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隧道施工方法-新奧法介紹
新奧法是在利用圍巖本身所具有的承載效能的前提下,采用毫秒爆破和光面爆破技術(shù),進行全斷面開挖施工,并以形成復(fù)合式內(nèi)外兩層襯砌來修建隧道的洞身,即以噴混凝錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼支撐等為外層支護形式,稱為初次柔性支護,系在洞身開挖之后必須立即進行的支護工作。蘊藏在山體中的地應(yīng)力由于開挖成洞而產(chǎn)生再分配,隧道空間靠洞效應(yīng)而得以保持穩(wěn)定,也就是說,承載地應(yīng)力的主要是圍巖體本身,而采用初次噴錨柔性支護的作用,是使圍巖體自身的承載能力得到最大限度的發(fā)揮,第二次襯砌主要是起全儲備和裝飾美化作用。
新奧法是以噴射混凝土、錨桿支護為主要支護手段,因錨桿噴射混凝土支護能夠形成性薄層,與圍巖緊密黏結(jié)的可縮性支護結(jié)構(gòu),允許圍巖有一定的協(xié)調(diào)變形,而不使支護結(jié)構(gòu)承受過大的壓力。新奧法的適用性很廣,中國已在亞黏土和黃土隧道施工中取得成功,其適用范圍有:①具有較長自穩(wěn)時間的中等巖體;②弱膠結(jié)的砂和石礫以及不穩(wěn)定的巖;③強風化的巖石;④剛塑性的黏土質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r;⑤堅硬黏土,也有帶堅硬夾的黏土;⑥微裂隙的,但很少黏土的巖體;⑦在很高的初應(yīng)力場條件下,堅硬的和可變硬的巖石。
并不是所有的地質(zhì)情況適合用新奧法,如果遇到下列地質(zhì)情況,在使用新奧法施工時候,必須與一些輔助方法相配合:①圍巖大量涌水,并產(chǎn)生流砂現(xiàn)象的地質(zhì)情況;膨脹性巖體(要與仰拱與底部錨桿相配合);③在一些松散巖體中,圍巖破碎使錨桿鉆孔和插入都極為困難的場合,需要鋼背板與之配合;④在蠕動性巖體中,開挖面圍巖不能自穩(wěn),要與凍結(jié)法或預(yù)加固法等配合。
一、施工前量測
用新奧法施工的絕大多數(shù)工程均采用各種臺階法進行開挖,其次是采用全斷面法。新奧法要求保證光面爆破的質(zhì)量,避免斷面凹凸不平而引起應(yīng)力集中和減少超挖,從而節(jié)約為填平表面所需的大量混凝土。因此,新奧法的施工作業(yè)必須根據(jù)事前的調(diào)查解決下列4個問題:①開挖方法;②支護布置及進行支護的最適宜時機;③是否設(shè)置仰拱及設(shè)置的時間和方法;④是否采用輔助施工方法及其種類等。為保證施工的順利進行,施工前的量測十分重要。在制定現(xiàn)場量測計劃時,要根據(jù)隧道及地下工程的規(guī)模、地質(zhì)資料、各量測項目的作用,并考慮工點所需解決的問題和量測計劃的經(jīng)濟效益,選擇合理的量測項目和方法。同時還必須考慮采用切實可靠的量測手段儀表,保證量測工作準確安全,并盡可能不妨礙施工。
二、施工主要原則
新奧法施工。必須遵守幾個原則,減少人為因素引起的隧道施工災(zāi)害,以保證施工安全:①充分保護圍巖,減少對圍巖的擾動;②充分發(fā)揮圍巖的自承能力;③盡快使支護結(jié)構(gòu)閉合;④加強監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。新奧法施工原則可扼要地概括為“短進尺、弱爆破、緊封閉、早噴錨、勤量測”。因為隧道的主要承載部分是圍巖,支護結(jié)構(gòu)起到發(fā)揮和保護圍巖承載能力的作用。在靜力學理論中,隧道的結(jié)構(gòu)可視為巖體承載環(huán)和支護襯砌組成的圓筒結(jié)構(gòu),承載環(huán)的閉合起到了關(guān)鍵作用,因此圍巖和襯砌的整體化應(yīng)在初期襯砌中及早完成,保證襯砌環(huán)的穩(wěn)定與完整。從應(yīng)力場的分布來考慮,全斷面掘進是比較理想的開挖方式。因此,施工方式歸根結(jié)底要把握一個出發(fā)點,那就是保護,調(diào)動和發(fā)揮圍巖的自承能力,在此基礎(chǔ)上視工程實際條件靈活地選擇施工及輔助手段。
三、施工基本要點
