隧道施工中新奥法的研究与运用

       首先，阐述了新奥法的历史发展进程；其次，探讨了新奥法的基本原理以及施工中应注意的要点；最后，提出了新奥法在具体施工中遇到的一些问题和解决该问题的意见。1 新奥法的历史与发展
       新奥法主要创始人L·V·拉布采维茨在1934年就试图将喷浆方法用于地下工程。他在1942～1945年建造的洛伊布尔隧道中采用了双层薄衬砌，即先喷一层混凝土，待变形收敛后再喷一层。1944年，他发表了有关喷混凝土的论文，并指出了围岩动态随时间变化的重要性。1948年，又指出了量测工作的重要性。1948～1953年喷混凝土在奥地利首次用于卡普伦水力发电站的默尔隧洞。最早在欧洲推广使用锚杆的是1951～1953年建造的伊泽尔-阿尔克电站的有压输水隧洞。1953～1955年修建普鲁茨-伊姆斯特电站的有压输水隧洞时，按照拉布采维茨的建议，充分采用锚杆而获得成功。1957～1965年是着手发展新奥法的时期。拉布采维茨于1963年将这一方法正式命名为新奥地利隧道施工法。1964～1969年又提出了在岩石压力下隧道稳定性的理论分析，强调采用薄层支护，并及时修筑仰拱以闭合衬砌的重要性。根据实验证实，衬砌应按剪切破坏进行设计计算。奥地利的马森贝格道路隧道由于地质不良，用比国法失败后，改用新奥法使闭合隧道衬砌环的经验取得成功，并在1971年及1974年分别用于地压很大的陶恩隧道和阿尔贝格隧道。
        二十世纪七十年代我国引入了新奥法，并得到了迅速推广，取得了良好的技术经济效果。无论在硬岩隧道还是在软岩（土）隧道中，应用新奥法都有不少的成功实例，并积累了不少经验，制定了众多的“规程”或“标准”，但是我国应用新奥法也存在发展不平衡的问题，需要充分的了解隧道开挖过程中地层发生的变化，采取相应的加固方法和相应的支护措施，达到安全、经济的目的，这才是新奥法的精神实质。世界各地有足够多的成功实例证明，只要针对地层采用适当的施工方法，并采取正确的监测手段和实行严格的管理和纪律，新奥法才是安全的、有效的、经济的。
        2 新奥法的基本原理与要点
        新奥法的核心及基本原理可归纳为以下三个方面：
        （1）支护要充分发挥围岩的承载能力。新奥法根据现代岩石力学支护围岩共同作用原理，明确指出围岩是承载的主体，初次支护和最终衬砌的目的，是为了保证和调动围岩的强度，帮助围岩实现自撑，使隧道尽快形成一个能自撑的土壤或岩石承载环。围岩一旦风化松动，岩体强度会大幅度降低，要发挥围岩的承载能力，首先一点就是尽可能不损害围岩原有的强度。贯用的木支架和钢拱支架不能避免围岩出现松动，采用喷混凝土或锚喷支护封闭围岩壁面可以防止围岩风化和松动，减少围岩强度的降低。因此，喷锚或锚喷支护是新奥法的重要特征。从力学角度讲，新奥法构筑的隧道可以认为是由围岩支承环与一次被覆、二次被覆构成的厚壁圆筒。支承环厚壁圆筒只有在全圆周上没有任何缝隙时才能起到圆筒的作用，形成闭合环非常重要。围岩的工作特性取决于衬砌的封闭时间，因此，除非确认底板围岩是非常坚硬而无需设置底拱外，一般都要设仰拱，并且在施工过程中要尽快对底板进行支护以形成闭合环。（2）建立二次支护概念。巷道开挖初期的应力调整过程中，围岩变形量大、速度快。为适应这一特点，新奥法要求支护既能抑制围岩变形、防止围岩开裂松动，又要具有一定的可缩性，允许围岩适度变形，只有这样才能最大限度地减少支护受力，充分发挥围岩的支承能力。锚杆支护是一种可缩性支护，但是喷层、混凝土衬砌却是刚度较大的脆性支护；喷层厚度大则刚度大，在变形压力作用下很快就会破坏。