第七節　新奧法

一、新奧法的概念

傳統的隧道支護理論把圍巖視為松散結構，無自承能力，因而產生松動、剝離和墜落，形成圍巖壓力，必須用支護結構承受圍巖的壓力。傳統隧道施工中的多次分部開挖法，不僅對周圍地層進行多次擾動和破壞（因開挖爆破），極易產生塌方等安全事故，而且需要消耗大量木材，施工中相互干擾大，速度慢，質量不易保證。而新奧法把支護結構和圍巖本身看作一個整體，二者共同作用達到穩定洞室的目的，而且大部分圍巖壓力是由圍巖體本身承擔的，支護結構只承擔了少部分的圍巖壓力。我國從20世紀70年代開始引進新奧法，到80年代才開始大量應用于工程實踐中。事實證明，在隧道的設計和施工中采用新奧法，可以節省大量木材，改善施工條件，降低工程造價，同時，也為大型機械化施工提供了條件。若采用嚴格有效的施工監測和管理措施，可使支護系統既經濟合理，又安全可靠。

新奧法是完全不同于傳統礦山法的一種新理念，它摒棄了應用厚壁混凝土結構支護松動圍巖的理論，其基本內容可歸結為如下幾點：

（1）鉆爆開挖時宜采用對圍巖擾動較小的控制爆破，盡可能采用大斷面少分部的開挖方法，減少對圍巖的擾動，以免破壞巖體的穩定；

（2）隧道的開挖應盡量利用圍巖的自承能力，充分發揮圍巖的自身支護作用；

（3）根據圍巖級別，采用不同的初期支護，及時施作密貼于圍巖的柔性支護（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，從而增加支護結構的剛度，有效地發揮支護體系的作用，保證隧道的穩定性；

（5）二次襯砌原則上是在圍巖和初期支護變形基本穩定的條件下修建，使圍巖和支護結構形成一個整體，從而提高支護體系的安全度；

（6）盡量使開挖后的隧道斷面周邊輪廓光滑、圓順，避免棱角突變處應力集中；

（7）在施工中對圍巖和支護結構進行合理的監控量測，以便能夠合理安排施工程序，修正不合理的設計和施工方法。

總之，新奧法不能單純理解為隧道施工的某一種方法，它是把隧道的設計與施工合為一體，以彈塑性理論的成果進行支護結構的設計，并以現場量測的手段修正設計、指導施工的一種新理念。這一新理念集中體現在支護結構種類、支護結構構筑時機、圍巖壓力、圍巖變形這四者的關系上，自始至終貫穿于不斷變更的設計、施工的過程中。

二、新奧法的基本原理

根據彈塑性理論推導及支護阻力與塑性區大小的關系，可以把新奧法的基本原理表述為以下幾點。

1.圍巖巖體是隧道承載的主要部分

由于坑道開挖后，在其周圍的巖體內會形成塑性區，使圍巖壓力通過塑性區后，其值很小，故支護結構提供的支護阻力只承擔一部分的圍巖壓力，大部分的圍巖壓力由圍巖本身承擔。

新奧法與傳統觀念的根本不同之處是認為：在隧道中起支護作用的主要是圍巖，隧道是圍巖與支護的整體化結構物，而不是把圍巖視作荷載。因此，在施工時，要做到最大限度地保護圍巖原有的強度，有效地利用其自承能力。

2.用較小的支護阻力設計支護結構

如圖2-33所示，開挖后圍巖初期變形小，需要的支護阻力大；隨著變形的增大，需要的支護阻力則逐漸減小。但變形超過一定數值后，如圖中的A點，則進入松動范圍，需要的支護阻力反而要逐漸增加，才能使坑道穩定。這樣，A點要求的支護阻力即為最小支護力。但是在實際工作中，要控制正好在A點實施有效支護是很難的，為了不讓圍巖產生松動，就必須在變形達到A點之前進行支護。因此，確切地說，新奧法是采用較小的支護阻力設計支護結構的。

3.采用薄層柔性支護，控制圍巖的初始變形

坑道開挖后圍巖即開始變形，這時施作一層柔性初期支護，允許圍巖發生微小的變形，以便在坑道周圍形成塑性區，同時也能控制圍巖變形，防止圍巖松動。

在埋深小、圍巖穩定性差的情況下，少許的坑道壁面位移就會使圍巖產生有害松動，大大降低圍巖的原有強度，從而導致坑道圍巖坍塌。因此新奧法強調坑道開挖后，應盡快在圍巖壁面施作初期支護，且要盡可能早地封閉，最大限度地防止圍巖松弛，控制圍巖的初期變形。這里控制圍巖初期變形的另一層含義是控制圍巖初期變形的速度，使圍巖的變形不致過快，從而導致坑道失穩。這里要強調的是要把圍巖的變形控制在許可的范圍內。

