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1、新奥法施工基本原理及施工技术石家庄铁道大学 主要内容隧道工程基本概念新奥法施工基本原理隧道工程围岩分级隧道开挖技术隧道支护结构施工技术监控量测技术隧道工程基本概念隧道的概念 狭义定义：用以保持地下空间作为交通孔道的工程建筑物。 广义定义：以某种用途，在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面积大于2m2的洞室。铁路隧道公路隧道地下铁道人行通道交通类隧道引水隧道尾水隧道导流隧道泄洪隧道水工隧道给水隧道排水隧道管路隧道市政隧道采矿巷道运输巷道矿山隧道按隧道的用途人防隧道围岩 围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体(这里所指的岩体是土体与岩
2、体的总称)。初期支护 为控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安全度和方便施工，隧道开挖后立即施作刚度较小并作为永久承载结构一部分的结构层，称为初期支护。传统施工方法中采用的钢木构件支撑在模筑整体式衬砌时通常应予以拆除，不作为永久承载构件，称为临时支撑。隧道工程基本概念二次衬砌 为了保证隧道永久稳定和安全，所施作的具有一定安全储备的隧道结构。 目前铁路上一般多采用由初期支护（简称支护）、防水板、二次衬砌共同组成的复合式衬砌结构形式。隧道工程基本概念隧道工程基本概念隧道工程基本概念隧道工程基本概念光面爆破 光面爆破是指延开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区之后起爆，已形成
3、平整的轮廓面的爆破作业。预裂爆破 预裂爆破是指延开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区之前起爆，已形成平整的轮廓面的爆破作业。隧道施工 隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技术和施工管理的总称。隧道工程基本概念新奥法施工基本原理隧道施工方法 矿山法（传统矿山法、新奥法）、明挖法、盾构法、TBM法和沉埋法新奥法概念 新奥法(新奥地利施工方法)是以岩石力学为理论基础，以柔性支护为主要的支护手段，采用现场监测结果来反馈设计与施工的一种方法。可总结为三大支柱（柔性支护、控制爆破和监控量测）、一个中心（充分发挥围岩自承能力）和一个一体化（设计、施工和监测动态一体化）。新
4、奥法施工程序施工准备确定施工方案开挖是否符合管理 基准？防水隔离层二次支护竣 工是修改施工方案改变开挖方法和顺序修正支护参数否初期支护量测监控必要时须超前支护或预先进行地层改良新奥法施工基本原理隧道施工应遵循的基本精神在施工中必须充分保护围岩，避免过渡破坏和损伤遗留围岩的强度，使暴露的围岩尽量保留既有的质量，因此，采用控制爆破技术是必要的。为了充分发挥围岩的承载力，应允许并控制围岩的变形。允许围岩适当变形但不能不在围岩中形成松弛的量级；必须限制围岩变形，使围岩不会过渡松弛而丧失或大大降低承载力。新奥法施工基本原理变形的控制主要通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的。支护结构的类型支护结构参
5、与工作的时间各种支护手段的相互配合底部封闭时间1次掘进长度必须在施工中进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计。新奥法施工基本原理在施工过程中，必须建立设计施工检验地质预报量测反馈修正设计的一体化的施工管理系统，以不断的提高和完善隧道施工技术。选择支护手段，一般应选择大面积、牢固与围岩紧密接触、能及时施设和应变能力强的支护手段；多采用喷砼、并与锚杆、金属网联合使用要与钢支撑或格栅等配合使用临时仰拱也是重要的、不容忽视的支护手段新奥法施工基本原理在可能的条件下，应尽量采用全断面或大断面分部的开挖方法。在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的。为保证二次
