築匠建築資訊:隧道施工方法之新奧法施工原理及特點詳解


築匠建築資訊:隧道施工方法之新奧法施工原理及特點詳解

新奧法是在利用圍巖本身所具有的承載效能的前提下,採用毫秒爆破和光面爆破技術,進行全斷面開挖施工,並以形成複合式內外兩層襯砌來修建隧道的洞身,即以噴混凝土、錨杆、鋼筋網、鋼支撐等為外層支護形式,稱為初次柔性支護,系在洞身開挖之後必須立即進行的支護工作。因為蘊藏在山體中的地應力由於開挖成洞而產生再分配,隧道空間靠空洞效應而得以保持穩定,也就是說,承載地應力的主要是圍巖體本身,而採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揮,第二次襯砌主要是起安全儲備和裝飾美化作用。

新奧法的適用性很廣,中國已在亞粘土和黃土隧道施工中取得成功。

新奧法適用範圍:

1、具有較長自穩時間的中等巖體;

2、弱膠結的砂和石礫以及不穩定的礫岩;

3、強風化的岩石;

4、剛塑性的粘土泥質灰巖和泥質灰巖;

5、堅硬粘土,也有帶堅硬夾層的粘土;

6、微裂隙的,但很少粘土的巖體;

7、在很高的初應力場條件下,堅硬的和可變堅硬的岩石;

在下述條件下應用新奧法必須與一些輔助方法相配合:

1、有強烈地壓顯現的巖體;

2、膨脹性巖體(要與仰拱與底部錨杆相配合);

3、在一些鬆散巖體中,要與鋼背板與之配合;

4、在蠕動性巖體中,要與凍結法或預加固法等配合;

在下列場合中應用應慎重

1、大量湧水的巖體;

2、由於湧水會產生流砂現象的圍巖;

3、極為破碎,錨杆鑽孔、安裝都極為困難的巖體;

4、開挖面完全不能自穩的巖體等。

新奧法的缺點:

1、實施不僅要求有良好的施工組織和管理,也要求技術人員和量測人員都十分熟練,沒有這一點就易於發生錯誤;作業質量都與每一個人的仔細操作有關。

2、開挖暴露出的地質會立即改變其狀態,因此要求施工地質人員要親臨現場,以便發現問題;

3、用能控制的施工量測,往往給施工帶來不便;

4、幹噴射帶來的灰塵以及由於易受化學藥品的損害必須加強防護,尤其是對眼睛的防護,溼噴雖然可以避免此缺點,但在同樣條件下,不如干噴那樣有效的支護巖體。

主要原則:

1、充分保護圍巖,減少對圍巖的擾動。

2、充分發揮圍巖的自承能力。

3、儘快使支護結構閉合。

4、加強監測,根據監測數據指導施工。

可扼要地概括為“短進尺、弱爆破、緊封閉、早噴錨、勤測量”。因為隧洞的主要承載部分是圍巖,支護結構起到發揮和保護圍巖承載能力的作用。在靜力學理論中,隧道的結構可視為巖體承載環和支護襯砌組成的圓筒結構,承載環的閉合起到了關鍵作用,因此圍巖和襯砌的整體化應在初期襯砌中就及早完成,保證襯砌環的穩定與完整。從應力重的分佈來考慮.全斷面掘進是比較理想的開挖方式。因此,施工方式歸根結底要把握一個出發點,那就是保護,調動和發揮圍巖的自承能力,在此基礎上根據工程實際條件靈活地選擇施工及輔助手段。

築匠建築資訊:隧道施工方法之新奧法施工原理及特點詳解

新奧法基本要點:

1、洞室開挖後,應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,使成為一個整體而共同發生作用。因此,須最大限度地保持圍巖的固有強度,以發揮圍巖的自承能力。如及時噴混凝土封閉巖壁,就能有效地防止圍巖鬆弛,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鬆弛。總之應使圍巖經常處於三軸應力約束狀態,最為理想。

