新奥法的基本原理.pdf

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地层和衬砌的应变与稳定性并存是十分必:..在施工中如果发现设计有问题需停止施工,则很难实现“全过程进行监督”的设计。“全过程进行监督的设计”的定义是在详细设计之后不再需要进一步修改的设计。施工中可能进行修改是观察方法的基本要求,也就是说,施工中靠观察方法对设计进行必要的调整,而且与风险和这种探索有关,需进行管理。最大概率和最大不利(MU)条件的概念普遍使用这种方法。虽然如此,不论设计是按照潘克斯的建议,或某些其他根据,都取决于风险水平和破坏后果。工程设计程序从应用新奥法施工的许多隧道工程中明显看出(假设管理程序是合理的),如果在正确的理论指导和合理的范围使用,就能非常成功。这要根据工程设计程序看。工程设计程序一般分初步设计、技术设计和施工三个阶段。这三个阶段的划分适用于所有隧道工程而不论这些工程是否采用新奥法(附图)。这就提出了一个切合实际的框架,包括新奥法,并承认有些设计并不是新奥法或相似方法,而且也不需要在可能变动的施工中互相制约的设计方法。:..工程设计程序方框图重点有两种密切相关的管理程序,包括设计和风险。区分这种差别十分重要,以便把新奥法作为一种设计方法来理解。例如,从设计观点看,不能将新奥法同大多数设计方法对比,因为它们不是同等的。在这个意义上,只有拉布希威兹和高鲁萨的半经验选定隧道断面尺寸才能提供某些对比。根据分析,能很方便地进行快速、简单的收敛封闭计算,预测有支护和无支护的变形量。可以做冯耐尔-潘切尔式图解来帮助评价最适合这种条件的支护方法。这阶段准备的设计大纲能有助于采取这种分析,或根据过去的实例提出可供预想地层条件使用的一种岩石支护。这些能直接用于施工,或在设计阶段进行更系统的分析。如果用设计大纲直接指导施工,就代表高风险策略。这种方法能否归于新奥法,更多地取决于设计人员的经验和偏爱。在风险管理方面,弄明确将确定最佳的设计和施工方法的危险是很重要的,这要取决于鉴定复杂的地层条件和选择与这种评价协调的设计和施工方法。这一程序必然会导致决定风险水平是否需要一种全过程进行监督的设计,或者是否能使用观测的方法。合理的支护系统和观测的方法结合符合作为一种方法的新奥法的要求。只要和新奥法的基本原理一致,不论使用那一种方法,在这一点上都不能加以限制。经验的、分析的(包括拉布希威兹和高鲁萨半经验地选定隧道断面尺寸)、或数值的、或这三者的任意结合,都是可以接受的。对于一般质量好的岩石,经验法是可接受的。对于复杂的岩石条件,总是需要更严密地考虑地层-支护的相互作用。这是经验法的一大缺点。施工中适当地反应地层条件需要了解支护地层的岩石力学性质,这方面的知识要靠培训和大量的施工经验积累获得。英国施工和设计管理(CDM)细则规定,设计人员进行风险评估是一项法定程序。看来,新奥法的文章很少谈到这一点;而在使用观测的方法时,安全仍是其关心的问题之一。某些大断面隧道坍塌的事例表明,不仅在施工阶段,而且在初步设计和技术设计阶段同样需要作出切合实际的决定。英国希思罗快车隧道坍塌事故导致健康安全执行委员会提出对新奥法作为一种方法进行综合考察。得出的结论是新奥法是隧道设计和施工的一种可以接受的方法,只要开发的管理和控制程序能和风险水平一致。合理的控制程序包括估计:..如果监测结果表明可能有问题的话,需确定临时加固措施予以补救。任何施工方法都能用观测法提出与新奥法基本原理一致的有关结果。当评价所选择的方法时,必需了解能允许有效应力再分配的隧道开挖断面的几何形状,最大可能范围维持岩体强度或者在自稳时间短的地方完全支护地层的支护系统。这就要求工程师们到达现场,他们应弄清新奥法的基本原理,而且能把这些原理应用到有关的施工技术中。对于新奥法来说,这是基本的,也是其成功的一个主要原因。与有关分析相比,更需要了解施工关键阶段的反应。