第七节　新奥法

一、新奥法的概念

传统的隧道支护理论把围岩视为松散结构，无自承能力，因而产生松动、剥离和坠落，形成围岩压力，必须用支护结构承受围岩的压力。传统隧道施工中的多次分部开挖法，不仅对周围地层进行多次扰动和破坏（因开挖爆破），极易产生塌方等安全事故，而且需要消耗大量木材，施工中相互干扰大，速度慢，质量不易保证。而新奥法把支护结构和围岩本身看作一个整体，二者共同作用达到稳定洞室的目的，而且大部分围岩压力是由围岩体本身承担的，支护结构只承担了少部分的围岩压力。我国从20世纪70年代开始引进新奥法，到80年代才开始大量应用于工程实践中。事实证明，在隧道的设计和施工中采用新奥法，可以节省大量木材，改善施工条件，降低工程造价，同时，也为大型机械化施工提供了条件。若采用严格有效的施工监测和管理措施，可使支护系统既经济合理，又安全可靠。

新奥法是完全不同于传统矿山法的一种新理念，它摒弃了应用厚壁混凝土结构支护松动围岩的理论，其基本内容可归结为如下几点：

（1）钻爆开挖时宜采用对围岩扰动较小的控制爆破，尽可能采用大断面少分部的开挖方法，减少对围岩的扰动，以免破坏岩体的稳定；

（2）隧道的开挖应尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩的自身支护作用；

（3）根据围岩级别，采用不同的初期支护，及时施作密贴于围岩的柔性支护（如钢拱架、喷射混凝土和锚杆等），以控制围岩的变形和松弛；

（4）在软弱破碎地段，使断面及早闭合，从而增加支护结构的刚度，有效地发挥支护体系的作用，保证隧道的稳定性；

（5）二次衬砌原则上是在围岩和初期支护变形基本稳定的条件下修建，使围岩和支护结构形成一个整体，从而提高支护体系的安全度；

（6）尽量使开挖后的隧道断面周边轮廓光滑、圆顺，避免棱角突变处应力集中；

（7）在施工中对围岩和支护结构进行合理的监控量测，以便能够合理安排施工程序，修正不合理的设计和施工方法。

总之，新奥法不能单纯理解为隧道施工的某一种方法，它是把隧道的设计与施工合为一体，以弹塑性理论的成果进行支护结构的设计，并以现场量测的手段修正设计、指导施工的一种新理念。这一新理念集中体现在支护结构种类、支护结构构筑时机、围岩压力、围岩变形这四者的关系上，自始至终贯穿于不断变更的设计、施工的过程中。

二、新奥法的基本原理

根据弹塑性理论推导及支护阻力与塑性区大小的关系，可以把新奥法的基本原理表述为以下几点。

1.围岩岩体是隧道承载的主要部分

由于坑道开挖后，在其周围的岩体内会形成塑性区，使围岩压力通过塑性区后，其值很小，故支护结构提供的支护阻力只承担一部分的围岩压力，大部分的围岩压力由围岩本身承担。

新奥法与传统观念的根本不同之处是认为：在隧道中起支护作用的主要是围岩，隧道是围岩与支护的整体化结构物，而不是把围岩视作荷载。因此，在施工时，要做到最大限度地保护围岩原有的强度，有效地利用其自承能力。

2.用较小的支护阻力设计支护结构

如图2-33所示，开挖后围岩初期变形小，需要的支护阻力大；随着变形的增大，需要的支护阻力则逐渐减小。但变形超过一定数值后，如图中的A点，则进入松动范围，需要的支护阻力反而要逐渐增加，才能使坑道稳定。这样，A点要求的支护阻力即为最小支护力。但是在实际工作中，要控制正好在A点实施有效支护是很难的，为了不让围岩产生松动，就必须在变形达到A点之前进行支护。因此，确切地说，新奥法是采用较小的支护阻力设计支护结构的。

