新奧法設計與施工綜述(圖文)

1、隧道工程常用術語新奧法的基本原理新奧法設計與施工新奧法施工監(jiān)控量測公路隧道景觀設計公路隧道技術的發(fā)展施工范例當?shù)叵陆Y構為空間封閉結構形式，寬度在10m內(nèi)時，通常稱為“洞室”；當?shù)叵陆Y構垂直地層表面時（=90），稱為“豎井”；當傾斜角45時稱之為“斜井“；當人工建筑處于地表下，結構沿長度方向的尺寸大于寬度和高度并具有聯(lián)通A、B兩點的功能時，可稱“地道” ；當?shù)氐赖臋M截面積較小時，通常認為截面積在30m2以內(nèi)時，稱為“坑道“(導坑、導洞)；當截面積較大時，稱之為“隧道”。隧道的進口外稱為洞門洞門上被挖掉的原覆蓋物體的部分稱為“仰坡”隧道頂部至表面的距離稱為“覆蓋層厚”已建承重結構的部分，稱為“安全

2、部分”；興建臨時支撐結構的部分，稱為“臨時安全”部分；未建支撐結構的開挖工作面，稱為“不安全”部分；從未支撐處正向前開挖的部分，稱為“開挖工作面“(掌子面) 開挖孔洞上約1/3部分，稱為“拱部”； 約中部1/3的部分，稱為“洞身”； 約下1/3的部分，稱為“洞底“； 洞身及洞底的對稱中心部分，稱為“核心土”。 開挖后對應于拱部的上邊緣人工結構的弧線部分，稱為“拱圈”； 孔身對應的下邊緣人工結構的弧線部分，稱為“側墻”；孔底邊對應的下邊緣人工結構的弧線部分，稱為“仰拱”。 (道路)隧道 tunnel 為使道路從地層內(nèi)部或水底通過而修建的建筑物。由洞身、洞門等組成。洞門tunnel portal

3、為保持洞口上方及兩側路塹邊坡的穩(wěn)定，在隧道洞口修建的墻式構造物。襯砌 tunnel lining 為防止圍巖變形或坍塌，沿隧道洞身周邊用水泥混凝土等材料修建的永久性支護結構。明洞open cut tunnel用明挖法修建的隧道。常用于地質不良路段或埋深較淺的隧道。圍巖surrounding rock隧道周圍一定范圍內(nèi)，對洞身的穩(wěn)定有影響的巖(土)體。隧道建筑限界structural approach limit of tunnel 在隧道洞身內(nèi)應保持的道路建筑限界及設置其它設施的空間范圍。 明挖法open cut method先將隧道部位的巖(土)體全部挖除，然后修建洞身、洞門、再進行回填的施

4、工方法。 礦山法mine tunneling method主要用個鉆眼爆破、構件支撐作業(yè)方式開挖坑道而修建隧道的施工方法。因借鑒礦山開拓巷道的方法而得名。 新奧法New Austrian Tunnelling Method在軟弱巖層中修建隧道時，開挖后立即噴射水泥混凝土作為臨時支撐(必要時加錨桿)以穩(wěn)定圍巖，然后再進行襯砌的施工方法。 噴錨支護lock bolt support with shotcrete借高壓噴射水泥混凝土和打入巖層中的金屬錨桿的聯(lián)合作用(根據(jù)地質情況也可分別單獨采用)加固巖層，分為臨時性支護結構和永久性支護結構。 圍巖偏壓non-uniform rock pressure

5、由于地質構造作用或局部突變的地形以及施工的影響，在洞室襯砌上產(chǎn)生的不對稱的巖石法向應力。 巖爆rockburst在地應力高度集中的巖層中開挖時，圍巖應力因突然釋放而引起的巖塊爆裂向外拋射的現(xiàn)象。 導洞(導坑)pilot tunnel在開挖隧洞過程中為探明地質情況或進行原位測試或導向作用，沿預定洞軸線某一高程平行開挖的小斷面坑道。又稱地坑。全斷面法full face method每一掘進循環(huán)將整個斷面向前推進的開挖洞室的方法。上導坑法top heading method用導坑先開挖洞室上部并將其擴大砌拱，再開挖下部，襯砌邊墻的洞室開挖方法。側導坑法side drift method沿洞室兩側周邊