6、衬砌的质量和整体性，在任何情况下，都应采用先墙后拱的施工顺序。新奥法施工基本原理新奥法施工基本原则少扰动开挖时要尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间;早支护开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控制状态;勤量测指以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩(或围岩加支护)的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式、开挖方法;紧封闭一方面指采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而致强度和稳定性的衰减。另一方面指要适时对围岩施作封闭形支护。新奥法施工基本原理围岩分级的概念各种围岩的物理性质之间存在一定的内在联系和规律，依照这些联系和规律，可将围岩
7、划分为若干级，这就是围岩分级。围岩分级的目的作为选择施工方法的依据；进行科学管理及正确评价经济效益；确定结构上的荷载(松散荷载)；给出衬砌结构的类型及其尺寸；制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。隧道工程围岩分级隧道工程围岩分级我国铁路隧道围岩分级方法目前铁路隧道围岩分级采用两种方法，即以围岩稳定为基础的分级方法和按弹性波(纵波)速度的分级方法。级别围岩主要工程地质条件围岩开挖后的稳定状态(单线)围岩弹性纵波速度(km/s)主要工程地质特征结构特征和完整状态硬质岩(单轴饱和抗压极限强度Rc60MPa)：受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面(或夹层)；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体
8、结构围岩稳定，无坍塌，可能产生岩爆4.5硬质岩(Rc30MPa)：受地质构造影响较重，节理较发育，有少量软弱面(或夹层)和贯通微张节理，但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象，或为硬质岩石偶夹软质岩石呈大块状砌体结构暴露时间长，可能会出现局部小坍塌，侧壁稳定，层间结合差的平缓岩层，顶板易塌落3.5-4.5软质岩(Rc30MPa)：受地质构造影响轻微，节理不发育；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构硬质岩(Rc30MPa)：受地质构造影响较重，节理较发育，有层状软弱面(或夹层)，但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层或薄层，层间结合差，
9、多有分离现象；或为硬、软质岩石互层呈块(石)碎(石)状镶嵌结构拱部无支护时可产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易坍塌2.5-4.0软质岩(Rc530MPa)：受地质构造影响轻重，节理较发育；层状岩层为薄层、中层或厚层，层间结合一般呈大块状砌体结构硬质岩(Rc30MPa)：受地质构造影响很严重，节理很发育；层状软弱面(或夹层)已基本被破坏呈碎石状压碎结构拱部无支护时可产生较大的坍塌、侧壁有时失去稳定1.5-3.0软质岩(Rc530MPa)：受地质构造影响严重，节理发育呈块(石)碎(石)状镶嵌结构土体：1.略具压密或成岩作用的粘性土及砂类土2.黄土(Q1,Q2)3.一般钙质、铁质胶结的碎、卵石