3.采用薄层柔性支护，控制围岩的初始变形

坑道开挖后围岩即开始变形，这时施作一层柔性初期支护，允许围岩发生微小的变形，以便在坑道周围形成塑性区，同时也能控制围岩变形，防止围岩松动。

在埋深小、围岩稳定性差的情况下，少许的坑道壁面位移就会使围岩产生有害松动，大大降低围岩的原有强度，从而导致坑道围岩坍塌。因此新奥法强调坑道开挖后，应尽快在围岩壁面施作初期支护，且要尽可能早地封闭，最大限度地防止围岩松弛，控制围岩的初期变形。这里控制围岩初期变形的另一层含义是控制围岩初期变形的速度，使围岩的变形不致过快，从而导致坑道失稳。这里要强调的是要把围岩的变形控制在许可的范围内。

4.通过控制薄层柔性的支护施作时间，适应围岩的特性

由前述可知，支护结构作用的时间太早，则围岩壁面变形小，需要的支护阻力会很大；而支护结构作用时间过迟，壁面位移过大，又将产生有害松动，需要的支护阻力也变大。采用薄层柔性支护，由于其柔性较大，其内部产生的弯矩很小，本身可以变形，这样与其周围紧密接触的岩体形成一个整体的受力结构。因此支护结构的支护时间必须选择恰当，过早或过迟都不利，但这一时间又不易掌握。理想的支护结构是指既能起到控制围岩变形的作用，又允许围岩在一定范围内变形，而在变形达到所需的支护阻力最小时起支护作用。刚性的支护结构一经设置，其支护的全部作用将很快显示，它不允许围岩变形，因而支护阻力会很大，以新奥法的观点看，这是很大的浪费。而薄层柔性支护设置以后，既控制了围岩变形，又因其柔性而能允许围岩产生一定量的变形，可以使其支护作用十分接近于最小支护阻力允许的变形值。另一方面，薄层柔性的支护，例如喷射混凝土还能与坑道围岩紧密接触，不留空隙，形成全面牢固的接触，可与围岩结合成为一个整体。

此外，隧道在力学上被看作为厚壁圆筒，因而要使支护结构及时闭合。在施工时，一定要及时施作仰拱。

5.采用监控量测来检验设计并指导施工

地下工程的地质情况是千变万化的，设计和假定往往与实际不符。施工中通过量测修改设计方案是新奥法的重要特点。量测工作在新奥法施工过程中自始至终都要进行。一旦发现围岩有不稳定状态，就应及时采取有效措施进行加固，并根据加固后的情况修改下一阶段的实施设计方案，同时还应按修改后的设计方案，对邻接的已支护地段做适当的补充加固。只有这样才能使设计更合理，使施工方法、施工工艺更完善。这种由设计到施工，再把施工中的量测信息反馈到设计中去的动态过程，就组成了新奥法的完整体系。

三、新奥法施工基本方法

新奥法的施工与传统方法不同，根据其基本原则，在开挖时必须达到成形好、对围岩扰动最小的要求，对开挖暴露面应及时进行喷锚支护，施工全过程应在监控量测下进行，并及时反馈信息，以修正设计和施工。在软弱围岩地段应使断面及早闭合。

（一）新奥法施工程序

新奥法的施工程序主要包括：开挖、初期支护、构筑防水层、二次模筑混凝土衬砌四部分。

1.开挖

为了充分利用围岩的自承能力，尽量采用较大断面进行开挖，地质条件较差时可采用台阶式开挖或分块环形开挖。爆破宜采用光面爆破或预裂爆破。

开挖时，一次开挖的长度应根据围岩条件和开挖方式确定。围岩条件好时，长度可大些，条件差时，长度可小些。同样条件下，采用分台阶开挖时长度可大一些，而采用全断面开挖时长度就要小一些。

2.初期支护

初期支护包括下列各个工序：一次喷射混凝土，打锚杆，设置钢筋网，必要时架设钢支撑，二次喷射混凝土等。一次喷射混凝土的厚度约为3～5cm，二次喷射混凝土达到设计厚度即可。当喷射混凝土层厚度较大时，可采用多次喷射，每次喷5～8cm。初期支护所用的钢筋网、钢支撑等均应埋在喷混凝土层内。

3.构筑防水层

在初期支护完成后，临近二次衬砌前构筑防水层。防水层设置在初期支护和二次衬砌之间，其形式和材料根据设计而定。防水层中的水可通过集水管排出。

4.二次模筑混凝土衬砌

当围岩与初期支护变形收敛后，用模筑混凝土构筑二次衬砌。新奥法施工程序如图2-34所示。

（二）新奥法施工基本原则

（1）新奥法施工的基本原则为“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。

所谓“少扰动”是指在隧道开挖时，必须严格控制，尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动持续时间和扰动范围，以使开挖出的坑道符合成型的要求。因此，能采用机械开挖的就不用钻爆法开挖。采用钻爆法开挖时，必须先作钻爆设计，严格控制爆破，尽量采用大断面开挖。