6、自下而上小斷面分塊開挖，并襯砌邊墻，然后進行拱部開挖和砌拱，最后清除核心部分巖土，砌筑仰拱的一種開挖洞室的方法。臺階法(分層開挖法)benching tunneling method將整個隧道斷面分為幾層，由上向下或由下向上分部進行開挖的施工方法。前者稱正臺階法，后者稱反臺階法。 多導坑法mulit-drift method聯(lián)合運用上導坑法和側導坑法開挖洞室的方法。超挖overbreak洞室掘進中起出設計斷面的部分。欠挖underbreak隧道實際開挖斷面小于設計開挖斷面的部分。 仰拱 invert, inverted arch地下洞室凹面向上的拱形底板。邊墻 side wall帶有拱頂?shù)牡叵?/p>

7、洞室拱腳以下的墻體。襯砌 lining防止洞室圍巖松動、坍塌的永久性支護層。噴錨聯(lián)合支護 combined bolting and shotcreting在洞室?guī)r壁配置錨桿系統(tǒng)和鋼筋網(wǎng)，并在其上噴射一定厚度的混凝土層，以加固圍巖的技術。 開挖面excavated surface隧道掘進方向最前端的開挖作業(yè)面。整體式襯砌integral lining用模筑混凝土或砌體施作的襯砌。初期支護primary support隧道開挖后即行施作的支護結構。二次襯砌secondary lining初期支護完成后施作的襯砌。復合襯砌compound lining由初期支護和二次襯砌組合而成的一種襯砌。噴錨襯砌

8、shotcrete and bolt lining用噴射混凝土、錨桿噴射混凝土或錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土施作的襯砌。 管棚pipe-shed support沿隧道開挖輪廓，按一定間距及外傾角打入鋼管、壓注漿液，形成的棚式支護結構。預留變形量reserved deformation為充分發(fā)揮圍巖自承作用，容許初期支護和圍巖有一定量的變形，而將設計開挖斷面作適當擴大的預留量。 應用巖體力學的理論，通過對隧道圍巖變形的量測、監(jiān)控，采用新型的支護結構，盡量利用圍巖自承能力指導隧道設計和施工的方法。其特點是在開挖面附近及時施作密貼于圍巖的薄層柔性噴射混凝土和錨桿支護，以便控制圍巖的變形和應力釋放，從而在支護

9、和圍巖的共同變形過程中，調(diào)整圍巖應力重分布而達到新的平衡，以求最大限度地保持圍巖的固有強度和利用其自承能力。 新奧法的原理雖然可用于各種類型的支護,但是,最為適用的是噴錨支護。因此噴混凝土、錨桿、量測被認為是新奧法的三大要素。它產(chǎn)生和發(fā)展的歷史與這三者密切相關，不能把噴錨支護誤解為新奧法的同義語。洞室開挖后，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(fā)生作用。因此，須最大限度地保持圍巖的固有強度，以發(fā)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松弛，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松弛?？傊畱箛鷰r經(jīng)常處于三軸應力約

10、束狀態(tài)，最為理想。預計圍巖有較大變形和松弛時，應對開挖面施作保護層，而且應在恰當?shù)臅r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，盡量不使其有彎矩破壞的可能。襯砌需要加強的區(qū)段,不是增大混凝土的厚度,而是加鋼筋網(wǎng)、鋼支撐和錨桿，使隧道全長范圍采用大致相同的開挖斷面。此外，因為新奧法不在坑道內(nèi)架設桿件支撐，空間寬敞，從而提高了安全性和作業(yè)效率。為正確掌握和評價圍巖與支護的時間特性，可在進行室內(nèi)試驗的同時，在現(xiàn)場進行量測。量測內(nèi)容為襯砌內(nèi)的應力、圍巖與襯砌間的接觸應力以及圍巖的變位，據(jù)以確定圍巖的穩(wěn)定時間、變形