4.通過控制薄層柔性的支護施作時間，適應圍巖的特性

由前述可知，支護結構作用的時間太早，則圍巖壁面變形小，需要的支護阻力會很大；而支護結構作用時間過遲，壁面位移過大，又將產生有害松動，需要的支護阻力也變大。采用薄層柔性支護，由于其柔性較大，其內部產生的彎矩很小，本身可以變形，這樣與其周圍緊密接觸的巖體形成一個整體的受力結構。因此支護結構的支護時間必須選擇恰當，過早或過遲都不利，但這一時間又不易掌握。理想的支護結構是指既能起到控制圍巖變形的作用，又允許圍巖在一定范圍內變形，而在變形達到所需的支護阻力最小時起支護作用。剛性的支護結構一經設置，其支護的全部作用將很快顯示，它不允許圍巖變形，因而支護阻力會很大，以新奧法的觀點看，這是很大的浪費。而薄層柔性支護設置以后，既控制了圍巖變形，又因其柔性而能允許圍巖產生一定量的變形，可以使其支護作用十分接近于最小支護阻力允許的變形值。另一方面，薄層柔性的支護，例如噴射混凝土還能與坑道圍巖緊密接觸，不留空隙，形成全面牢固的接觸，可與圍巖結合成為一個整體。

此外，隧道在力學上被看作為厚壁圓筒，因而要使支護結構及時閉合。在施工時，一定要及時施作仰拱。

5.采用監控量測來檢驗設計并指導施工

地下工程的地質情況是千變萬化的，設計和假定往往與實際不符。施工中通過量測修改設計方案是新奧法的重要特點。量測工作在新奧法施工過程中自始至終都要進行。一旦發現圍巖有不穩定狀態，就應及時采取有效措施進行加固，并根據加固后的情況修改下一階段的實施設計方案，同時還應按修改后的設計方案，對鄰接的已支護地段做適當的補充加固。只有這樣才能使設計更合理，使施工方法、施工工藝更完善。這種由設計到施工，再把施工中的量測信息反饋到設計中去的動態過程，就組成了新奧法的完整體系。

三、新奧法施工基本方法

新奧法的施工與傳統方法不同，根據其基本原則，在開挖時必須達到成形好、對圍巖擾動最小的要求，對開挖暴露面應及時進行噴錨支護，施工全過程應在監控量測下進行，并及時反饋信息，以修正設計和施工。在軟弱圍巖地段應使斷面及早閉合。

（一）新奧法施工程序

新奧法的施工程序主要包括：開挖、初期支護、構筑防水層、二次模筑混凝土襯砌四部分。

1.開挖

為了充分利用圍巖的自承能力，盡量采用較大斷面進行開挖，地質條件較差時可采用臺階式開挖或分塊環形開挖。爆破宜采用光面爆破或預裂爆破。

開挖時，一次開挖的長度應根據圍巖條件和開挖方式確定。圍巖條件好時，長度可大些，條件差時，長度可小些。同樣條件下，采用分臺階開挖時長度可大一些，而采用全斷面開挖時長度就要小一些。

2.初期支護

初期支護包括下列各個工序：一次噴射混凝土，打錨桿，設置鋼筋網，必要時架設鋼支撐，二次噴射混凝土等。一次噴射混凝土的厚度約為3～5cm，二次噴射混凝土達到設計厚度即可。當噴射混凝土層厚度較大時，可采用多次噴射，每次噴5～8cm。初期支護所用的鋼筋網、鋼支撐等均應埋在噴混凝土層內。

3.構筑防水層

在初期支護完成后，臨近二次襯砌前構筑防水層。防水層設置在初期支護和二次襯砌之間，其形式和材料根據設計而定。防水層中的水可通過集水管排出。

4.二次模筑混凝土襯砌

當圍巖與初期支護變形收斂后，用模筑混凝土構筑二次襯砌。新奧法施工程序如圖2-34所示。

（二）新奧法施工基本原則

（1）新奧法施工的基本原則為“少擾動、早噴錨、勤量測、緊封閉”。

所謂“少擾動”是指在隧道開挖時，必須嚴格控制，盡量減少對圍巖的擾動次數、擾動強度、擾動持續時間和擾動范圍，以使開挖出的坑道符合成型的要求。因此，能采用機械開挖的就不用鉆爆法開挖。采用鉆爆法開挖時，必須先作鉆爆設計，嚴格控制爆破，盡量采用大斷面開挖。