(1)洞室開挖后,應(yīng)使圍巖自身承擔主要的支護作用,而襯砌只是對圍巖進行加固,專的自承能力。如及時噴混凝土封閉巖壁,就能有效地防止圍巖松弛,而不使其強度大幅度降低,同時也不存在因頂替支撐而使圍巖變形松弛。總之應(yīng)使圍巖經(jīng)常處于三軸應(yīng)力約束狀態(tài),最為理想。
(2)預(yù)計圍巖有較大變形和松弛時,應(yīng)對開挖面施作保護層,而且應(yīng)在恰當?shù)臅r候敷設(shè),過早或過遲均不利。其剛度不能太大或太小,必須能與圍巖密貼,需要做成柔性薄層,允許有一定變形,以使圍巖釋放應(yīng)力時能起到卸載作用,盡量不使其有彎矩破壞的可能。這種支護和傳統(tǒng)的支護不同,不會因受彎矩而受壓剪作用的破壞。由于混凝土的抗壓和抗剪強度比抗拉和抗彎強度大得多,從而具有更高的承載能力。一次支護的位移收斂后,可在其光滑的表面上敷設(shè)高質(zhì)量的防水層,并修筑為提高安全度的二次支護。前后兩次支護與圍巖之間都只有徑向力作用。
(3)襯砌需要加強的區(qū)段,不一定要增大混凝土的厚度,而要加鋼筋網(wǎng)、鋼支撐和桿,使隧道全長范圍采用大致相同的開挖斷面。此外,因為新奧法不在坑道內(nèi)架設(shè)桿件撐,空間寬敞,從而提高了安全性和作業(yè)效率。
(4)為正確掌握和評價圍巖與支護的時間特性,可在室內(nèi)試驗的同時,在現(xiàn)場進行測。量測內(nèi)容為襯砌內(nèi)的應(yīng)力、圍巖與襯砌間的接觸應(yīng)力以及圍巖的變位,據(jù)以確定圍巖的穩(wěn)定時間、變形速度和圍巖分類等最重要的參數(shù),以便適應(yīng)地質(zhì)情況的變化,及時變更設(shè)計和施工。量測監(jiān)控是新奧法的基本特征,量測的重點是圍巖和支護的力學特征隨時間的變化動態(tài)。襯砌的做法和施作時間是由圍巖變位量測決定的。
(5)隧道支護在力學上可看作厚壁圓筒。它是由圍巖支承環(huán)和襯砌環(huán)組成的結(jié)構(gòu),兩者存在共同作用。圓筒只有在閉合后才能在力學上起到圓筒作用,所以除在堅硬巖層之外,敷設(shè)仰拱使襯砌閉合是特別重要的。圍巖的動態(tài)主要取決于襯砌環(huán)的閉合時間。當上半斷面超前掘進過多時,就相應(yīng)地推遲了它的閉合時間,在隧道縱方向形成懸臂梁的狀而產(chǎn)生大彎曲的不良影響。另外,為防止圍巖破壞的應(yīng)力集中,斷面應(yīng)做到無角隅,最好采用圓形斷面。
(6)圍巖的時間因素還受開挖和襯砌等施工方法的影響,它對結(jié)構(gòu)的安全性起著決定的作用。考慮掘進循環(huán)周期、襯砌中仰拱的閉合時間、拱部導(dǎo)坑的長度以及襯砌強度等變化因素,把圍巖和支護作為一個整體來力求穩(wěn)定。從應(yīng)力場分布角度去考慮。全斷面一欠開挖是最有利的;分部開挖會使應(yīng)力反復(fù)分布而造成圍巖受損。
(7)巖層內(nèi)的滲透水壓力,必須采取排水措施來降低。
新奧法的支護結(jié)構(gòu)至今仍處于經(jīng)驗設(shè)計的階段,它的前提是要科學地進行圍巖分類,并根據(jù)已經(jīng)修建的類似工程的經(jīng)驗,提出支護設(shè)計參數(shù)或標準設(shè)計模式。這種工程類比法考慮了巖體結(jié)構(gòu)、巖塊單軸抗壓強度、弱面特性等工程地質(zhì)性質(zhì)、坑道的跨度以及圍巖穩(wěn)時間等主要因素,需在各種設(shè)計與施工規(guī)程的實施過程中,依據(jù)量測數(shù)據(jù)加以修正。現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)計,一般分成預(yù)先設(shè)計階段和最后設(shè)計階段,后者是根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù),分析比較或計算后,最后提出設(shè)計。理論解析和有限元數(shù)值計算,至今還不能得出充分可靠的結(jié)果,必須由經(jīng)驗和量測加以驗證。
四、缺點
(1)新奧法施工不僅要求有良好的施工組織和管理,也要求技術(shù)人員和測量人員都卜分熟練,沒有這一點就易于發(fā)生錯誤;作業(yè)的質(zhì)量都與每一個人的操作結(jié)果有關(guān)。
