浅谈新奥法在高速公路隧道开挖中的应用

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　　摘要：公路隧道施工方法有明挖法和暗挖法2大类。明挖法是先将地面挖开,在露天情况下修筑隧道结构,然后再覆盖回填。暗挖法是不挖开隧道上面的地层,在地下进行开挖和修筑隧道结构。暗挖法又可分为矿山法、盾构法和隧道掘进机法等。山岭道路隧道一般采用矿山法施工,新奥法是矿山法中的最重要、最常用、最有效的施工方法。下面主要介绍新奥法施工。
　　关键词：公路隧道；新奥法；施工技术
　　1新奥法施工技术问题
　　1. 1新奥法施工顺序
　　1) 当开挖面稳定时,施工顺序是: 开挖→柔性衬砌→施工量测(位移、应力等量测) →防水层→第2次衬砌。
　　2) 当开挖面不稳定时,施工顺序是: 开挖弧形导洞→第1次柔性衬砌(拱) →开挖核心及侧壁→第1次柔性衬砌(边墙) →开挖仰拱部分并修筑仰拱→施工量测(位移、应力等量测) →防水层→第2次衬砌。
　　新奥法广泛适用于具有较长自稳时间的中等岩体;弱胶结的砂和石砾以及不稳定的砾岩;强风化的岩石;刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩;坚硬粘土或带坚硬夹层的粘土层;微裂隙的,但很少粘土的岩体。
　　但是在下列工程条件下应用应慎重: 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。
　　1. 2新奥法理论要点及施工要点
　　新奥法与传统施工方法的区别在于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,以减少对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。同时注意围岩表面尽可能平滑,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。
　　新奥法施工必须保护围岩自身的承载能力,可采取构筑防水层、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、封闭围岩等措施。新奥法也允许围岩由一定量的变形,以利于发挥围岩的固有强度。同时隧道的支护结构,也应具有预定的可缩量,以缓和隧道压力。但是,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,是为了缓和来自隧道的巨大压力,更进一步减轻支护荷载。
　　2公路隧道开挖中常见重点与难点
　　2. 1穿过断层及破碎带的公路隧道施工
　　隧道穿过断层及破碎带,给隧道施工带来不小的困难,在施工中遇到断层及破碎带时,首先要查明断层的倾角,走向、破碎带的宽度,岩石破碎程度,地下水活动等有关条件,据以正确选择施工方法和制定施工措施,认真分析研究设计地质资料,并在掘进齐头左右两侧用钻孔台车或DK― 100型钻机向前钻水平超前探孔,钻透断层破碎带,如断层破碎宽度大,破碎程度及裂隙充填物情况复杂,且有较多地下水时,可在隧道中线一侧或两侧开挖调查导洞,调查导洞穿过断层破碎带的中线与隧道中线平行,线间距不小于20m,调查导洞穿过断层破碎带后,再掘进在一段距离转入正洞,在处理断层破碎带同时,在前方开辟新工作面,加快施工进度。具体应对方法如下。
　　1) 断层宽度较小,岩体组成物为坚硬岩块且挤压紧密,围岩稳定性相对较好,隧道通过这样的断层,可不变施工方法,与前后段落的施工方法一致,避免频繁变更施工方法,影响施工进度,但过断层带要加强初期支护和适当的辅助施工措施渡过断层带。如超前锚杆与径向锚杆配合,加厚喷射砼,并增设钢筋网等措施。必要时可增设格栅架。
