隧道“新奥法”施工工艺技术现状及存在问题研究

隧道“新奥法”施工工艺技术现状及存在问题研究

张黎昌

四川昌禄建设工程检测有限公司（四川成都 610200）

摘要：本文从“新奥法”施工工艺的指导思想出发, 叙述了当前隧道“新奥法”施工工艺技术现状及其存在的问题, 指出“新奥法”施工要结合地质情况，选择不同的支护方式，并做到柔性支撑和刚性约束相辅相成；施工中要加强对围岩应力的分析和支护参数机理的研究，使支护工艺更加理性化；同时要引进先进的机具设备、先进的施工方法。

关键词：公路隧道；支护工艺；锚杆；新奥法；

近年来，我国高速公路建设事业蓬勃发展，截至2020年底，我国高速公路通车里程已达16.10万公里，稳居世界第一。随着我国高速公路的快速发展，高速公路逐渐向边远山区延伸。因隧道具有能克服高程障碍，缩短线路长度，减小坡度和曲率等优点，隧道经常作为通过高山地区的路线最终设计方案，公路隧道将成为高速公路的重要组成部分。但是，我们还必须清醒地认识到我国在公路隧道施工工艺方面还存在着诸多问题，“新奥法”作为隧道常用施工方法，有必要对其施工工艺技术现状及存在的问题进行探讨。

一、“新奥法”施工工艺技术的指导思想

“新奥法”是目前国内外大多数隧道的施工方法。新奥法的指导思想是最大限度地利用围岩自承重能力；以“短进尺、弱爆破、早喷锚、柔支护、早封闭、勤量测”为施工原则；以喷射混凝土、锚杆加固和量测技术为三大支柱；以尽可能减少隧道围岩扰动，容许围岩变形但又不致出现强烈松弛破坏，及时掌握围岩和支护结构动态变形为原则，使隧道围岩变形压力与支护结构抗力保持动态平衡。

二、“新奥法”施工工艺技术现状及存在的问题

虽然“新奥法”在隧道结构设计和施工实践中取得了显著的效果，但目前支护工艺实践与理论计算还存在一定的差距，因对隧道围岩压力认识不足和支护设计参数不合理或施工工艺落后等引起的隧道工程事故也是屡见不鲜，故有必要对“新奥法”施工工艺的研究现状及存在的问题进行探讨。

1.初期支护

初期支护通常采用喷射混凝土、钢支撑、锚杆和钢筋网的组合支护工艺，有时也用到钢纤维喷射混凝土。

（1）喷射混凝土。喷射混凝土是隧道施工中最基本的支护方法，喷射混凝土能快速渗入围岩裂隙，封闭节理，从而提高围岩整体性和自承、自稳能力，，实现对开挖后的围岩快速封闭，在隧道施工中被广泛使用。但是，喷射混凝土工艺具有其自身的局限性，它工艺繁琐、工程质量不稳定、施工进度慢、产生这些缺陷的主要原因在于：a.喷射混凝土作业环境恶劣，人工喷混凝土无法严格按喷混凝土的工艺原则进行；b.由于喷射混凝土回弹物中大部分是骨料，降低了混凝土的强度；c.大断面隧道施工中，人工喷混凝土需要辅助措施，不仅影响施工质量，也影响了施工进度。从发展的趋势看，喷射混凝土施工存在的以下问题还需要解决：a.积极探索混凝土湿喷设备的维修保养规律，使之能够保持良好的工作状态；b.混凝土堵管后处理费时较多，应继续优化混凝土配合比，避免或减少混凝土堵管现象的发生；c.有水地段湿喷混凝土效果差，应继续改进和完善湿喷混凝土施工工艺，使其能够适应不同地质地段施工.

（2）钢拱架支护。钢拱架在工程中的作用主要是在短时间内给予围岩强有力的支护，约束围岩的位移，控制围岩塑性区的发展。但是，钢支撑的耐久性、刚性和整体性以及与围岩接触性能均较混凝土差。从施工上来看，施工中钢拱架与围岩的接触点应尽可能多一些，并且施作时间越短越好。另外，钢拱架与围岩之间的空隙必须用喷射混凝土填充密实，并使钢拱架被混凝土包裹严实，使其与喷射混凝土构成整体受力体系。

（3）锚杆支护。锚杆作为新奥法的主要支护手段之一，在隧道支护中的作用也是举足轻重的。锚杆主要优点有：a.及时性。锚杆支护施工方便快捷，操作简便灵活，可以让隧洞开挖后及时支护，在隧道开挖后及时施作锚杆支护，能及时给围岩提供积极的支撑力，使围岩保持稳定。b.深入围岩内部加固。锚杆能深入岩体内部一定的深度以加固围岩。合理正确的锚杆布置方法，能提高围岩的强度和整体性，使支护结构和围岩更好的结合，共同形成承载环，把隧道围岩的自承能力充分发挥出来。近年来，出现了很多施作简单、锚固质量高的新型锚杆。WTD锚杆工艺先进，较好地解决了砂浆锚杆浆液不饱满和注浆无压力的问题，提高了锚杆的锚固力，水泥砂浆将锚杆包裹住，锚杆没有裸露部分，同时也解决了锚杆体的腐蚀问题，达到永久支护的目的；这种锚杆长度可接长，使用方便。它与等载面的实心锚杆相比，有更大的抗剪和粘结能力，并配有垫板和螺母，可施加预应力。因此，WTD锚杆在软弱围岩施工中，是一种很有推广价值的加固围岩稳定的有效方法。另外，国内还出现了一种新型高强、快速、微膨胀水泥基药卷式锚杆，它具有锚固强度高、施工简便快捷、受干扰小、对施工环境适应性广、成本低廉等优点，并可设垫板，施加预应力等特点。它替代了砂浆锚杆，已在高边坡开挖支护、矿山开挖及工程修复中得到应用。因此，这一新材料、新技术值得在隧道施工中借鉴和大力推广。另外迈氏注浆钻进锚杆则集钻、注、锚于一体，解决了常规锚杆钻孔时的塌孔问题，能够保证复杂地质条件下的锚固质量；在抗弯、抗剪强度和表面粘结等方面优于截面积相同的常规锚杆，且可根据需要对其进行切割、接长、施加预应力或释放荷载。是一种值得推广使用的隧道加固锚杆。

