岩洞段应用新奥法 5 1 采用新奥法与矿 山法联合支护 新奥法强调柔性支护和让压理论 让围岩和支 护共同工作 这对 V类围岩不适用 因为 V类围岩 自 稳时间极短或没有 自稳时间 在百色导流洞V类围 岩的软岩地段 过分强调柔性支护和让压理论是不 合适 的 有必要加以修正 因为 自稳时间满足不 了支 护与围岩形成共同工作所需的时间 在百色水利枢 纽导流洞V类 围岩洞段 支护结构设计 以钢拱架或 格栅梁喷锚为基础 再采用全固结锚杆 超前注浆锚 杆或管棚等联合支护 在施工 中强调短进尺 弱爆 破和分层分块开挖 对开挖形成的岩体喷混凝土加 以封闭后 再用钢拱架 固结锚杆 喷钢筋 网混凝 土 等新奥法与矿山法联合支护 对 类围岩或破碎的 硬岩 开挖后马上对节理裂隙进行封闭 以保证 楔 子效应 的作用 5 2 早 支护 新奥法是根据 围岩应力最低点理论 在围岩失 稳前喷锚支护并与围岩紧密结合共同工作 既能具 有一定的刚度限制围岩变形的 自由发展 又能具有 一 定的柔性以适应 围岩所产生的变形 但是 在百 色水利枢纽导流洞V类围岩洞段 因为围岩 自稳时 间极短或没有 自稳时问 理论上的应力最低点无法 找到或根本不存在 也就是说适时支护在软岩隧洞 是不适用的 应早支护 尽快支护 不能拖延 在百 色导流洞 V类围岩施工时 采用密布孔 短进尺 弱爆破 多循环 早支护 强支护的施工方法 特别强 调尽早支护 不能拖延 否则变形及其变形压力越来 越大 就会发生工程事故 5 3 分层分块开挖 新奥法要求开挖一次成型 以免应力重新分配 4 一 次成型的开挖方法 在直径为 1 3 1 5 m的百色水 利枢纽导流洞很难实施 特别是 V类 围岩洞段 围岩自稳能力无法满足一次循环作业时间的要求 在百色水利枢纽导流洞的设计和施工实践中 采用 分层开挖 在 V类围岩洞段除分层外还分块 分块的 方法是在上层先挖周边 预留中部的 预留核心土环 形开挖法 5 4 锚杆选择 百色水利枢纽导流洞 V类 围岩 占 5 4 岩 石破碎 成孔 困难 根据新奥法理念 选用管式注浆 锚杆 既能保证工程质量又能保证施工速度 通过 注浆锚杆对岩石进行灌注水泥浆后 提高了岩体的 整体强度和相互 间的黏结力 显著约束 围岩变形 施加管式注浆锚杆前 先安排部分速效锚杆如水压 式 管缝式 胀壳式等 也是不错的选择 5 5 塌方 处理 在百色水利枢纽导流洞对 V类围岩塌方体处 理 也引用新奥法理念 即充分利用与调动围岩的自 承能力 对塌方体处理方法 首先是改善松散体力 学强度和提高 自承能力 再通过支承结构与塌方体 联合承载上覆碎石或岩体 对塌方体的处理方法是 采用注浆管棚 钢拱架 环 向可注浆锚杆 挂网喷混 凝土 使 以上设施共同组成一个强大的支承拱 6 结语和 思考 6 1 结 语 百色水利枢纽导流洞于 1 9 9 9年 1 1 月 2 5日正 式开工建设 至 2 0 0 1 年 1 2月 3 1日完工 2 0 0 2年 3 月 3日通过水利部珠江水利委员会组织的竣工验收 后投入使用 至 2 0 0 5年 8月 2 6日百色水利枢纽工 程下闸 蓄水 的 3 5年时 间里 经受 了 2 0 0 2年和 2 0 0 3 年两次大洪水 的考验 实测最 大泄流流量为 1 9 5 0 m0 s 达到设计最大流量 2 2 2 0 m3 s 的8 8 导流洞安然无恙 工程竣工决算为 9 6 8 6万元 比 初步设计概算 1 0 8 4 0万元节约投资 1 1 5 4 万元 6 2 思考 1 新奥法不仅是一种隧洞的施工方法 也不 等于锚喷支护本身 而是岩土工程信息化设计和信 息化施工思想 的体现 但是 新奥法也存在无法准 确反映隧洞受力情况 难于进行定量设计的缺点 2 新奥法过分强调柔性支护和让压理论 这 对软岩来说容易产生误导 软岩隧洞由于围岩 自稳 能力极差或根本没有 自稳能力 应强 下转第 l 0页 韦汝敏 双绞生态格网结构在防城江护岸中的应用 参考文献 1 广西南宁水利电力设计院 广西防城港市临海工业区 供水项目长歧干渠 防渗加固扩能工程初步设计报告 R 南宁 广西南宁水利电力设计院 2 0 0 5 2 广西南宁水利电力设计院 广西防城港市临海工业区 供水项目长歧干渠防渗加固扩能工程总干渠 4 1 0 0 4 3 4 7桩号处抢险道路外坡护岸水毁修复工程设 计报告 R 南宁 广西南宁水利电力设计院 2 0 0 9 责任编辑 刘征湛 Ap pl i c a t i o n o f d