10、土、大块石土1和2呈大块状压密结构；3呈巨块状整体结构岩体：软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩(包括受构造影响严重的破碎带)呈角(砾)碎(石)状松散结构围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌，浅埋时易出现地表下沉(陷)或坍塌至地表1.0-2.0土体：一般第四系坚硬，硬塑的粘性土，稍密及以上、稍湿或潮湿的碎石土、卵石土、圆砾土、角砾土、粉土及黄土(Q3,Q4)非粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构岩体：受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带呈松软结构围岩极易坍塌变形，有水时土砂常与水一齐涌出，浅埋时易坍塌至地表1.0(饱和状态的土5L12L隧道开挖技术短台
11、阶法 12L12(11.5)L短台阶法适用于地质条件差的、V级围岩，台阶长度定为1015m，即12倍开挖宽度，主要是考虑拉开工作面，减少干扰，因此台阶长度不宜过短。隧道开挖技术优点：短台阶法可缩短支护闭合时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制围岩变形。缺点：上部出渣对下部断面施工干扰较大，不能全部平行作业。 隧道开挖技术采用短台阶法时应注意的问题：初期支护全断面闭合要在距开挖面30m以内，或距开挖上半断面开始的30天内完成。 初期支护变形、下沉显著时，要提前闭合 。 要研究在保证施工机械正常工作的前提下台阶的最小长度。隧道开挖技术1235m微台阶法12L微台阶法 适用于，级围岩，一般为35m
12、的台阶长度。 微台阶法上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰大，生产效率低，施工速度慢。 隧道开挖技术上台阶弧形导坑领先，下台阶两侧开挖，再开挖中部核心土。 弧(环)形导坑预留核心土法隧道开挖技术施工要求：环形开挖进尺一般为0.51.0m；开挖后应及时施作喷锚支护、安设钢架支撑，每两榀钢架之间采用钢筋连接，并加锁脚锚杆，全断面初期支护完成距拱部开挖面不宜超过30m；预留核心土面积的大小应满足开挖面稳定的要求；必要时进行超前支护；上部弧形，左、右侧墙部，中部核心土开挖各错开35m进行平行作业。特点：开挖工作面稳定性好；施工干扰大、工效低隧道开挖技术适用条件：适用于具有一定自稳条件的单线隧
13、道IV、V级围岩地段，也可适用于具有一定自稳条件的双线隧道III、IV级围岩地段。对于稳定性较好的双线隧道III级围岩及单线隧道IV级围岩也可不预留核心土。隧道开挖技术三台阶七步开挖法 三台阶七步开挖法是以弧形导坑预留核心土法为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开，平行推进的施工方法。隧道开挖技术适用条件：适用于具有一定自稳条件的单线隧道IV、V级围岩地段，也可适用于具有一定自稳条件的双线隧道III、IV级围岩地段。对于稳定性较好的双线隧道III级围岩及单线隧道IV级围岩也可不预留核心土。隧道开挖技术施工要求：三台阶七步开挖法应以机械开挖为主，必要时辅以弱
14、爆破，各分步平行作业，平行施作初期支护，各分部初期支护应衔接紧密，及时封闭成环。仰拱应紧跟下台阶施作，及时闭合构成稳固的支护体系。拱部超前支护完成后，环向开挖上台阶弧形导坑，预留核心土长度宜为35m，宽度宜为(1/31/2)B。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，上台阶开挖矢跨比应大于0.3。隧道开挖技术施工要求：中台阶及下台阶左、右侧开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度宜为33.5m，左、右侧台阶错开23m。上、中、下台阶预留核心土开挖进尺与各台阶循环进尺一致。仰拱循环开挖长度宜为23m，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支