(2)開挖暴露出的地質(zhì)體會立即改變其狀態(tài),因此要求施工地質(zhì)人員要親臨現(xiàn)場,以便及時發(fā)現(xiàn)問題。
(3)需要有控制的施工量測,往往給施工帶來不便。
(4)由于干噴射帶來的灰塵以及化學藥品的損害,所以必須加強防護,尤其是對眼的防護,濕噴雖然可以避免此缺點,但在同樣條件下,不如干噴有效。
新奧法是以噴射混凝土、錨桿支護為主要支護手段,因錨桿噴射混凝土支護能夠形成性薄層,與圍巖緊密黏結(jié)的可縮性支護結(jié)構(gòu),允許圍巖有一定的協(xié)調(diào)變形,而不使支護結(jié)構(gòu)承受過大的壓力。新奧法的適用性很廣,中國已在亞黏土和黃土隧道施工中取得成功,其適用范圍有:①具有較長自穩(wěn)時間的中等巖體;②弱膠結(jié)的砂和石礫以及不穩(wěn)定的巖;③強風化的巖石;④剛塑性的黏土質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r;⑤堅硬黏土,也有帶堅硬夾的黏土;⑥微裂隙的,但很少黏土的巖體;⑦在很高的初應(yīng)力場條件下,堅硬的和可變硬的巖石。
并不是所有的地質(zhì)情況適合用新奧法,如果遇到下列地質(zhì)情況,在使用新奧法施工時候,必須與一些輔助方法相配合:①圍巖大量涌水,并產(chǎn)生流砂現(xiàn)象的地質(zhì)情況;膨脹性巖體(要與仰拱與底部錨桿相配合);③在一些松散巖體中,圍巖破碎使錨桿鉆孔和插入都極為困難的場合,需要鋼背板與之配合;④在蠕動性巖體中,開挖面圍巖不能自穩(wěn),要與凍結(jié)法或預(yù)加固法等配合。
一、施工前量測
用新奧法施工的絕大多數(shù)工程均采用各種臺階法進行開挖,其次是采用全斷面法。新奧法要求保證光面爆破的質(zhì)量,避免斷面凹凸不平而引起應(yīng)力集中和減少超挖,從而節(jié)約為填平表面所需的大量混凝土。因此,新奧法的施工作業(yè)必須根據(jù)事前的調(diào)查解決下列4個問題:①開挖方法;②支護布置及進行支護的最適宜時機;③是否設(shè)置仰拱及設(shè)置的時間和方法;④是否采用輔助施工方法及其種類等。為保證施工的順利進行,施工前的量測十分重要。在制定現(xiàn)場量測計劃時,要根據(jù)隧道及地下工程的規(guī)模、地質(zhì)資料、各量測項目的作用,并考慮工點所需解決的問題和量測計劃的經(jīng)濟效益,選擇合理的量測項目和方法。同時還必須考慮采用切實可靠的量測手段儀表,保證量測工作準確安全,并盡可能不妨礙施工。
二、施工主要原則
新奧法施工。必須遵守幾個原則,減少人為因素引起的隧道施工災(zāi)害,以保證施工安全:①充分保護圍巖,減少對圍巖的擾動;②充分發(fā)揮圍巖的自承能力;③盡快使支護結(jié)構(gòu)閉合;④加強監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。新奧法施工原則可扼要地概括為“短進尺、弱爆破、緊封閉、早噴錨、勤量測”。因為隧道的主要承載部分是圍巖,支護結(jié)構(gòu)起到發(fā)揮和保護圍巖承載能力的作用。在靜力學理論中,隧道的結(jié)構(gòu)可視為巖體承載環(huán)和支護襯砌組成的圓筒結(jié)構(gòu),承載環(huán)的閉合起到了關(guān)鍵作用,因此圍巖和襯砌的整體化應(yīng)在初期襯砌中及早完成,保證襯砌環(huán)的穩(wěn)定與完整。從應(yīng)力場的分布來考慮,全斷面掘進是比較理想的開挖方式。因此,施工方式歸根結(jié)底要把握一個出發(fā)點,那就是保護,調(diào)動和發(fā)揮圍巖的自承能力,在此基礎(chǔ)上視工程實際條件靈活地選擇施工及輔助手段。
三、施工基本要點
(1)洞室開挖后,應(yīng)使圍巖自身承擔主要的支護作用,而襯砌只是對圍巖進行加固,專的自承能力。如及時噴混凝土封閉巖壁,就能有效地防止圍巖松弛,而不使其強度大幅度降低,同時也不存在因頂替支撐而使圍巖變形松弛。總之應(yīng)使圍巖經(jīng)常處于三軸應(yīng)力約束狀態(tài),最為理想。