2.二次衬砌

（1）拱部、边墙衬砌。二次衬砌包括拱部衬砌、边墙衬砌和仰拱衬砌。目前公路隧道二次衬砌一般用模注混凝土，整体台车施工，而且已经形成一套很完备的施工工艺。但在采用此种方法施工有时会出现台车上浮、衬砌环接缝处错台、下部气泡多、拱部油迹不均、环节缝参差不齐及漏浆、二次衬砌顶部脱空现象等问题。近年来，由于粉煤灰的开发利用，在混凝土中使用粉煤灰不但可降低工程造价，变废为宝，而且可减少环境污染。实践证明，粉煤灰混凝土密实性、均匀性好，抗渗、抗冲击性能力强，技术上可行，经济效益也相当显著。所以在混凝土中加入粉煤灰是一种值得推广使用的隧道衬砌混凝土改良方法。另外，现在部分隧道二次衬砌采用安装中空衬砌块，在开挖面后几米处，用移动式安装架安装中空衬砌块，然后在中空部直接充填早强混凝土，中空衬砌块成为隧道拱部（边墙已先做）的轻型内外模板。二次衬砌底部及直墙混凝土采用震捣密实，拱部采用压力密实，然后回填压注混凝土施加预应力，在中空衬砌块外侧配置特殊的袋，向袋中压注混凝土，即可填满衬砌背后空隙和施加预应力，这大大提高了混凝土的承载力。此种方法是一种值得借鉴价值的有效方法。

（2）仰拱衬砌。另外隧道仰拱是衬砌结构的重要组成部分，仰拱的设置将使隧道结构的承载力和二次衬砌的安全系数得到很大提高，使隧道周边位移，周边围岩的塑性区深度得到有效控制，同时，锚杆轴力也会相对减小，衬砌与围岩间的接触压力趋于均匀。对侧压系数较大的软弱围岩、初始地应力场中具有较大的水平构造应力的围岩，流变明显的围岩以及膨胀性岩体等情况，仰拱的作用就更为明显。它的设置（包括临时和永久仰拱）不仅提高了隧道施工的安全性，而且也提高了隧道长期使用的耐久性。但是我国在仰拱的设计和施工中均存在一些问题，如仰拱的形状不够合理、曲率偏小，而施工中又往往是后修仰拱，且大多数是在拱部及边墙组成的上部衬砌变形趋于稳定之后修筑，时机过迟，所以仰拱起不到应有的作用。虽然在施工中采用短进尺、早封闭、勤量测的原则，在分步开挖中采用修筑临时仰拱的措施可以取得良好的效果，但是在什么情况下需要设置仰拱、仰拱的形状及厚度，仰拱的施作时机等还有待研究。值得注意的是，仰拱的受力状态与其施工顺序有关，即不仅要考虑地质条件，隧道跨度等因素，还要考虑施工时机的影响。

三、结论

综上所述，对“新奥法”隧道施工工艺进行探讨具有十分重要的意义。作为新时期背景下的工程师，必须充分意识到掌握“新奥法”施工工艺的重要性，并在实际开挖过程中切实掌握其技术要点，这样才能更好地强化隧道开挖质量，最终为整个隧道工程的安全、高效开展奠定坚实的基础。我认为公路隧道支护应该做好以下几点：（1）结合地质情况，选择不同的支护方式，要做到柔性支撑和刚性约束相辅相成，不同的围岩段和工程地点应结合自身的特点和要求有所侧重点。（2）加强对围岩应力的分析和支护参数机理的研究，使支护工艺更加理性化。（3）工程质量和工程进度的保证很大程度上依赖于先进的机具设备、先进的施工方法。所以，我们除了引进国外先进的技术、设备之外，我们还需要进一步的努力，实现新世纪中国独特的隧道技术。

参考文献：

[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].安徽教育出版社,2004.

[2]关宝树.隧道工程施工要点集[M].人民交通出版社,2003.

[3]公路隧道设计规范（JTG3370.1-2018）[S].北京:人民交通出版社

[4]仇文革.隧道仰拱的施作时机与纵向效应的试验分析[J]西南交通大学学报,1993.6.

【作者简介】张黎昌（1986.09-），男，汉族，四川省成都市人，硕士研究生学历，四川昌禄建设工程检测有限公司地基基础技术负责人，主要研究方向：地基基础与地下结构工程。