“早噴錨”是指對開挖暴露面應及時地進行地質描述和及時施作初期噴錨支護，使圍巖變形得到有效控制而不致變形過度而坍塌失穩，以達到圍巖變形適度而充分發揮圍巖的自承能力。

“勤量測”是在隧道施工全過程中，應對圍巖周邊位移進行的現場監控量測，并及時反饋修正設計參數，指導施工或改變施工方法。以規范的量測方法和量測數據及信息反饋，進行預測和評價圍巖與支護的穩定狀態，及時對隧道的施工方法（包括開挖方法、支護形式，特殊的輔助施工方法）、斷面開挖的步驟及順序、初期支護設計參數等進行合理的調整，以確保施工安全、坑道穩定，以及支護襯砌結構的質量和工程造價的合理性。

“緊封閉”是指對易風化的自穩性較差的軟弱圍巖地段，在開挖斷面后應及早施作封閉式支護（如噴射混凝土、噴錨混凝土等），以避免圍巖因暴露時間過長而產生風化，降低強度及穩定性，使支護與圍巖進入良好的共同工作狀態。

（2）傳統礦山法施工的基本原則為：“少擾動、早支撐、慎撤換、快襯砌”。

“少擾動”是指在進行隧道開挖時，要盡量減少對圍巖的擾動次數、強度、范圍和持續時間。采用鋼支撐，可以增大一次開挖斷面的跨度，減少分部開挖次數，從而達到減少對圍巖的擾動次數。

“早支撐”是指開挖坑道后應及時施作臨時構件加以支撐，使圍巖不致因變形松弛過度而產生坍塌失穩，并能承受圍巖松弛變形產生的壓力——早期松弛荷載。定期檢查支撐的工作情況，若發現變形嚴重或出現損壞征兆，應及時增設支撐予以加固和加強。作用在臨時支撐上的早期松弛荷載的大小，可比照設計永久襯砌的計算圍巖壓力大小來確定。臨時支撐的結構設計也采用類似于永久襯砌的設計計算方法，即結構力學方法。

“慎撤換”是指拆除臨時支撐而代之以永久性模筑混凝土襯砌時應慎重，即要防止在撤換過程中圍巖坍塌失穩。每次撤換的范圍、順序和時間要視圍巖穩定性及支撐的受力狀況而定。若預計到不能拆除時，則應在確定開挖斷面大小及選擇材料時就予以研究決定。使用鋼支撐作為臨時支撐，一般可以避免拆除支撐的麻煩和不安全。

“快襯砌”指拆除臨時支撐時要及時修筑永久性混凝土襯砌，并使其能盡早承載參與工作。若采用的是鋼支撐又不必拆除，或無臨時支撐時，亦應盡早施作永久性混凝土襯砌，防止坑道壁裸露時間過長，風化侵蝕圍巖，強度降低，產生過大變形等。

（三）新奧法基本施工方法

在選擇隧道施工方法時，主要根據工程地質及水文地質條件、施工條件、圍巖級別、隧道埋置深度、隧道斷面尺寸和長度、襯砌類型，以施工安全為前提，以工程質量為核心，并結合隧道的使用功能，施工技術水平、施工機械裝備、工期要求和經濟可行性等因素綜合考慮研究選用。

當隧道施工對周圍環境產生不利影響時，亦應把隧道工程的環境條件作為選擇施工方法的因素之一，同時應考慮圍巖變化時施工方法的適應性及其變更的可能性，以免造成隧道工程失誤和增加不必要的工程投資。采用新奧法施工時，還應考慮施工全過程中的輔助作業方式和對圍巖變化的量測監控方法，以及隧道穿越特殊地質地段時的施工手段等，進行合理的選擇。

隧道工程采用新奧法施工時，常用的方法有全斷面法、臺階法和分部開挖法三大類。

四、新奧法施工中的監控量測

量測是對圍巖動態監控的重要手段，是新奧法施工的重要組成部分，新奧法的量測工作可分為施工前和施工中兩個階段。施工前的量測是指通過地質調查、取樣試驗、現場實驗等手段，取得隧道通過地段的地質構造及圍巖的物理力學指標。施工中量測是新奧法量測工作中的重點，其目的如下：