　　2) 一般断层破碎带,采用径向锚杆、钢筋网、喷砼、格栅钢架等加强初期支护,并在拱部施作超前小导管周壁预注浆,对洞周岩体进行预加固和超前支护。在超前支护下,采用上半断面法或正台阶法开挖。在台阶上部施作超前小导管,上部开挖后及时施作拱部初喷砼,径向锚杆,挂钢筋网,格栅钢架。在作好拱部初期支护后方能开挖台阶下部。
　　3) 断层出露于地表沟槽,具隧道为浅埋,可采用地面砂浆锚杆结合地面加固和排泄地表水及防止地表水下渗等措施。
　　4) 当断层宽度大,岩体极破碎时,可采用注浆管棚和钢架超前支护,管棚长度一般10～40 m,能一组管棚穿过断层破碎带,则采用一组管棚,但受地质和施工条件限制,断层宽度大时,可分组设置,纵向两组管棚的搭接长度不小于3. 0 m。管棚用钢管直径80～150 mm,一般多采用Φ 108厚壁热轧无缝钢管,环向钢管中心间距为管径的2～3倍即30～40 cm,钢架根据地质情况,可采用型钢或格棚,其间距0. 8～1. 0 m,在管棚支护下,采用上半断面先开挖,在作好上半断面的锚、网、喷、钢架等到初期支护后,才能开挖下部。
　　2. 2穿过岩溶地区的公路隧道施工
　　在石灰岩地区修建高速公路时,岩溶问题是不容忽视的。岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层经过化学作用和机械破坏作用而形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。
　　2. 2. 1岩溶对隧道的危害主要分类
　　1) 洞穴的存在使隧道全部或部分悬空,将极大地降低隧道的使用安全可靠度;
　　2) 岩溶水特别是当CO-3 等可溶性物质含量增高时,水的流通将给隧道结构带来的侵蚀作用,影响隧道的使用寿命;
　　3) 洞穴堆积物因松软易坍塌下沉,改变洞穴周边的应力分布形态,影响隧道的结构稳定;
　　4) 隧道中地下水流失,使隧道顶部地面岩溶塌陷,导致环境地质被破坏,也是造成隧道结构不稳定的原因。
　　针对岩溶地区的危害特点, 应按具体情况以“避、引、堵、越、绕”的方法处理。其具体处理内容包括溶洞的处理、岩溶水的处理、洞穴堆积物及地表塌陷的处理。
　　2. 2. 2溶洞处理主要方式
　　隧道过溶洞处置方式有内增设边墙梁及行车梁、托梁、支墩、悬壁梁承托纵梁、拱桥、加大隧道净空宽度跨度跨越岩溶或对隧道周边岩体进行封闭、注浆加固、支顶加固、加强衬砌等。
　　1) 溶洞跨越处理。当溶洞规模较大、溶洞内充填物松软,基础处理工程修建困难、耗资巨大,或者溶洞虽小但水流较大时,可根据具体条件采用相应的梁跨、板跨等形式跨
　　越岩溶地段。
　　此方式一般采用钢筋混凝土梁跨越,梁体采用抗侵蚀混凝土。当隧道衬砌断面需要开挖围岩才能满足净空要求时,应先开挖围岩,再施工跨越结构,以确保安全,同时应注意不同受力结构间的断缝设置及连接措施设置。
　　2) 封闭处理。
　　已停止发育的干溶洞,在考虑有效的过水通道后,可采用混凝土、浆砌片石或干砌片石堵塞、充填溶洞。
　　3) 锚杆、钢管加固处理。
　　为防止洞穴岩壁或顶板坍塌,在清除松动岩石困难的情况下,可采用锚杆或大钢管、钢轨加固岩体。此时隧道衬砌应考虑抗冲击措施,一般是采用明洞衬砌,衬砌顶部设置回填体,其表面设置护面结构,回填体以上空间的溶洞洞壁采用锚杆、钢筋网、喷射混凝土封闭支护;若溶洞较大,可设置横向钢轨横或设人字形钢轨栅架。
　　4) 支顶处理。

　　当隧道穿过的溶洞由碎、块石及淤泥土充填,充填物的松散密实程度不一时,隧道底部应考虑采用钢筋混凝土底板,清除底板下松散体,回填碎石,并在底板下加设钢筋混凝土桩进行支顶。
　　2. 2. 3岩溶水的处理原则