2、預計圍巖有較大變形和鬆弛時,應對開挖面施作保護層,而且應在恰當的時候敷設,過早或過遲均不利。其剛度不能太大或太小,又必須是能與圍巖密貼,而要做成薄層柔性,允許有一定變形,以使圍巖釋放應力時起卸載作用,儘量不使其有彎矩破壞的可能。這種支護和傳統的支護不同,不是因受彎矩而是受壓剪作用破壞的。由於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後,可在其光滑的表面上敷設高質量的防水層,並修築為提高安全度的二次支護。前後兩次支護與圍巖之間都只有徑向力作用。

3、襯砌需要加強的區段,不是增大混凝土的厚度,而是加鋼筋網、鋼支撐和錨杆,使隧道全長範圍採用大致相同的開挖斷面。此外,因為新奧法不在坑道內架設杆件支撐,空間寬敞,從而提高了安全性和作業效率。

4、為正確掌握和評價圍巖與支護的時間特性,可在進行室內試驗的同時,在現場進行量測。量測內容為襯砌內的應力、圍巖與襯砌間的接觸應力以及圍巖的變位,據以確定圍巖的穩定時間、變形速度和圍巖分類等最重要的參數,以便適應地質情況的變化,及時變更設計和施工。量測監控是新奧法的基本特徵,量測的重點是圍巖和支護的力學特徵隨時間的變化動態。襯砌的做法和施作時間是依據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。它是由圍巖支承環和襯砌環組成的結構,且兩者存在共同作用。圓筒只有在閉合後才能在力學上起圓筒作用,所以除在堅硬岩層之外,敷設仰拱使襯砌閉合是特別重要的。推薦關注微信公眾號“路橋網”(zgluqiao)。

圍巖的動態主要取決於襯砌環的閉合時間。當上半斷面超前掘進過多時,就相應地推遲了它的閉合時間,在隧道縱方向形成懸臂樑的狀態而產生大彎曲的不良影響。另外,為防止引起圍巖破壞的應力集中,斷面應做到無角隅,最好採用圓形斷面。

6、圍巖的時間因素還受開挖和襯砌等施工方法的影響,它對結構的安全性起著決定的作用。考慮掘進循環週期、襯砌中仰拱的閉合時間、拱部導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謀求穩定。從應力重分佈角度去考慮,全斷面一次開挖是最有利的;分部開挖會使應力反覆分佈而造成圍巖受損。

7、岩層內的滲透水壓力,必須採取排水措施來降低。

新奧法的支護結構至今仍處於經驗設計的階段,它的前提是要科學地進行圍巖分類,並根據已經修建的類似工程的經驗,提出支護設計參數或標準設計模式。這種工程類比法還只考慮了巖體結構、巖塊單軸抗壓強度、弱面特性等工程地質性質、坑道的跨度以及圍巖自穩時間等主要因素,需在各種設計與施工規程的實施過程中,依據量測數據加以修正。現場監控設計,一般分成預先設計階段和最後設計階段,後者是根據現場監控量測數據,經分析比較或計算後,最後提出設計。理論解析和有限元數值計算,至今還不能得出充分可靠和滿意的結果,必須由上述兩種方法即經驗和量測加以驗證。

施工量測:

新奧法的施工作業必須根據事前的調查決定下列4個問題:

1、開挖方法;

2、支護佈置及進行支護的最適宜時機;

3、是否設置仰拱及設置的時間和方法;

4、是否採用輔助施工方法及其種類等。

用新奧法施工的絕大多數工程均採用各種臺階法進行開挖,其次是採用全斷面法。新奧法要求保證光面爆破的質量,避免凹凸不平而引起應力集中和減少超挖,從而節約為填平表面所需的大量混凝土。

新奧法的量測十分重要。在制定現場量測計劃時,要根據隧道及地下工程的規模、地質資料、各量測項目的作用,並考慮工點所需解決的問題和量測計劃的經濟效益,選擇合理的量測項目和方法。同時還必須考慮採用切實可靠的手段和儀表,保證量測工作準確安全,並儘可能不妨礙施工。

在應力應變、接觸應力、位移等三大類量測項目中,新奧法應以位移的量測為主。通常是用收斂計量測收斂變形,用伸長計量測圍巖在不同半徑處的變形和獲得圍巖動態的範圍,用水平儀量測圍巖表面垂直位移和地面沉陷。此外,還可用量測錨杆測得錨杆的軸嚮應力,用壓力盒測定接觸應力,用應變計測定支撐和襯砌應力等。

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