如附图所示,观测法需要在该系统中形成回路,允许不断地重新计算参数供设计采用,并在施工中监测、反馈后,在“所需要的”基础上调整设计。如果只考虑这一程序,潘克就能概括出标准,或任何类似的符合新奥法的标准。这是维护其自身权益的一项主要研究。虽然如此,如果一条运行隧道是用盾构或全断面隧道掘进机施工,或以钢筋混凝土预制弧板作永久支护,则没有回路返回到设计阶段,只在检验性能时进行有关监测。施工过程中的管理程序目前已有了很好的文件,这是对隧道工程的一大贡献,它将符合象新奥法一类的方法。但必须考虑到风险管理是设计程序的补充,在任何重大工程项目上,都是一般管理和控制程序的组成部分。(24)新奥法的研发与特点新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹()教授于50年代提出的,它是以隧道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,经过一些国家的许多实践和理论研究,于60年代取得专利权并正式命名。之后这个方法在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速发展,已成为现代隧道工程新技术标志之一。六十年代NATM被介绍到我国,七十年代末八十年代初得到迅速发展。至今,。1新奥法施工特点:,可以最大限度地紧跟开挖作业面施工,因此可以利用开挖施工面的时空效应,以限制支护前的变形发展,:..混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。在巷道爆破后立即施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展,并控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载,增强了岩层的稳定性。,而且是全面密粘的支护,因此能及时有效地防止因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落,制止膨胀岩体的潮解和膨胀,保护原有岩体强度。巷道开挖后,围岩由于爆破作用产生新的裂缝,加上原有地质构造上的裂缝,随时都有可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面,很好的充填围岩的裂隙,节理和凹穴,大大提高了围岩的强度。(提高围岩的粘聚力C和内摩擦角)。同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用,隔绝了水和空气同岩层的接触,使裂隙充填物不致软化、解体而使裂隙张开,导致围岩失去稳定。,这种粘结作用可以产生三种作用:①联锁作用,即将被裂隙分割的岩块粘结在一起若围岩的某块危岩活石发生滑移坠落,则引起临近岩块的联锁反应,相继丧失稳定,从而造成较大范围的冒顶或片帮。开巷后如能及时进行喷锚支护,喷锚支护的粘结力和抗剪强度是可以抵抗围岩的局部破坏,防止个别威岩活石滑移和坠落,从而保持围岩的稳定性。②复和作用,即围岩与支护构成一个复合体(受力体系)共同支护围岩。喷锚支护可以提高围岩的稳定性和自身的支撑能力,同时与围岩形成了一个共同工作的力学系统,具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用,从根本上改变了支架消极承担的弱点。③增加作用。开巷后及时继进行喷锚支护,一方面将围岩表面的凹凸不平处填平,消除因岩面不评引起的应力集中现象,避免过大的应力集中所造成的围岩破坏;另一方面,使巷道周边围岩由双方向受力状态,提高了围岩的粘结力C和内摩擦角,也就是提高了围岩的强度。,能够和围岩紧粘在一起共同作用,由于喷锚支护具有一定柔性,可以和围岩共同产生变形,在围岩中形成一定范围的非弹性变形区,并能有效控制允许围岩塑性区有适度的发展,使围岩的自承能力得以充分发挥。