15、护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为46m。隧道开挖技术中隔壁法(CD) 中隔壁法(CD法)是将隧道分为左右两部分进行开挖，先在隧道一侧采用二部或三部分层开挖，施作初期支护和中隔墙临时支护，再分台阶开挖隧道另一侧，并进行相应的初期支护的施工方法。隧道开挖技术适用条件：适用于IVV级围岩的隧道，也可用于浅埋地段隧道。施工要求：中隔壁法左右部的台阶高度应根据地质情况、隧道断面大小和施工设备确定。每侧按两部或三部分台阶开挖，开挖后应及时施作初期支护、中隔壁；两侧先后距离宜保持1020m，上下断面的距离宜保持35m。各部开挖时，相邻部位的喷混凝土强度应达到设计强度的70%以上。隧道开挖技术先行侧的
16、中隔壁应设置为向外鼓的弧形。中隔壁在浇筑仰拱前逐段拆除。中隔壁一次拆除长度不宜大于15m。临时支护拆除后应及时施作仰拱和二次衬砌。特殊情况下可将中隔壁浇筑在仰拱中，待铺设防水板时再割断。隧道开挖技术交叉中隔壁法(CRD) 交叉中隔壁法(CRD)法是分部开挖、支护，分部闭合成小环，最后全断面闭合成大环。每开挖一部均及时施作初期支护、中隔壁及临时仰拱。隧道开挖技术适用条件：适用于V、VI级围岩及围岩较差的浅埋地段隧道。施工要求：根据地质条件，隧道断面的分部，应以初期支护受力均匀，便于发挥人力、机械效率为原则，一般水平方向分两部，上下分二至三步开挖。先行施工部位的临时支撑(中隔壁、临时仰拱)，均应有
17、向外(下)鼓的弧度。各部开挖及支护应自下而上，开挖后及时施作初期支护、中隔壁、临时仰拱，步步成环。隧道开挖技术同一层左右两部分开挖工作面相距不宜大于15m，上下层开挖工作面相距宜保持34m，且待喷混凝土达到设计强度的70%后开挖相邻部位。宜缩短各部开挖工作面的间距，使初期支护尽早封闭成环。根据监测结果，中隔壁及临时仰拱在仰拱浇筑前逐段拆除，每段拆除长度宜不大于 15m。隧道开挖技术双侧壁导坑法(眼镜工法) 双侧壁导坑法是先开挖隧道两侧导坑，及时施作导坑四周初期支护及临时支护，然后再根据地质条件、断面大小，对剩余部分采用二部或三部开挖的方法。隧道开挖技术适用条件：一般用于双线隧道V、VI级围岩及
18、浅埋地段。施工要求：侧壁导坑形状宜近于椭圆形断面，导坑断面宽度宜为整个断面的1/3。侧壁导坑、中槽部位宜采用短台阶开挖，各部距离应根据隧道埋深、断面大小、结构类型等选取。各部开挖后应及时进行初期支护及临时支护，并尽早封闭成环。隧道开挖技术两侧壁导坑超前中槽部位1015m，可独立同步开挖和支护；中槽部位采用台阶法开挖，并保持平行作业。中槽开挖后，拱部钢架与两侧壁钢架的连接是难点，在两侧壁导坑施工中，钢架的位置应准确定位，确保各部架设钢架连接后在同一个垂直面内，避免钢架发生扭曲。根据量测信息，初期支护稳定后拆除临时支护，一次拆除长度不得大于 15m，并加强监测。临时支护拆除完成后，应及时施作仰拱及
19、二次衬砌。隧道开挖技术隧道开挖技术开挖方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。所选择的施工方法也应体现出技术先进、经济合理及安全适用。隧道开挖技术隧道开挖方法选择的依据：工程的重要性 一般由工程的规模、使用上的特殊要求，以及工期的缓急体现出来；地质和水文条件 其中包括围岩级别、地下水及不良地质现象等；施工技术条件和机械装备状况 实践证实，施工条件是决定施工方法的最基本的因素，它包括一个施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平。施工中动力和原材料供应情况；隧道开挖技术隧道的横断面积；隧道的埋深 隧道的埋深
20、与围岩的初始应力场及多种因素有关，在同样的地质条件下，由于埋深不同，施工方法也有很大差异。工期 工期决定了在均衡生产的条件下，对应配备的开挖、运输等综合生产能力的基本要求，即对施工均衡速度、机械化水平和管理模式的要求。工程投资与运营后的社会效益和经济效益；施工安全状况；有关污染、地面沉降等环境方面的要求和限制。一、洞口地段的一般概念 隧道施工的洞口地段，是指隧道进口(或出口)附近对隧道施工有影响的地段。 隧道洞口工程主要包括边、仰坡土石方；边、仰坡防护；端墙、翼墙等洞门圬工；洞口排水系统；洞口检查设备安装；洞口段洞身衬砌。洞口施工技术 一般情况下，将由于隧道开挖可能给上坡地表造成不良影响的洞口