　　对岩溶水的处理通常原则是以“排”为主,截、堵、排、防相结合的综合处理措施,我认为应该是以“通”为主,截、排、堵相结合的综合处理措施。“通”是指尽量保持原有过水通道,不能因为隧道的修建发生大的变化;“截”是指截断原有地下水通道,改走其他通道;“堵”是封死相交的地下水通道;“排”是特指引入隧洞,通过排水沟排走;“防”是指防止地下水进入隧道即可。
　　岩溶水处理的较大工程措施有泄水洞和涵洞两类,采用泄水洞排水属于“排”和“截”的范围,采用涵洞过水属于“通”和“截”的范围。
　　2. 2. 4岩溶水的处理方法
　　1) 泄水洞排水。
　　当预测到隧道区域的岩溶水量大、水压大,而隧道确实无法避开时,需考虑专门设置排水隧洞,达到排除岩溶水,降低地下水位,保持隧道干燥和施工安全的目的。
　　泄水洞应位于地下水来向的一侧,为防止岩溶水突然袭击,施工中要采用超前钻孔探测,预备足够的抽水设备。泄水洞的设置可能对生态环境有不利影响,是否采用应从施工、环保、安全等多方面进行评价,以保证方案考虑周全,成本最低。
　　2) 涵洞、倒虹管吸过水。
　　隧道断面与岩溶水相交时,为保证岩溶水畅通,在隧道底部设钢筋混凝土圆涵,或倒虹管,同时涵洞出入口周边至隧道边墙外缘采用浆砌片石回填密实。
　　在采用此方案时要正确考虑涵洞过水断面,一般应按丰水季节流量考虑。
　　2. 2. 5洞穴堆积物及地表塌陷处置
　　洞穴堆积物的特点是松软、下沉量大、强度低、稳定性差。当隧道必须穿越洞穴堆积物地段时,可采用桩基、换填、注浆等加固岩体的处理措施。
　　隧道中地下水渗流排泄,导致岩溶地面塌陷,使地质环境遭到破坏,造成隧道开挖时坍方、涌水、涌砂及突泥等危害。施工中可采用化学注浆和管棚支撑开挖,同时从地表高压注浆,固结塌陷松散体,避免出现突泥现象。
　　3隧道衬砌裂拱的防治
　　隧道裂拱是围岩工程地质水文地质环境的改变所造成的,泥岩中的粘土矿物遇水膨胀产生巨大的水平侧压力作用在隧道拱部两侧是发生裂拱的物质基础,水渗流是诱因。
　　裂拱产生的力学机理为:因衬砌拱部两侧作用很大的侧向压力,致使拱腰截面出现大偏心受压,截面内侧产生很大拉应力,因而拉裂缝出现在拱腰附近。
　　对于裂拱,可采取以下措施:
　　1) 由于水渗流是泥岩中粘土矿物膨胀的直接诱因,因而应首先切断渗流水的补给。将山坡上的水沟铲平,用水泥砂浆灌注坡面上的裂缝,最后用砂浆抹平。
　　2) 沿裂缝延伸范围凿楔形槽,槽深8 cm,里口宽8 cm,外口宽5 cm,槽内冲洗干净。槽壁涂刷由环氧树脂、磷苯二甲酸二丁脂、丙酮、乙二胺配制成的环氧基液,其配合比为1∶0. 1∶0. 12∶0. 05,槽内嵌补M20膨胀水泥砂浆,配合比为水泥∶砂子= 1 ∶2。水泥砂浆中掺JP型膨胀剂,其掺量为水泥重量的10%。
　　3) 沿裂缝两侧施作树脂锚杆, 距离裂缝35 cm,锚杆间距1. 0 m ×1. 0 m梅花型布置,锚杆材质20MnSi,锚杆直径Φ 22,上排杆长3. 1 m,下排杆长3. 9 m,锚杆伸入砂岩50～60 cm,树脂以环氧树脂为主要成分,用作锚杆的杆体粘结剂,另外掺加石英砂作为粘结剂填料,掺加聚乙烯聚酰胺作为环氧树脂的固化激发剂。其配比为(重量比) ∶环氧树脂∶石英砂∶聚乙烯聚酰胺1∶3∶(0. 25～0. 30) 。树脂药包分2个塑膜袋,外袋装环氧树脂与填料的胶泥状混合物,内袋装聚乙烯聚酰胺。
　　4二次衬砌混凝土裂缝的防治
　　在山岭隧道施工中,二次衬砌混凝土裂缝是一种普遍存在的质量问题。虽然隧道二次衬砌施工普遍采用整体式钢模板台车、泵送混凝土施工工艺,但混凝土硬化过程中经常产生裂缝,它不仅影响了美观,还给工程质量留下了隐患。
　　隧道衬砌混凝土裂缝类型主要有: 干缩裂缝、温度裂缝、外荷载作用产生的变形裂缝、施工缝处理不当引起的接茬缝等。