o u b l e t wi s t e d e c o l o g i c me s h i n Fa ng c h e n g r i v e r b a n k p r o t e c t i o n wo r ks W EI RU mi n Na n n i n g Wa t e r a n d P o w e r De s i g n I n s t i t u t e Na n n i n g 5 3 0 0 0 1 C h i n a Ab s t r a c t An i n t r o d u c t i o n wa s ma d e o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f d o u b l e t wi s t e d e c o l o g i c me s h i n c l u d i n g i t s p r o t e c t i o n f o r e n v i r o n me n t i t s i n t e g r i t y f l e x i b i l i t y d u r a b i l i t y a n d p e r me a b i l i t y l o w c o n s t r u c t i o n c o s t a n d s u p e r i o r wa v e b r e a k i n g c a p a b i l i t y C o mb i n e d wi t h i t s a p p l i c a t i o n i n F a n g c h e n g r i v e r b a n k p r o t e c t i o n wo r k s a n i n t r od u c t i o n wa s ma d e o n t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e o f d o u b l e tw i s t e d e c o l o g i c mesh wh e n i t i s a p p l i e d i n r i v e r b a n k p r o t e c t i o n wo r k s and r i v e r e c o l o g i c r e s t o r a t i o n p r o j e c t Ke y wo r d s Do u b l e t wi s t e d e c o l o g i c me s h r i v e r b a n k p r o t e c t i o n e c o l o g i c r e s t o r a t i o n F a n g c h e n g r i v e r 调采用超前注浆锚杆或管棚等 提高 自稳能力 的同 时 采用新奥法和矿山法联合支护 参考文献 3 新奥法提出的适时支护 在没有 自稳能力 1 广西水利电力设计研究院 百色水利枢纽导流洞工程 的软岩隧洞不适用 而应尽早支护 尽快支护 不能 设计技术总结 R 南宁 广西水利电力设计研究院 拖延 不然就会造成工程事故 川 J b 4 新 奥 法 要 求 开 挖 一 次 成 型 在 大 型 隧 洞 很 2 广 西 水 电 力 设 计 研 院 新 奥 在 百 色 水 利 枢 纽 罩 妻 软 查 鍪 蓑 工 作 总 结 南 宁 岩 段 不仅不能一次成型 而且要采用分层分块开挖 一一 一 责任编辑 周 群 Ap p l i c a t i o n o f NATM i n d i v e r s i o n t u n n e l d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n f o r B a i s e Mu l t i p u r p o s e Da m P r o j e c t ZHANG Li p i n g Gu a n g x i Wa t e r a n d P o w e r D e s i g n I n s t i t u t e Na n n i n g 5 3 0 0 2 3 C h i n a Ab s t r a c t NA TM o r t h e Ne w Au s t r i a n T u n n