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    隧道施工中新奧法的研究與運用

    閱讀次數:371    時間:2017-02-08

    隧道施工中新奧法的研究與運用

         首先,闡述了新奧法的歷史發展進程;其次,探討了新奧法的基本原理以及施工中應注意的要點;最后,提出了新奧法在具體施工中遇到的一些問題和解決該問題的意見。1 新奧法的歷史與發展
           新奧法主要創始人L·V·拉布采維茨在1934年就試圖將噴漿方法用于地下工程。他在19421945年建造的洛伊布爾隧道中采用了雙層薄襯砌,即先噴一層混凝土,待變形收斂后再噴一層。1944年,他發表了有關噴混凝土的論文,并指出了圍巖動態隨時間變化的重要性。1948年,又指出了量測工作的重要性。19481953年噴混凝土在奧地利首次用于卡普倫水力發電站的默爾隧洞。最早在歐洲推廣使用錨桿的是19511953年建造的伊澤爾-阿爾克電站的有壓輸水隧洞。19531955年修建普魯茨-伊姆斯特電站的有壓輸水隧洞時,按照拉布采維茨的建議,充分采用錨桿而獲得成功。19571965年是著手發展新奧法的時期。拉布采維茨于1963年將這一方法正式命名為新奧地利隧道施工法。19641969年又提出了在巖石壓力下隧道穩定性的理論分析,強調采用薄層支護,并及時修筑仰拱以閉合襯砌的重要性。根據實驗證實,襯砌應按剪切破壞進行設計計算。奧地利的馬森貝格道路隧道由于地質不良,用比國法失敗后,改用新奧法使閉合隧道襯砌環的經驗取得成功,并在1971年及1974年分別用于地壓很大的陶恩隧道和阿爾貝格隧道。
            二十世紀七十年代我國引入了新奧法,并得到了迅速推廣,取得了良好的技術經濟效果。無論在硬巖隧道還是在軟巖(土)隧道中,應用新奧法都有不少的成功實例,并積累了不少經驗,制定了眾多的規程標準,但是我國應用新奧法也存在發展不平衡的問題,需要充分的了解隧道開挖過程中地層發生的變化,采取相應的加固方法和相應的支護措施,達到安全、經濟的目的,這才是新奧法的精神實質。世界各地有足夠多的成功實例證明,只要針對地層采用適當的施工方法,并采取正確的監測手段和實行嚴格的管理和紀律,新奧法才是安全的、有效的、經濟的。
            2 新奧法的基本原理與要點
            新奧法的核心及基本原理可歸納為以下三個方面:
            1)支護要充分發揮圍巖的承載能力。新奧法根據現代巖石力學支護圍巖共同作用原理,明確指出圍巖是承載的主體,初次支護和最終襯砌的目的,是為了保證和調動圍巖的強度,幫助圍巖實現自撐,使隧道盡快形成一個能自撐的土壤或巖石承載環。圍巖一旦風化松動,巖體強度會大幅度降低,要發揮圍巖的承載能力,首先一點就是盡可能不損害圍巖原有的強度。貫用的木支架和鋼拱支架不能避免圍巖出現松動,采用噴混凝土或錨噴支護封閉圍巖壁面可以防止圍巖風化和松動,減少圍巖強度的降低。因此,噴錨或錨噴支護是新奧法的重要特征。從力學角度講,新奧法構筑的隧道可以認為是由圍巖支承環與一次被覆、二次被覆構成的厚壁圓筒。支承環厚壁圓筒只有在全圓周上沒有任何縫隙時才能起到圓筒的作用,形成閉合環非常重要。圍巖的工作特性取決于襯砌的封閉時間,因此,除非確認底板圍巖是非常堅硬而無需設置底拱外,一般都要設仰拱,并且在施工過程中要盡快對底板進行支護以形成閉合環。(2)建立二次支護概念。巷道開挖初期的應力調整過程中,圍巖變形量大、速度快。為適應這一特點,新奧法要求支護既能抑制圍巖變形、防止圍巖開裂松動,又要具有一定的可縮性,允許圍巖適度變形,只有這樣才能最大限度地減少支護受力,充分發揮圍巖的支承能力。錨桿支護是一種可縮性支護,但是噴層、混凝土襯砌卻是剛度較大的脆性支護;噴層厚度大則剛度大,在變形壓力作用下很快就會破壞。