11、速度和圍巖分類等最重要的參數(shù)，以便適應地質情況的變化，及時變更設計和施工。隧道支護在力學上可看作厚壁圓筒。它是由圍巖支承環(huán)和襯砌環(huán)組成的結構，且兩者存在共同作用。圓筒只有在閉合后才能在力學上起圓筒作用，所以除在堅硬巖層之外，設置仰拱使襯砌閉合是特別重要的。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?？紤]掘進循環(huán)周期、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(wěn)定。從應力重分布角度去考慮，全斷面一次開挖是最有利的；分部開挖會使應力反復分布而造成圍巖受損。巖層內(nèi)的滲透水壓力，必須采取排水措施來降低。新奧法的支護結構至

12、今仍處于經(jīng)驗設計的階段，它的前提是要科學地進行圍巖分類，并根據(jù)已經(jīng)修建的類似工程的經(jīng)驗，提出支護設計參數(shù)或標準設計模式。這種工程類比法目前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(wěn)時間等主要因素，需在各種設計與施工規(guī)程的實施過程中，依據(jù)量測數(shù)據(jù)加以修正?，F(xiàn)場監(jiān)控設計，一般分成預先設計階段和最后設計階段，后者是根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，經(jīng)分析比較或計算后，最后提出設計。理論解析和有限元數(shù)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(jīng)驗和量測加以驗證。新奧法的施工作業(yè)必須根據(jù)事前的調(diào)查決定下列 4個問題：開挖方法；支護布置及進行支護的最適宜

13、時機；是否設置仰拱及設置的時間和方法；是否采用輔助施工方法及其種類等。用新奧法施工的絕大多數(shù)工程均采用各種臺階法進行開挖，其次是采用全斷面法。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(jié)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，用多點桿式位移計量測圍巖在不同半徑處的變形和獲得圍巖動態(tài)的范圍，用高精度水準儀量測圍巖表面垂直位移和地表沉降。此外，還可用量測錨桿測得錨桿的軸向應力，用壓力盒測定接觸應力，用應變計測定支撐和襯砌應力等。 經(jīng)40多年的實踐和推廣，新奧

14、法已在奧地利、德國、瑞典、瑞士、法國等的山嶺隧道中普遍使用(占7080)，并已用于地下鐵道，且取得沉降量特別小的顯著成果。 日本從1976年以來，已有近100座隧道采用了新奧法。 中國從60年代初開始推廣噴錨支護新技術，在普濟、下坑、大瑤山等鐵路隧道采用新奧法進行施工，取得了成功。在公路隧道建設中，已大量采用了新奧法。 1997年正在修建的秦嶺隧道(長19.45km), 引進德國WIRTH公司TB880E型隧道掘進機，預計2000年貫通 在下列情況下，一般都應采取適當?shù)妮o助措施才能施工：涌水量大的地層；因涌水產(chǎn)生流沙現(xiàn)象的地層；圍巖破碎使錨桿鉆孔和插入都極為困難場合；開挖面不能自穩(wěn)的圍巖。位于

15、各類巖石地層內(nèi)的隧道，均可采用鉆眼、裝藥、爆破的方法開挖。在硬巖中開挖隧道可采用鑿巖臺車鉆眼，進行全斷面開挖。 l優(yōu)點：適用范圍廣，不受隧道斷面尺寸和形狀限制；對各類圍巖均適用；施工工藝可隨地質條件變化；施工設備組裝和工地之間的轉移簡單方便，重復利用率高；施工單位已積累了豐富經(jīng)驗l缺點：施工工序多，各工序干擾大，開挖速度低，超(欠)挖嚴重，爆破時對地層擾動大，施工安全性較差，作業(yè)場所環(huán)境差 利用安裝在機軸轉盤上的刀具直接切削巖層。梭式礦車槽式礦車l優(yōu)點：施工快速、連續(xù)作業(yè)、機械化程度高，安全、勞動強度小、對地層擾動小、襯砌支護質量好、減少了輔助作業(yè)l缺點：對地質條件的依賴性大，設備型號一旦確定