21、范围称为洞口加强段。洞口位置明洞段过渡段洞口段隧道洞身段上下部开挖分界线23m1 2D 洞口位置洞口施工技术 洞口地段的特点为：洞口地段地层一般较破碎，多属堆积、坡积、严重风化或节理裂隙发育的松软岩层，稳定性较差；当岩层层面坡度与洞门主墙开挖坡度一致时，容易产生纵向推滑力；洞口附近山体覆盖层较薄，一旦塌方可能塌穿到地表面；若隧道处于沟谷一侧或傍山时，通常会产生侧向压力。洞口施工技术二、洞口地段施工注意事项 l.在场地清理作施工准备时，应平整洞顶地表，排除积水，整理隧道周围流水沟渠。之后施做洞口边、仰坡顶处的天沟。 2.洞口施工宜避开雨季和融雪期。在进行洞口土石方工程时，不得采用深眼大爆破或集中
22、药包爆破，以免影响边、仰坡的稳定。 3.洞口部分圬工基础必须置于稳固的地基上。洞口施工技术 4.洞门拱墙应与洞内相邻的拱墙衬砌同时施工连接成整体，确保拱墙连接良好。 5.洞口段洞身施工时，应根据地质条件、地表沉陷控制以及保障施工安全等因素选择开挖方法和支护方式。 6.洞门完成后，洞门以上仰坡脚受破坏处，应及时处理。如仰坡地层松软破碎，宜用浆砌片石或铺种草皮防护。 洞口段施工中最关键的工序就是进洞开挖。隧道进洞前应对边仰坡进行妥善防护或加固，作好排水系统。洞口施工技术洞口地段自然灾害及处置措施 灾害现象问题点主要措施滑坡由于洞口挖方破坏了原坡面的平衡状态，导致滑坡；在原地层滑坡线上开挖，导致出现
23、新的滑坡地表锚杆、注浆桩、深基桩、挡墙、土袋等崩塌落石在陡坡山崖处开挖，即使围岩条件较好也极可能出现崩塌或落石喷射混凝土、地表锚杆、锚索、防落石棚、注浆偏压由于地形的非对称性，作用在隧道横断面上的荷载不平衡，加大隧道结构上的压力，导致结构剪切破坏。平衡压重填土、护坡挡墙、挖切土体、减轻偏压力泥石流泥石流的冲击力极大，多从沟谷冲下，危害结构物安全沿沟谷设梯级防沙坝雪崩与泥石流同样具有极大冲击力，多发生在沟谷或陡坡处沿沟谷设梯级防沙坝，洞口顶部设防护棚三、进洞方法1、洞口段地层条件良好，洞口段围岩为级以上，宜采用正台阶法进洞（台阶长度以1.5倍洞径为宜），其爆破进尺控制在1.52.5m，并严格按照
24、设计及时做好支护。 洞口段开挖方法的确定取决于工程地质、水文地质和地形条件、隧道自身构造特点、施工机具设备情况、洞外相邻建筑的影响等诸多因素。施工中应根据实际，综合选定洞口段开挖进洞方案。洞口施工技术2 、洞口段围岩为级及以下时，可采用环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）等分部开挖法进洞，开挖前应按设计对围岩进行预加固。3、对于浅埋和偏压隧道，应采用地表预加固和围岩超前支护方法，做到“先护后挖”。4、当地层条件差，可采用套拱法施工进洞。洞口施工技术套拱施工工艺流程：洞口施工技术套拱施工各项作业应参照以下要求进行： 1、开挖 根据测量组放线，对拱架安设
25、要求部位进行掏槽开挖，土槽宽（纵向方向）与初期支护厚度相同。土槽开挖采用人工开挖风镐辅助的方式进行。土槽挖好后，要求内表面成型好，无超挖和欠挖，以保证初期支护的厚度。 清除套拱段上断面土方，在套拱结束段留中部长1.0m 宽5.0m的核心土体以抵抗掌子面前的土体压力。在掏槽过程中注意不可损坏注浆管，以便立拱架时将拱架与注浆管相焊接。 洞口施工技术 2、拱架的加工、架设 套拱段拱架宜采用工字钢，为确保套拱段的初期支护净空尺寸、防止因拱顶下沉及侧墙收敛而侵入净空，拱架尺寸在原设计拱架的基础上外放20cm。其具体加工要求及安设工艺详见施工工艺及技术要求。在加工及架设拱架过程中要注意以下几点： 1）在拱架架设前，将拱架脚部铺垫5cm厚的砂浆找平层，并在砂浆上铺设5cm厚方木板，以防拱架下沉。在铺设木板时要注意对拱架标高的控制。 2）第一榀拱架要镶嵌于事先挖好的土槽中，并与注浆小导管焊接。在安设时不能随意切割拱架及钢管，并将各连接螺栓上齐、拧紧，不得用小型号的螺栓替代。 洞口施工技术 3）套拱段拱架安设时要保证中线、法线的准确，其安设误差在允许误差范围之内，保证其不偏、不斜、不前俯、不后仰，并对上断面脚部按设计抬高5cm。 4）上断面拱架
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