為提高噴層和襯砌的柔性,初次支護要采用厚度較薄的薄壁結構,以減少彎矩,提高其變形適應能力。當初次支護強度需要增強時,可以使用錨桿、鋼筋網及鋼拱架,而不是增加噴層或襯砌的厚度。初次支護在于有控制地允許圍巖變形,充分發揮圍巖的支護能力,以較低的成本獲得較好的支護效果。二次支護的作用是提高支護的安全度,根據新奧法原則,二次支護也應采用薄壁結構,當圍巖變形穩定后適時地完成。(3)建立隧道施工量測體系。新奧法強調在隧道施工過程中進行系統的現場監測工作,以掌握圍巖活動規律和巷道安全程度。新奧法的初次支護參數設計,是在巖石力學基本理論基礎之上,按照圍巖分類及工程類比方法確定的,只有通過現場實測,才能對設計參數進行進一步的優化,達到最佳支護效果。因此,量測工作是評價初次支護是否合理、施工方法與工藝是否正確、圍巖狀態是否穩定和確定二次支護時機的科學依據。監測工作伴隨著巷道施工的全過程,量測工作的好壞,是按新奧法施工能否成功的重要前提。
            3 新奧法的運用
            新奧法講的是一個具體應用巖體動態性質的、比較完整的力學概念。它包含的內容相當寬泛,也極為深入。新奧法要求它的使用者既要有豐富的工程實踐經驗,又要有扎實的巖土力學理論知識。因而也導致了人們對新奧法的認識和理解上的分歧。尤其是工程現場上人們運用新奧法的水平差異很大,帶來的結果也大不一樣,有的還造成了慘痛的失敗和教訓。以至于有人一度對新奧法的工程原理和使用價值產生疑慮。以下將概要指出新奧法在現場運用中常見的一些問題及自己的一些觀點,希望能引起大家重視。
            1)所采用的施工方法及施工順序違背新奧法的力學原理,形成了安全隱患,以至發展為坍塌事故。如在軟弱、破碎及含水量較大的地層中采用長臺階法進行開挖施工,就會造成隧道起拱線以下的邊墻部位應力變化過大、圍巖物理力學性質惡化而失穩。而且沒有臨時仰拱措施的長臺階法施工難以實現及早封閉成環的原則要求。近些年來屢次發生的隧道關門塌方多數由于這種原因形成。在新奧法指定的工程原則下,可采用的施工方法、施工順序和工程參數有多種可能,應充分考慮具體條件及其變化趨勢,做出較為合理的選擇,并在實施中加以修正和補充。(2)監測系統不完善使得信息要素缺失,新奧法在實際運用中遇到困難。原本量測數據的采集、處理和分析就是新奧法的重點和難點,也是新奧法需要繼續深入發展的重要方面之一。目前大多數施工現場監測數據以位移(A類)為主,應力、應變(B類)為輔,通過定量分析求知兩類變量的關系。實際上用的最多的收斂位移值是相對值,然而用于判斷圍巖和支護穩定程度的應該是位移、形變或應力的絕對值。在同一隧道斷面中,當各部分圍巖的巖性和產狀差異較大時,常規的分析判斷結果會出現較大的差誤,須要增加另外的檢測手段進行對照和修正。如果現場監測只有數據采集而沒有處理、分析,也沒有信息傳遞及反饋,那么所謂的新奧法則有其名,而無其實,工程實施若盲人瞎馬處于十分危險的境地。(3)施工管理水平和操作人員素質距離新奧法的技術組織要求相差太遠,施工流程和質量指標難以達到規定,使得新奧法在實行中大打折扣。譬如,在軟弱、破碎的地層中施工。不按照-錨一網一支一噴的標準程序走,而是省卻工序,邊挖邊支,最后再噴。結果形成開挖面較長時間地裸露,臨空面圍巖出現較大的松弛和變形,自穩能力有了不同程度地下降;更為惡劣的情形是在支撐背后超挖空洞里填塞石塊和雜物,以噴射混凝土覆蓋之;還有支撐接頭連接強度不足、軸線偏離超標的情形等。這些不規范、不道德的操作行為降低了圍巖和支護的設計承載能力,埋下了嚴重的質量隱患,并危機施工安全,甚至造成隧道坍塌。所以,提高施工管理水平和加強施工人員的技術培訓也應該是施行新奧法的重要環節。

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