另一方面,喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩,对围岩产生越来越大的支护反力,能够抑制围岩产生过大变形,防止围岩发生松动破坏。2新奥法理论要点及施工要点::..:传统方法认为巷道围岩是一种荷载,应用厚壁混凝土加以支护松动围岩。而新奥法认为围岩是一种承载机构,构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构(以喷射混凝土、锚杆为主要手段)并使围岩与支护结构共同形成支撑环,来承受压力,并最大限度地保持围岩稳定,而不致松动破坏。新奥法将围岩视为巷道承载构件的一部分,因此,施工时应尽可能全断面掘进,以减少巷道周边围岩应力的扰动,并采用光面爆破、微差爆破等措施。减少对围岩的震动,以保全其整体性。同时注意巷道表面尽可能平滑,避免局部应力集中。新奥法将锚杆、喷射混凝土适当进行组合,形成比较薄的衬砌层,即用锚杆和喷射混凝土来支护围岩,使喷射层与围岩紧密结合,形成围岩-支护系统,保持两者的共同变形,故而可以最大限度地利用围岩本身的承载力。:构筑防水层、围岩巷道排水;选择合理的断面形状尺寸;给支护留变形余量;开巷后及时做好支护、封闭围岩等,都是为保护巷道围岩的自身承载能力,使围岩的扰动影响控制在最小范围内,并加固围岩,提高围筵强度。使其与人工支护结构共同承受巷道压力。,以利于发挥围岩的固有强度。同时巷道的支护结构,也应具有预定的可缩量,以缓和巷道压力。围岩的变形是控制在一定范围内的,必须避免围岩变形过大,从而导致围岩强度的削弱以致引起垮落、失稳。支护结构具有一定的变形量,允许巷道围岩产生一定的变形,以缓和来自巷道的巨大压力,更进一步减轻支护荷载。,施工条件的复杂性,以及对工程设计参数的精确要求,得要通过许多量测手段,在施工过程中对围岩动态和支护结构工作状态和支护结构工作状态进行监测。并用监测结果修改初步设计,指导施工。量测的结果可以作为施工现场分析参数和修改设计的依据,因而能够预见事故和险情,以便及时采取措施,防患于未然提到施工的安全程度。由上所述,新奥法的支护原则是:围岩不仅是载物体,而且是承载结构;围岩承载圈和支护体组成巷道的统一体,是一个力学体系;巷道的开挖和支护都是为保持改善与提高围岩的自身支撑能力服务。3新奥法的主要支护手段与施工顺序: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柔性薄层,与围岩紧密粘结的可缩性支护结构,允许围岩又一定的协调变形,而不使支护结构承受过大的压力。:..施工顺序可以概括为:开挖→一次支护→二次支护。:钻孔、装药、爆破、通风、出渣等。开挖作业与一次支护作业同时交叉进行,为保护围岩的自身支撑能力,第一次支护工作应尽快进行。为了冲分利用围岩的自身支撑能力开挖应采用灌面爆破(控制爆破)或机械开挖,并尽量采用全断面开挖,地质条件较差时可以采用分块多次开挖。一次开挖长度应根据岩质条件和开挖方式确定。岩质条件好时,长度可大一些,岩质条件差时长度可小一些,在同等岩质条件下,分块多次开挖长度可大一些,全断面开挖长度就要小一些。一般在中硬岩中长度约为2-,-。:一次喷射混凝土、打锚杆、联网、立钢拱架、复喷混凝土在巷道开挖后,应尽快地喷一层薄层混凝土(3-5mm),为争取时间在较松散的围岩掘进中第一次支护作业是在开挖的渣堆上进行的,待把未被渣堆覆盖的开挖面的一次喷射混凝土完成后再出渣。按一定系统布置锚杆,加固深度围岩,在围岩内形成承载拱,由喷层、锚杆及岩面承载拱构成外拱,起临时支护作用,同时又是永久支护的一部分。复喷后应达到设计厚度(一般为10-15mm),并要求将锚杆、金属网、钢拱架等覆裹在喷射混凝土内。完成第一次支护的时间非常重要,一般情况应在开挖后围岩自稳时间的二分之一时间内完成。目前的施工经验是松散围岩应在爆破后三小时内完成,主要由施工条件决定。