16、，開挖斷面尺寸不可改變；一次性投資大要進一步研制初期和長期強度都高、回彈少、粉塵低、生產(chǎn)率高的噴射混凝土系統(tǒng)，并和高效能的集塵器、自動噴射裝置、周期短的材料供應系統(tǒng)配套。研究能縮短噴敷時間，又無公害的新噴射方法。研究不需用臨時堆放場地、易于運輸?shù)膰娚洳牧虾托碌氖┕すに?如鋼纖維加強噴射混凝土、光面爆破和深孔爆破技術、液壓鑿巖臺車（兼作安裝錨桿用）、噴射車組（包括機械手）、各種混凝土噴射機、液體速凝劑、粉塵防止劑、樹脂錨桿等。l隧道施工機械化(開挖、出渣作業(yè)線；噴混凝土作業(yè)線；模筑混凝土襯砌作業(yè)線)；在長大隧道中采用全斷面TBM；l開發(fā)更有效的爆破器材；優(yōu)化爆破設計，經(jīng)計算機編程控制鉆孔；應用G

17、PS、激光測距等測設技術；l加強公路隧道預制拼裝式襯砌的研究和應用；l進一步完善注漿技術(設備、材料、工藝、檢驗)輔助工法的研究l加強非接觸監(jiān)控量測手段的開發(fā)和研究。 開展隧道和地下結構的理論研究，包括有限元法在地下結構設計計算中的應用；巖土材料試驗工作；以及工地現(xiàn)場量測和信息監(jiān)控技術等，使理論能更好地結合實際。在長大隧道和重點地下工程中，推行施工綜合機械化。在軟土地層中，采用適合地層條件的盾構、頂管、沉管和連續(xù)墻施工方案；在硬巖中采用新型掘進機或高效水鉆臺車，以及光面爆破和預裂爆破等先進技術。以噴錨支護為基礎的新奧法施工，可大力推廣。 信息反饋修正設計的內(nèi)容： 1.施工方法變更的建議； 2.

18、施工工序的更改； 3.預留變形量的修正； 4.設計參數(shù)修改或確認； 5.采用輔助施工措施的建議。增強初期支護可用降低圍巖類別的辦法，改用相應的設計參數(shù)，或選用如下加強措施： 1.增設鋼筋網(wǎng)或改用鋼纖維噴射混凝土； 2.加密或加長錨桿； 3.增加噴射混凝上厚度； 4.改用早強噴射混凝土或早強砂漿錨桿； 5.采用或加密鋼架； 6.增設臨時仰供及時形成支護封閉環(huán)。 景觀設計美學標準的總原則： 均衡穩(wěn)定、比例和諧、韻律生動、簡潔明快、連續(xù)流暢及與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)。 限于經(jīng)濟發(fā)展水平，過去人們只重視隧道的實用、經(jīng)濟的一面，而對其美學則很少關心，特別是鐵路隧道，洞門造型平庸呆板，缺少風格。 高等級公路的建設

19、方興未艾，加上經(jīng)濟發(fā)展迅猛的時代，急功近利而忽視美學要求，更容易產(chǎn)生“污染”環(huán)境、令人遺憾的設計作品。 洞門型式應適用、經(jīng)濟、美觀。設在城鎮(zhèn)、旅游區(qū)附近及高速公路、一級公路的隧道，尤應注意與環(huán)境相協(xié)調(diào)，有條件時，洞門周圍應植樹綠化。洞門也是標志隧道的建筑物，要與隧道規(guī)模、使用特性以及周圍建筑物、地形條件等相協(xié)調(diào)。洞門型式應美觀醒目，這是因為洞門的造價只占隧道總造價的較小部分，隧道的標志在洞門，洞門美觀合理與否直接影響對隧道工程的評價。 1.端墻式洞門 或稱為一字式洞門。 2.翼墻式洞門 3.柱式洞門 4.臺階式洞門。 5.環(huán)框式洞門：端墻式洞門 形、色、質是視覺印象的三大信息，材質與色感又常常

