再议隧道工程新奥法

再议隧道工程新奥法隧道网www.stec.net(2007-9-25)来源：海峡两岸隧道研讨会郭陕云摘要：剖析新奥法的实质.重申新奥法的要领，指出新奥法在现场应用中的常见问题，对隧道和地下工程界有关人员正确认识、应用新奥法，发展新奥法，进一步提高隧道施工技术水平，有重要的意义。关键词：隧道新奥法矿山法实质要领运用0引言 新奥法由奥地利学者拉布西维兹(L.V.Rabcewicz)于上个世纪50年代提出，60年代取得专利权并正式命名。70年代末传人我国。它首先被应用于下坑、西坪、大瑶山、军郡山等铁路隧道建设工程中、并取得了良好的效果。30多年来新奥法对我国隧道工程建设产生了重大的影响。观在我国隧道工程建筑水平能够比肩世界，其中一个重要的因素就是得力于新奥法的推广和使用。所以我同当今的隧道建设工作者言公称"新奥法"，并以新奥法为先进。的确，新奥法较之传统的矿山法其优势是明显的：它所提倡的以喷射混凝土力代表的柔性支护可以达到及早封闭岩面和调整围岩山力的效果；适时施作二次衬砌有可能使得厚度减薄，进而节约原材料和缩小开挖断面；它所主张的信息化没汁、施工理论和现场监测控制方法将隧道工程科学推向了更高的层次。因此，隧道施工有了较大的进步。更快速、更节约也更安全了。但是任何科学技术一经发现或创造出来，就有它的边界和时限。新奥法也一样的。如果不能正确地理解和使用它，也会招致错误和失败。近些年来隧道施工坍塌事故频繁，甚至造成人员伤亡，财产损失或贻误工期。可见有相当数量的隧道工点围岩及支护的变形和位移处于失控状态。从隧道工程的技术操作层面来看有不少人对新奥法的认识是模糊的或片面的。然而在有关隧道设计、施工的技术文章或施工组织设计的文字资料中经常可以看到"采用先进的新奥法施工"等字眼，甚至有把所有的成功的技术措施都归结为"新奥法"，而"矿山法"几乎成了落后的代名词.尽管少数的误解和歧义没有妨碍隧道技术的快速发展。但是这种实用主义的观念和以偏概全的做法是有害的，它不利于隧道技术的进一步提高。在新奥法进入国门之初.就已经得到了众多专家学者的重视和推崇，相关工程和实践的评判及阐述可谓汗牛充栋，对新奥法的推广和使用有着突出的贡献。但是几十年过去，回顾总结国内隧道工程的发展。成就和现状，耐新奥法会有更加深入、更为透彻的认识。因此，观在重温新奥法的工程原理，再次深入展开对新奥法原理的实质和要领的讨论是很有必要的。1新奥法的实质①在新起吐创立之前，采用矿山法修筑隧道是除沉管法和掘进机(含盾构)法之外的主要技术方法。有文章说："矿山法一词来自古老的修筑矿山地下工程所采用方法的总称。"可见使用矿山法修筑隧道是相关行业的方法借鉴和技术引进。国内外使用矿山法建成了大量的隧道和地下工程，这些隧道和地下工程的建设也丰富和发展了矿山法。千千万万个实践证明矿山法"功不可没"。矿山法作为成功的工程技术方法是长期以来国内外众多的隧道建设先驱们的经验和智慧的总结。矿山法有它的理论基础、工程原理、技术方法和指导原则。翻开以往的任何一本隧道教科书就可以看到矿山法是建立在经典的岩土力学基础之上的。尽管现代的岩土力学理论较经典的岩土力学理沦有了很大的进步和发展，但是经典岩上力学的理论精髓并没有完全废弃：其中库仑-莫尔及太沙基的理论兰金的定律仍有使用，用于深埋隧道的坍落拱普氏理论和用于浅埋隧道的沉降漏斗压力理论及全土柱压力理沦在理实中仍有指导意义。隧道设计、施工的某些方面仍在自觉或不自觉地使用着矿山法的技术指导原则。 ②在2000版《中国土木工程指南》第八篇隧道及地下工程中是这样定义和诠释"新奥法"的："当隧道埋深超过一定限度后，常用暗挖法施工。