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隧道施工方法-新奥法介绍

新闻时间:2017-09-07 文章来源: 文章作者:ztcjjt
      新奥法是在利用围岩本身所具有的承载效能的前提下,采用毫秒爆破和光面爆破技术,进行全断面开挖施工,并以形成复合式内外两层衬砌来修建隧道的洞身,即以喷混凝锚杆、钢筋网、钢支撑等为外层支护形式,称为初次柔性支护,系在洞身开挖之后必须立即进行的支护工作。蕴藏在山体中的地应力由于开挖成洞而产生再分配,隧道空间靠洞效应而得以保持稳定,也就是说,承载地应力的主要是围岩体本身,而采用初次喷锚柔性支护的作用,是使围岩体自身的承载能力得到最大限度的发挥,第二次衬砌主要是起全储备和装饰美化作用。
      新奥法是以喷射混凝土、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性薄层,与围岩紧密黏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。新奥法的适用性很广,中国已在亚黏土和黄土隧道施工中取得成功,其适用范围有: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岩;③强风化的岩石;④刚塑性的黏土质灰岩和泥质灰岩;⑤坚硬黏土,也有带坚硬夹的黏土;⑥微裂隙的,但很少黏土的岩体;⑦在很高的初应力场条件下,坚硬的和可变硬的岩石。
      并不是所有的地质情况适合用新奥法,如果遇到下列地质情况,在使用新奥法施工时候,必须与一些辅助方法相配合:①围岩大量涌水,并产生流砂现象的地质情况;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,围岩破碎使锚杆钻孔和插入都极为困难的场合,需要钢背板与之配合;④在蠕动性岩体中,开挖面围岩不能自稳,要与冻结法或预加固法等配合。
      一、施工前量测
      用新奥法施工的绝大多数工程均采用各种台阶法进行开挖,其次是采用全断面法。新奥法要求保证光面爆破的质量,避免断面凹凸不平而引起应力集中和减少超挖,从而节约为填平表面所需的大量混凝土。因此,新奥法的施工作业必须根据事前的调查解决下列4个问题:①开挖方法;②支护布置及进行支护的最适宜时机;③是否设置仰拱及设置的时间和方法;④是否采用辅助施工方法及其种类等。为保证施工的顺利进行,施工前的量测十分重要。在制定现场量测计划时,要根据隧道及地下工程的规模、地质资料、各量测项目的作用,并考虑工点所需解决的问题和量测计划的经济效益,选择合理的量测项目和方法。同时还必须考虑采用切实可靠的量测手段仪表,保证量测工作准确安全,并尽可能不妨碍施工。
二、施工主要原则
      新奥法施工。必须遵守几个原则,减少人为因素引起的隧道施工灾害,以保证施工安全:①充分保护围岩,减少对围岩的扰动;②充分发挥围岩的自承能力;③尽快使支护结构闭合;④加强监测,根据监测数据指导施工。新奥法施工原则可扼要地概括为“短进尺、弱爆破、紧封闭、早喷锚、勤量测”。因为隧道的主要承载部分是围岩,支护结构起到发挥和保护围岩承载能力的作用。在静力学理论中,隧道的结构可视为岩体承载环和支护衬砌组成的圆筒结构,承载环的闭合起到了关键作用,因此围岩和衬砌的整体化应在初期衬砌中及早完成,保证衬砌环的稳定与完整。从应力场的分布来考虑,全断面掘进是比较理想的开挖方式。因此,施工方式归根结底要把握一个出发点,那就是保护,调动和发挥围岩的自承能力,在此基础上视工程实际条件灵活地选择施工及辅助手段。 
      三、施工基本要点