(2)預(yù)計圍巖有較大變形和松弛時,應(yīng)對開挖面施作保護層,而且應(yīng)在恰當?shù)臅r候敷設(shè),過早或過遲均不利。其剛度不能太大或太小,必須能與圍巖密貼,需要做成柔性薄層,允許有一定變形,以使圍巖釋放應(yīng)力時能起到卸載作用,盡量不使其有彎矩破壞的可能。這種支護和傳統(tǒng)的支護不同,不會因受彎矩而受壓剪作用的破壞。由于混凝土的抗壓和抗剪強度比抗拉和抗彎強度大得多,從而具有更高的承載能力。一次支護的位移收斂后,可在其光滑的表面上敷設(shè)高質(zhì)量的防水層,并修筑為提高安全度的二次支護。前后兩次支護與圍巖之間都只有徑向力作用。
(3)襯砌需要加強的區(qū)段,不一定要增大混凝土的厚度,而要加鋼筋網(wǎng)、鋼支撐和桿,使隧道全長范圍采用大致相同的開挖斷面。此外,因為新奧法不在坑道內(nèi)架設(shè)桿件撐,空間寬敞,從而提高了安全性和作業(yè)效率。
(4)為正確掌握和評價圍巖與支護的時間特性,可在室內(nèi)試驗的同時,在現(xiàn)場進行測。量測內(nèi)容為襯砌內(nèi)的應(yīng)力、圍巖與襯砌間的接觸應(yīng)力以及圍巖的變位,據(jù)以確定圍巖的穩(wěn)定時間、變形速度和圍巖分類等最重要的參數(shù),以便適應(yīng)地質(zhì)情況的變化,及時變更設(shè)計和施工。量測監(jiān)控是新奧法的基本特征,量測的重點是圍巖和支護的力學特征隨時間的變化動態(tài)。襯砌的做法和施作時間是由圍巖變位量測決定的。
(5)隧道支護在力學上可看作厚壁圓筒。它是由圍巖支承環(huán)和襯砌環(huán)組成的結(jié)構(gòu),兩者存在共同作用。圓筒只有在閉合后才能在力學上起到圓筒作用,所以除在堅硬巖層之外,敷設(shè)仰拱使襯砌閉合是特別重要的。圍巖的動態(tài)主要取決于襯砌環(huán)的閉合時間。當上半斷面超前掘進過多時,就相應(yīng)地推遲了它的閉合時間,在隧道縱方向形成懸臂梁的狀而產(chǎn)生大彎曲的不良影響。另外,為防止圍巖破壞的應(yīng)力集中,斷面應(yīng)做到無角隅,最好采用圓形斷面。
(6)圍巖的時間因素還受開挖和襯砌等施工方法的影響,它對結(jié)構(gòu)的安全性起著決定的作用。考慮掘進循環(huán)周期、襯砌中仰拱的閉合時間、拱部導(dǎo)坑的長度以及襯砌強度等變化因素,把圍巖和支護作為一個整體來力求穩(wěn)定。從應(yīng)力場分布角度去考慮。全斷面一欠開挖是最有利的;分部開挖會使應(yīng)力反復(fù)分布而造成圍巖受損。
(7)巖層內(nèi)的滲透水壓力,必須采取排水措施來降低。
新奧法的支護結(jié)構(gòu)至今仍處于經(jīng)驗設(shè)計的階段,它的前提是要科學地進行圍巖分類,并根據(jù)已經(jīng)修建的類似工程的經(jīng)驗,提出支護設(shè)計參數(shù)或標準設(shè)計模式。這種工程類比法考慮了巖體結(jié)構(gòu)、巖塊單軸抗壓強度、弱面特性等工程地質(zhì)性質(zhì)、坑道的跨度以及圍巖穩(wěn)時間等主要因素,需在各種設(shè)計與施工規(guī)程的實施過程中,依據(jù)量測數(shù)據(jù)加以修正。現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)計,一般分成預(yù)先設(shè)計階段和最后設(shè)計階段,后者是根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù),分析比較或計算后,最后提出設(shè)計。理論解析和有限元數(shù)值計算,至今還不能得出充分可靠的結(jié)果,必須由經(jīng)驗和量測加以驗證。
四、缺點
(1)新奧法施工不僅要求有良好的施工組織和管理,也要求技術(shù)人員和測量人員都卜分熟練,沒有這一點就易于發(fā)生錯誤;作業(yè)的質(zhì)量都與每一個人的操作結(jié)果有關(guān)。
(2)開挖暴露出的地質(zhì)體會立即改變其狀態(tài),因此要求施工地質(zhì)人員要親臨現(xiàn)場,以便及時發(fā)現(xiàn)問題。
(3)需要有控制的施工量測,往往給施工帶來不便。
(4)由于干噴射帶來的灰塵以及化學藥品的損害,所以必須加強防護,尤其是對眼的防護,濕噴雖然可以避免此缺點,但在同樣條件下,不如干噴有效。
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