20、是一體的。 二襯由鋼筋混凝土或混凝土建造，淡灰色基調(diào)顯得樸素端莊與深沉穩(wěn)重，但大面積的單一色彩又顯得單調(diào)而缺乏生氣，致使總體印象不夠清晰。為使隧道形象更加優(yōu)美并強調(diào)其存在，可對洞門、拱部、邊墻、路面、防撞護欄、設備洞室、風機、人行橫洞等構造進行著色處理，特別是洞門的著色處理。 1) 與洞門形態(tài)性格相協(xié)調(diào)2) 與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)3) 各功能構件或單元色彩要統(tǒng)一和諧4) 考慮地域的風土人情以及季節(jié)氣候對色彩的影響 1.進入隧道前的視覺問題(白天) ： 黑洞(長隧道)及黑框(短隧道)現(xiàn)象。 2.進人隧道立即出現(xiàn)的視覺問題(白天): “適應的滯后現(xiàn)象” 3.隧道內(nèi)部的視覺問題(白天、夜間) 4.隧道出口

21、處的視覺問題 夜間與白天正好相反洞口外地段應盡量保持低亮度，可采取在路旁及洞口附近鋪草坪和植樹，洞外路面采用反射系數(shù)低的的路面材料；洞口設遮陽棚或減光格棚等措施。洞門設計應有利于隧道照明。燈光效果一是來自隧道外部的照明，二是平自隧道本身的照明設施。前者如對洞門、翼墻、標志物的聚光燈照明，使其浮現(xiàn)于周圍夜色之中，成為景觀重點，后者如沿洞門兩側布置的裝飾燈，將大大增加人們對隧道的親近感。 充分運用視覺輔助手段進行隧道景觀設計。做成各種景觀效果圖，并努力使其具備良好的視覺性、真實性、操作性和定量性 除了傳統(tǒng)的繪畫方法外，使用計算機繪圖可以使數(shù)據(jù)資料的處理、圖形的變換、繪圖功能更加高效和直觀。香港東區(qū)

22、海底隧道施工中(1986-1989)隧道名稱所在國家用途完成年份長度(km)世界排名Seikan日R198853.91Channel Tunnel英-法R199450.02Daishimizu日R198222.23Simplon II意-瑞士R192219.84Simplon I意-瑞士R190619.85Shin-Kanmon日R197518.76Apennine意R193418.57Saint Gotthard瑞士H198016.38Rokko日R197116.39Henderson美R197515.810Haruna日R198215.411隧道名稱所在國家用途完成年份長度(km)世界排名

23、Furka瑞士R198115.312Saint Gotthard瑞士R188215.013Nakayama日R198214.914Ltschberg瑞士R191314.615Mount MacDonald加R198814.616Ta-yao Shan(大瑤山)中R198814.317隧道名稱所在國家用途完成年份長度(km)世界排名Arlberg澳H197814.018Hokuriku日R196213.919Mont Cenis法-意R187113.720Shin-Shimizu日R196713.521Aki日R197313.022Frjus法-意H198012.923Pinglin Highw

24、ay臺灣H1999*12.924隧道名稱所在國家用途完成年份長度(km)世界排名 隧道中每隔800米加寬一段斷面,為出故障汽車提供避車道。設兩個豎井和兩個斜井作通風井，最深的一個有893米。在離隧道一側30米處,開挖平行導坑，每隔250米設一橫向聯(lián)絡通道,以加快正洞施工進度并供施工中遇到特殊困難時使用，以后還可利用它修建第二線隧道。通過隧道的車速限制在每小時80公里以內(nèi)。隧道兩端設有電子計算機控制站，通過電視錄像機和傳感器提供數(shù)據(jù)，以監(jiān)視和控制流量，并對空氣清潔度變化、失火以及照明亮度也能及時察覺、報警。 中國修建的第一座長度超過10公里的雙線電氣化鐵路隧道。位于廣東省坪石至樂昌市之間的瑤山山區(qū)和武水峽谷。隧道全長14.295公里。大瑤山隧道從1978年初開始勘