（1）通過量測，掌握圍巖在施工中的動態，控制圍巖變形。

（2）了解支護結構的效果，及時采取措施，做到安全施工。

（3）在對量測數據進行分析處理與必要的計算后，進行下一階段的施工預測；對原設計和施工的合理性進行評估和信息反饋，以確保施工安全和隧道的穩定。

（4）將已有工程的量測結果應用到其他類似的工程中，作為今后設計和施工的依據。

量測項目分為必測項目和選測項目。必測項目有洞內狀態觀察、拱頂下沉量測、凈空變形量測。此三項對各級圍巖均屬必測項目。對于覆蓋層較薄的土砂圍巖，地表下沉量測也是必測項目。選測項目主要包括圍巖內變位、錨桿軸向力、噴混凝土層內的應力及圍巖壓力等。此類量測難度較大，除有特殊量測要求外，一般不進行。

（一）洞內狀態觀察

此項工作主要是以肉眼對開挖地段和支護地段進行觀察，并做好記錄，依此來直接判斷圍巖、隧道的穩定性和支護結構參數的合理性。觀察中，如發現異常現象，要詳細記錄其時間、地點，并采取相應的措施，確保施工安全。

1.未支護地段的觀察內容

（1）圍巖級別及分布狀態，節理裂隙發育程度和方向性，裂隙內填充物的性質和狀態等。

（2）施工面的穩定狀態，頂部有無剝落現象等。

（3）是否有涌水，水量大小、位置、壓力等。

2.已支護地段的觀察內容

（1）有無錨桿被拉斷或墊板陷入圍巖內部的現象。

（2）噴混凝土是否產生裂隙或剝離，要特別注意噴混凝土是否發生剪切破壞。

（3）鋼拱架有無被壓屈現象。

（4）是否有底鼓現象。

（5）錨桿注漿質量和噴混凝土施工質量是否達到施工規定的要求。

（二）地面下沉量測

位于軟弱破碎的Ⅵ～Ⅴ級圍巖中的隧道，特別是其覆蓋層較薄時，在隧道開挖后，圍巖的應力、位移等變化，在很大程度上均可反映在地表沉陷上。因此，根據地表沉陷量測結果（擾動范圍、最大沉陷量和地表沉陷傾斜程度），可以判斷圍巖的穩定性，以便采取相應的措施。

量測方法是在地表測試范圍內埋設沉陷量測點，用精密水準儀和精密水準尺逐日進行水準測量，測出沉陷量。

（三）拱頂下沉量測

拱頂下沉量測即是測出拱頂的絕對下沉量。

拱頂下沉量測可用精密水準測量儀配合拱頂位移計進行。

當隧道埋深較淺時，可在洞外布點，即從地表垂直鉆孔，埋設位移計布設測點；當隧道埋深較深時，則在隧道開挖后的洞內拱頂布點。原則上測點應設在拱頂的中心點，如因風管妨礙測量工作時，也可將測點設于拱頂中心點之外。

拱頂下沉量測與凈空變形量測原則上應設置在同一斷面，其量測的間距一般為：Ⅱ級圍巖150m，Ⅲ級圍巖100m，Ⅳ級圍巖50m，Ⅴ～Ⅵ級圍巖20m。洞口附近及施工初期的測點間距應適當縮短，一般為10～20m。

根據量測資料繪制以下曲線：

（1）下沉量隨時間變化曲線。

（2）下沉速度隨時間變化曲線。

（3）下沉量與開挖面距離關系曲線。

（四）凈空變形量測

凈空變形量測即測出隧道周邊相對方向兩個固定點連線上的相對位移值。它是判斷圍巖動態最直觀和最重要的量測信息。

凈空變形一般采用隧道凈空變化測定計（也稱收斂計）進行量測。凈空變形量測的測線布置，應根據圍巖情況擬定，即圍巖越好，測線越少；施工分部越多，測線越多。

根據量測數據繪制以下曲線：

（1）位移量隨時間變化曲線。

（2）位移速度隨時間變化曲線。

（3）位移量與開挖面距離關系曲線。

以上量測項目為新奧法量測技術中最為重要的量測內容，除此之外，還有圍巖內部位移、內部應力、噴混凝土層內的應力等量測，這些項目量測方法復雜，除特殊需要外，一般不進行。