为提高喷层和衬砌的柔性，初次支护要采用厚度较薄的薄壁结构，以减少弯矩，提高其变形适应能力。当初次支护强度需要增强时，可以使用锚杆、钢筋网及钢拱架，而不是增加喷层或衬砌的厚度。初次支护在于有控制地允许围岩变形，充分发挥围岩的支护能力，以较低的成本获得较好的支护效果。二次支护的作用是提高支护的安全度，根据新奥法原则，二次支护也应采用薄壁结构，当围岩变形稳定后适时地完成。（3）建立隧道施工量测体系。新奥法强调在隧道施工过程中进行系统的现场监测工作，以掌握围岩活动规律和巷道安全程度。新奥法的初次支护参数设计，是在岩石力学基本理论基础之上，按照围岩分类及工程类比方法确定的，只有通过现场实测，才能对设计参数进行进一步的优化，达到最佳支护效果。因此，量测工作是评价初次支护是否合理、施工方法与工艺是否正确、围岩状态是否稳定和确定二次支护时机的科学依据。监测工作伴随着巷道施工的全过程，量测工作的好坏，是按新奥法施工能否成功的重要前提。
        3 新奥法的运用
        新奥法讲的是一个具体应用岩体动态性质的、比较完整的力学概念。它包含的内容相当宽泛，也极为深入。新奥法要求它的使用者既要有丰富的工程实践经验，又要有扎实的岩土力学理论知识。因而也导致了人们对新奥法的认识和理解上的分歧。尤其是工程现场上人们运用新奥法的水平差异很大，带来的结果也大不一样，有的还造成了惨痛的失败和教训。以至于有人一度对新奥法的工程原理和使用价值产生疑虑。以下将概要指出新奥法在现场运用中常见的一些问题及自己的一些观点，希望能引起大家重视。
        （1）所采用的施工方法及施工顺序违背新奥法的力学原理，形成了安全隐患，以至发展为坍塌事故。如在软弱、破碎及含水量较大的地层中采用长台阶法进行开挖施工，就会造成隧道起拱线以下的边墙部位应力变化过大、围岩物理力学性质恶化而失稳。而且没有临时仰拱措施的长台阶法施工难以实现及早封闭成环的原则要求。近些年来屡次发生的隧道“关门塌方”多数由于这种原因形成。在新奥法指定的工程原则下，可采用的施工方法、施工顺序和工程参数有多种可能，应充分考虑具体条件及其变化趋势，做出较为合理的选择，并在实施中加以修正和补充。（2）监测系统不完善使得信息要素缺失，新奥法在实际运用中遇到困难。原本量测数据的采集、处理和分析就是新奥法的重点和难点，也是新奥法需要继续深入发展的重要方面之一。目前大多数施工现场监测数据以位移（A类）为主，应力、应变（B类）为辅，通过定量分析求知两类变量的关系。实际上用的最多的收敛位移值是相对值，然而用于判断围岩和支护稳定程度的应该是位移、形变或应力的绝对值。在同一隧道断面中，当各部分围岩的岩性和产状差异较大时，常规的分析判断结果会出现较大的差误，须要增加另外的检测手段进行对照和修正。如果现场监测只有数据采集而没有处理、分析，也没有信息传递及反馈，那么所谓的“新奥法”则有其名，而无其实，工程实施若盲人瞎马处于十分危险的境地。（3）施工管理水平和操作人员素质距离新奥法的技术组织要求相差太远，施工流程和质量指标难以达到规定，使得新奥法在实行中大打折扣。譬如，在软弱、破碎的地层中施工。不按照“喷-锚一网一支一喷”的标准程序走，而是省却工序，边挖边支，最后再喷。结果形成开挖面较长时间地裸露，临空面围岩出现较大的松弛和变形，自稳能力有了不同程度地下降；更为恶劣的情形是在支撑背后超挖空洞里填塞石块和杂物，以喷射混凝土覆盖之；还有支撑接头连接强度不足、轴线偏离超标的情形等。这些不规范、不道德的操作行为降低了围岩和支护的设计承载能力，埋下了严重的质量隐患，并危机施工安全，甚至造成隧道坍塌。所以，提高施工管理水平和加强施工人员的技术培训也应该是施行新奥法的重要环节。