在地质条件非常差的破碎带或膨胀性地层(如风华花岗岩)中开挖巷道,为了延长围岩的自稳时间,为了给一次支护争取时间,安全的作业,需要在开挖工作面的前方围岩进行超前支护(预支护),然后再开挖。在安装锚杆的同时,在围岩和支护中埋设仪器或测点,进行围岩位移和应力的现场测量:依据测量得到的信息来了解围岩的动态,以及支护抗力与围岩的相适应程度。一次支护后,在围岩变形趋于稳定时,进行第二次支护和封底,即永久性的支护(或是补喷射混凝土,或是浇注混凝土内拱),起到提高安全度和整个支护承载能力增强的作用,而此支护时机可以由监测结果得到。对于底板不稳,底鼓变形严重,必然牵动侧墙及顶部支护不稳,所以应尽快封底,形成封闭式的支护,以谋求围岩的稳定。4新奥法适用范围: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砾岩;③强风化的岩石;④刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩;:..⑤坚硬粘土,也有带坚硬夹层的粘土;⑥微裂隙的,但很少粘土的岩体;⑦在很高的初应力场条件下,坚硬的和可变坚硬的岩石;在下述条件下应用新奥法必须与一些辅助方法相配合①有强烈地压显现的岩体;②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,要与钢背板与之配合;④在蠕动性岩体中,要与冻结法或预加固法等配合;在下列场合中应用应慎重①大量涌水的岩体;②由于涌水会产生流砂现象的围岩;③极为破碎,锚杆钻孔、安装都极为困难的岩体;④开挖面完全不能自稳的岩体等。5新奥法的缺点主要有:①实施不仅要求有良好的施工组织和管理,也要求技术人员和量测人员都十分熟练,没有这一点就易于发生错误;作业质量都与每一个人的仔细操作有关。②开挖暴露出的地质会立即|考试大|改变其状态,因此要求施工地质人员要亲临现场,以便发现问题;③用能控制的施工量测,往往给施工带来不便;④干喷射带来的灰尘以及由于易|考试大|受化学药品的损害必须加强防护,尤其是对眼睛的防护,湿喷虽然可以避免此缺点,但在同样条件下,不如干喷那样有效的支护岩体。新奥法施工是从实际经验中总结出来的,又在不断实践经验中得以丰富其内容和进一步发展,新澳法施工在我国推广以来,经过几十年的发展,通过科研、设计、施工三结合,在修建下坑、西坪、大瑶山、军都山等铁路隧道以及中梁山、二郎山、西山坪等多座公路隧道中,应用新奥法远离及其相应的技术,取得了较大的成就。不可否认,新奥法也存在不少缺点,不过经过工程技术人员和科技工作者的共同努力一定可以把新奥法不断完善,在我国的现代化建设进程中发挥更加重要的作用。:..隧道工程的进步建国以来我国隧道工程建设作了回顾,并以秦岭隧道、广州地铁、北京地铁、以及***等重大工程为例,论述了浅埋矿山法、掘进机法、盾构法和沉埋管段法等现代隧道修建方法的运用和技术进步。,我国最长的铁路隧道——位于西安—安康铁路上的秦岭隧道贯通。,很容易想到50年代在宝成铁路上修建的2km长的另一座“秦岭”隧道。不同时期修建的穿越秦岭山脉的两座隧道是中国隧道工程技术进步的最好见证。40年前修建的2km长的秦岭隧道差不多是用人力艰难地修成的。那时,手持式凿岩机和小型矿车几乎是仅有的施工机具。40年后的今天,在西(安)(安),实现了隧道施工机械化。追溯我国现代隧道工程的历史,总要提到1890年在台湾基隆至新竹窄轨铁路上建成的216m长的狮球岭隧道。据说,这是我国最早修建的一条铁路隧道。1908年,由杰出的工程师詹天佑博士主持,在北京至张家口的铁路上用18个月的时间修建了长1091m的八达岭隧道,在中国近代隧道修建史上写下了重要的一页。然而,大规模地修建各种用途的隧道还是从新中国成立开始的。在50年代初,为了避免修建长隧道,常常尽可能地采用迂回展线来克服地形障碍,使线路靠近地表。宝成铁路翻越秦岭的一段线路就是采用短小隧道群迂回展线的一个实例。在这段线路上有34座隧道,最长的秦岭隧道其长度仅为2363