“早喷锚”是指对开挖暴露面应及时地进行地质描述和及时施作初期喷锚支护，使围岩变形得到有效控制而不致变形过度而坍塌失稳，以达到围岩变形适度而充分发挥围岩的自承能力。

“勤量测”是在隧道施工全过程中，应对围岩周边位移进行的现场监控量测，并及时反馈修正设计参数，指导施工或改变施工方法。以规范的量测方法和量测数据及信息反馈，进行预测和评价围岩与支护的稳定状态，及时对隧道的施工方法（包括开挖方法、支护形式，特殊的辅助施工方法）、断面开挖的步骤及顺序、初期支护设计参数等进行合理的调整，以确保施工安全、坑道稳定，以及支护衬砌结构的质量和工程造价的合理性。

“紧封闭”是指对易风化的自稳性较差的软弱围岩地段，在开挖断面后应及早施作封闭式支护（如喷射混凝土、喷锚混凝土等），以避免围岩因暴露时间过长而产生风化，降低强度及稳定性，使支护与围岩进入良好的共同工作状态。

（2）传统矿山法施工的基本原则为：“少扰动、早支撑、慎撤换、快衬砌”。

“少扰动”是指在进行隧道开挖时，要尽量减少对围岩的扰动次数、强度、范围和持续时间。采用钢支撑，可以增大一次开挖断面的跨度，减少分部开挖次数，从而达到减少对围岩的扰动次数。

“早支撑”是指开挖坑道后应及时施作临时构件加以支撑，使围岩不致因变形松弛过度而产生坍塌失稳，并能承受围岩松弛变形产生的压力——早期松弛荷载。定期检查支撑的工作情况，若发现变形严重或出现损坏征兆，应及时增设支撑予以加固和加强。作用在临时支撑上的早期松弛荷载的大小，可比照设计永久衬砌的计算围岩压力大小来确定。临时支撑的结构设计也采用类似于永久衬砌的设计计算方法，即结构力学方法。

“慎撤换”是指拆除临时支撑而代之以永久性模筑混凝土衬砌时应慎重，即要防止在撤换过程中围岩坍塌失稳。每次撤换的范围、顺序和时间要视围岩稳定性及支撑的受力状况而定。若预计到不能拆除时，则应在确定开挖断面大小及选择材料时就予以研究决定。使用钢支撑作为临时支撑，一般可以避免拆除支撑的麻烦和不安全。

“快衬砌”指拆除临时支撑时要及时修筑永久性混凝土衬砌，并使其能尽早承载参与工作。若采用的是钢支撑又不必拆除，或无临时支撑时，亦应尽早施作永久性混凝土衬砌，防止坑道壁裸露时间过长，风化侵蚀围岩，强度降低，产生过大变形等。

（三）新奥法基本施工方法

在选择隧道施工方法时，主要根据工程地质及水文地质条件、施工条件、围岩级别、隧道埋置深度、隧道断面尺寸和长度、衬砌类型，以施工安全为前提，以工程质量为核心，并结合隧道的使用功能，施工技术水平、施工机械装备、工期要求和经济可行性等因素综合考虑研究选用。

当隧道施工对周围环境产生不利影响时，亦应把隧道工程的环境条件作为选择施工方法的因素之一，同时应考虑围岩变化时施工方法的适应性及其变更的可能性，以免造成隧道工程失误和增加不必要的工程投资。采用新奥法施工时，还应考虑施工全过程中的辅助作业方式和对围岩变化的量测监控方法，以及隧道穿越特殊地质地段时的施工手段等，进行合理的选择。

隧道工程采用新奥法施工时，常用的方法有全断面法、台阶法和分部开挖法三大类。

四、新奥法施工中的监控量测

量测是对围岩动态监控的重要手段，是新奥法施工的重要组成部分，新奥法的量测工作可分为施工前和施工中两个阶段。施工前的量测是指通过地质调查、取样试验、现场实验等手段，取得隧道通过地段的地质构造及围岩的物理力学指标。施工中量测是新奥法量测工作中的重点，其目的如下：