      (1)洞室开挖后,应使围岩自身承担主要的支护作用,而衬砌只是对围岩进行加固,专的自承能力。如及时喷混凝土封闭岩壁,就能有效地防止围岩松弛,而不使其强度大幅度降低,同时也不存在因顶替支撑而使围岩变形松弛。总之应使围岩经常处于三轴应力约束状态,最为理想。
      (2)预计围岩有较大变形和松弛时,应对开挖面施作保护层,而且应在恰当的时候敷设,过早或过迟均不利。其刚度不能太大或太小,必须能与围岩密贴,需要做成柔性薄层,允许有一定变形,以使围岩释放应力时能起到卸载作用,尽量不使其有弯矩破坏的可能。这种支护和传统的支护不同,不会因受弯矩而受压剪作用的破坏。由于混凝土的抗压和抗剪强度比抗拉和抗弯强度大得多,从而具有更高的承载能力。一次支护的位移收敛后,可在其光滑的表面上敷设高质量的防水层,并修筑为提高安全度的二次支护。前后两次支护与围岩之间都只有径向力作用。
      (3)衬砌需要加强的区段,不一定要增大混凝土的厚度,而要加钢筋网、钢支撑和杆,使隧道全长范围采用大致相同的开挖断面。此外,因为新奥法不在坑道内架设杆件撑,空间宽敞,从而提高了安全性和作业效率。
      (4)为正确掌握和评价围岩与支护的时间特性,可在室内试验的同时,在现场进行测。量测内容为衬砌内的应力、围岩与衬砌间的接触应力以及围岩的变位,据以确定围岩的稳定时间、变形速度和围岩分类等最重要的参数,以便适应地质情况的变化,及时变更设计和施工。量测监控是新奥法的基本特征,量测的重点是围岩和支护的力学特征随时间的变化动态。衬砌的做法和施作时间是由围岩变位量测决定的。
      (5)隧道支护在力学上可看作厚壁圆筒。它是由围岩支承环和衬砌环组成的结构,两者存在共同作用。圆筒只有在闭合后才能在力学上起到圆筒作用,所以除在坚硬岩层之外,敷设仰拱使衬砌闭合是特别重要的。围岩的动态主要取决于衬砌环的闭合时间。当上半断面超前掘进过多时,就相应地推迟了它的闭合时间,在隧道纵方向形成悬臂梁的状而产生大弯曲的不良影响。另外,为防止围岩破坏的应力集中,断面应做到无角隅,最好采用圆形断面。
      (6)围岩的时间因素还受开挖和衬砌等施工方法的影响,它对结构的安全性起着决定的作用。考虑掘进循环周期、衬砌中仰拱的闭合时间、拱部导坑的长度以及衬砌强度等变化因素,把围岩和支护作为一个整体来力求稳定。从应力场分布角度去考虑。全断面一欠开挖是最有利的;分部开挖会使应力反复分布而造成围岩受损。
      (7)岩层内的渗透水压力,必须采取排水措施来降低。
新奥法的支护结构至今仍处于经验设计的阶段,它的前提是要科学地进行围岩分类,并根据已经修建的类似工程的经验,提出支护设计参数或标准设计模式。这种工程类比法考虑了岩体结构、岩块单轴抗压强度、弱面特性等工程地质性质、坑道的跨度以及围岩稳时间等主要因素,需在各种设计与施工规程的实施过程中,依据量测数据加以修正。现场监控设计,一般分成预先设计阶段和最后设计阶段,后者是根据现场监控量测数据,分析比较或计算后,最后提出设计。理论解析和有限元数值计算,至今还不能得出充分可靠的结果,必须由经验和量测加以验证。
      四、缺点
      (1)新奥法施工不仅要求有良好的施工组织和管理,也要求技术人员和测量人员都卜分熟练,没有这一点就易于发生错误;作业的质量都与每一个人的操作结果有关。
      (2)开挖暴露出的地质体会立即改变其状态,因此要求施工地质人员要亲临现场,以便及时发现问题。
      (3)需要有控制的施工量测,往往给施工带来不便。
      (4)由于干喷射带来的灰尘以及化学药品的损害,所以必须加强防护,尤其是对眼的防护,湿喷虽然可以避免此缺点,但在同样条件下,不如干喷有效。
 

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