　　混凝土裂缝形成的原因非常复杂,往往是多种不利因素综合作用的结果。据有关统计,施工不规范造成的混凝土裂缝占80%左右,材料质量差或配合比不合理产生的裂缝占15%左右,设计不当引起的裂缝可能占5%。
　　对于不同情况的裂缝,可采取以下方法治理:
　　1) 细微裂缝。
　　隧道衬砌混凝土表面常出现一些没有扩展性的细微裂缝,这种裂缝是稳定的,一般可自愈,不会影响结构的使用和耐久性。从美观考虑,可先清洗干净裂缝表面,然后涂刷环氧树脂浆液二至三遍,最后用刮抹料、调色料处理混凝土表面,使其颜色与周围衬砌混凝土颜色一致。
　　2) 贯通性裂缝。
　　贯通性裂缝的危害较大,必须采取有效的治理方法。沿裂缝方向凿成宽5 cm、深3 cm的V形槽,在槽内骑缝每隔0. 5 m钻一孔,孔深为衬砌厚度的1 /2或2 /3,一般不少于15 cm,并不得穿透衬砌以防跑浆。用清水冲洗干净槽内的杂物及粉尘,在孔内插入ф10 的压浆管,利用环氧树脂水泥砂浆锚固,用灰刀将砂浆压实抹光。环氧树脂砂浆配比,环氧树脂∶水泥∶细砂∶乙二胺∶二丁酯= 1∶1. 6∶3. 2∶0. 1∶0. 12,其中乙二胺是固化剂,二丁酯是稀释剂。待环氧树脂砂浆有一定的强度后, 以0. 15 ～0.2MPa压力压入水泥- 水玻璃浆液或环氧树脂浆液。压浆结束后在0. 2MPa压力下压水检查压浆效果。裂缝表面用刮抹料和调色料处理。
　　3) 密集裂缝。
　　衬砌背后有空洞或衬砌厚度不足引起的密集裂缝,必须进行防水和地层加固处理。沿裂缝两侧每隔1. 2～1. 5 m交错布点,凿成10 cm ×10 cm大小深5 cm的方槽,用风动凿岩机钻孔,孔深3m,安装WDT25中空注浆锚杆,注入水泥砂浆,灰砂比1∶(3～5) ,水灰比1∶1,施工时由下往上逐级注浆,注浆压力以0. 4～0. 6MPa为宜。注浆结束后,另凿新孔在0. 6～1. 0MPa压力下压入纯水泥浆检查注浆效果,当达到规定压力而砂浆压不进时,即认为已经注满。注浆24 h后安装锚杆垫板,用环氧树脂砂浆抹平方槽,表面用刮抹料和调色料处理。
　　对于裂缝,完全可以采取措施预防和缓解,可采取的措施包括:提高设计精度;把好材料进场关,严格控制原材料的质量和技术标准;严格混凝土施工工艺等。
　　5隧道的防排水
　　公路隧道工作的防排水工程对隧道使用寿命正常运营和安全起着举足轻重作用。要做好隧道防排水,必须从隧道施工过程的每一道工序做起,超前小导管预注浆、初期支护、防水板铺设、二次防水衬砌、排水设施等每道工序的施工质量都对隧道防排水效果产生很大的影响,施工中的一点疏忽可能造成渗漏水隐患。因此,每道工序的施工质量都要达到设计预期的效果,才能使隧道防排水工程质量有保证。
　　隧道工程的防排水具体措施如下:
　　1) 初期支护时通过“引、截、排”相结合作好的第一道防排水防线。
　　2) 通过初砌柔性防水和背面排水工程的设置,形成防排水第2道防线。
　　3) 通过浇注抗渗混凝土及埋设沉降缝和施工缝止水带构筑防水第3道防线。
　　4) 作好排水设施,确保排水畅通。综上所述,公路隧道施工中应做到以下几点:
　　1) 正确判断围岩类别,及时调整施工方案。
　　2) 认真测量、检查和修正开挖断面,减少超挖。
　　3) 制定切实可行的开挖方案,包括新奥法、矿山法的选择,炮孔布置、装药量、每一循环的掘进深度。
　　4) 喷锚支护,控制在开挖后围岩自稳定时间的1 /2以内。
　　5) 认真观测,收集资料,做好施工质量的信息反馈。
　　6结束语
　　新奥法作为一种目前国内隧道及地下工程普遍推广应用的工程方法,其原理与内容的合理性得到工程广泛认同。对新奥法隧道的施工原理进行分析,详细地论述新奥法隧道的开挖过程和方式,阐述其施工特点和适用范围。

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