（1）通过量测，掌握围岩在施工中的动态，控制围岩变形。

（2）了解支护结构的效果，及时采取措施，做到安全施工。

（3）在对量测数据进行分析处理与必要的计算后，进行下一阶段的施工预测；对原设计和施工的合理性进行评估和信息反馈，以确保施工安全和隧道的稳定。

（4）将已有工程的量测结果应用到其他类似的工程中，作为今后设计和施工的依据。

量测项目分为必测项目和选测项目。必测项目有洞内状态观察、拱顶下沉量测、净空变形量测。此三项对各级围岩均属必测项目。对于覆盖层较薄的土砂围岩，地表下沉量测也是必测项目。选测项目主要包括围岩内变位、锚杆轴向力、喷混凝土层内的应力及围岩压力等。此类量测难度较大，除有特殊量测要求外，一般不进行。

（一）洞内状态观察

此项工作主要是以肉眼对开挖地段和支护地段进行观察，并做好记录，依此来直接判断围岩、隧道的稳定性和支护结构参数的合理性。观察中，如发现异常现象，要详细记录其时间、地点，并采取相应的措施，确保施工安全。

1.未支护地段的观察内容

（1）围岩级别及分布状态，节理裂隙发育程度和方向性，裂隙内填充物的性质和状态等。

（2）施工面的稳定状态，顶部有无剥落现象等。

（3）是否有涌水，水量大小、位置、压力等。

2.已支护地段的观察内容

（1）有无锚杆被拉断或垫板陷入围岩内部的现象。

（2）喷混凝土是否产生裂隙或剥离，要特别注意喷混凝土是否发生剪切破坏。

（3）钢拱架有无被压屈现象。

（4）是否有底鼓现象。

（5）锚杆注浆质量和喷混凝土施工质量是否达到施工规定的要求。

（二）地面下沉量测

位于软弱破碎的Ⅵ～Ⅴ级围岩中的隧道，特别是其覆盖层较薄时，在隧道开挖后，围岩的应力、位移等变化，在很大程度上均可反映在地表沉陷上。因此，根据地表沉陷量测结果（扰动范围、最大沉陷量和地表沉陷倾斜程度），可以判断围岩的稳定性，以便采取相应的措施。

量测方法是在地表测试范围内埋设沉陷量测点，用精密水准仪和精密水准尺逐日进行水准测量，测出沉陷量。

（三）拱顶下沉量测

拱顶下沉量测即是测出拱顶的绝对下沉量。

拱顶下沉量测可用精密水准测量仪配合拱顶位移计进行。

当隧道埋深较浅时，可在洞外布点，即从地表垂直钻孔，埋设位移计布设测点；当隧道埋深较深时，则在隧道开挖后的洞内拱顶布点。原则上测点应设在拱顶的中心点，如因风管妨碍测量工作时，也可将测点设于拱顶中心点之外。

拱顶下沉量测与净空变形量测原则上应设置在同一断面，其量测的间距一般为：Ⅱ级围岩150m，Ⅲ级围岩100m，Ⅳ级围岩50m，Ⅴ～Ⅵ级围岩20m。洞口附近及施工初期的测点间距应适当缩短，一般为10～20m。

根据量测资料绘制以下曲线：

（1）下沉量随时间变化曲线。

（2）下沉速度随时间变化曲线。

（3）下沉量与开挖面距离关系曲线。

（四）净空变形量测

净空变形量测即测出隧道周边相对方向两个固定点连线上的相对位移值。它是判断围岩动态最直观和最重要的量测信息。

净空变形一般采用隧道净空变化测定计（也称收敛计）进行量测。净空变形量测的测线布置，应根据围岩情况拟定，即围岩越好，测线越少；施工分部越多，测线越多。

根据量测数据绘制以下曲线：

（1）位移量随时间变化曲线。

（2）位移速度随时间变化曲线。

（3）位移量与开挖面距离关系曲线。

以上量测项目为新奥法量测技术中最为重要的量测内容，除此之外，还有围岩内部位移、内部应力、喷混凝土层内的应力等量测，这些项目量测方法复杂，除特殊需要外，一般不进行。