暗挖法最初采用传统的矿山法。20世纪中叶创造了新奥法，此法尽量利用围岩的自承能力，用柔性支护如锚喷支护控制围岩的变形及应力重分布，使达到新的平衡。目前已用于修建各种用途的隧道。""新奥法施工的基本思想是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护的量测.监控来指导隧道和地下工程设计施工。"这些文字应该是对新奥法比较权威的注解，利用围岩的自承能力来建造洞穴、开挖巷道是远在新奥法之前的事。如何才能提高围岩的自承能力和柔性支护技术也不应该是新奥法的独创。但是新奥法的高明之处在于其创始者摆脱了单纯的建模研究思维方式，在隧道工程现场建立起信息收集和信息反馈系统，进而弄清围岩、支护的变形及位移与应力分布和变化的关系，为隧道设计和施工提供可靠的依据、这正是隧道及地下工程的基本特点所决定和要求的，因此从某种意义上来说新兴法的理论基础除岩土力学外更应该是近代才发展起来的信息科学，新奥法的实质内容在于如何使用监测信息来指导设计和施工，从而达到更加安全高效、经济合理的工程目的。 ③由以上所述可知，新奥法和矿山法是在不同的历史时期创立起来的专门系统工程技术，是隧道设计和施工的技术法则，而不是一般意义上的施工技术或施工方法，将新奥法和矿山法作为隧道"工法"来理解和运用是不妥当的。关于"工法"建设部建筑业司在《建筑企业下法管理办法》中有明确的含义："是指以工程为对象，工艺为核心.运用系统工程的原理把先进技术和科学管理结合起来，经过工程实践形成的综合配套的施工方法。"新奥法和矿山法表述的是各自的工程原理和技术指导原则，而不是以"工艺为核心"。尤其是新奥法的工程原理和技术指导原则与传统的工程技术方法有很大的区别。它要求信息化的设计-施工组织模式。如果没有在隧道施工现场建立起来有效的量测、监控系统，并用于指导设计和施工，就妄谈什么"新奥法"。再就是新奥法既有特定的技术指导原则，又有较大的机动灵活性，不能当作教条来执行。它要求隧道工作者既要有系统的理沦知识水平，又要有丰富的现场工作经验。2新奥法的要领2.1两阶段的地质调查工作对地层地质情况的了解和掌握是隧道工程建设的关键。由于地层构造的复杂和多变，使人难以完全预知，加之施工对地层自然状态的破坏和影响，以致隧道工程的地质调查工作必须贯穿工程建设的始终。新奥法要求将地质调查分为施工前地质调查阶段和施工地质调查阶段。①施工前地质调查阶段是从隧道工程设计初测和定测阶段开始的，直到施工组织者在编制施工组织设计时进行现场复核和确认。其目的是确定围岩类别和查找可能存在的不良地质及特殊地质，为设计和施工提供较为可靠的地质资料。其精度应能避免发生严重的地质灾害，不至于产生大幅度的设计变更及影响施工计划和施工工期为原则。目前进行地质调查和超前地质顶探、预报的方法和手段很多，各有优缺点，应当扬长避短，对其测定结果进行分析比较，综合采用。②施工中的地质调查是紧跟隧道开挖面进行的，必要时可以通过物探、钻探或超前小导洞进行。其目的是为局部设计变更或临时改变施工方法、调整施工计划及保证施工安全提供依据。其工作内容主要包括开挖面地质情况的描述，岩体结构面产状的分析，岩石力学试验和水文状况调查。施工中的地质调查是对施工前地质调查结果的检验和补充，它在整个地质调查工作的位置和作用是非常突出的，是隧道工程新奥法不可缺少的环节。2.2两阶段的施工设计 即在施工前的预设计阶段和与施工同时进行的信息反馈修改设计阶段。新奥法的设计以工程类比为主要方法，应用最广，并通过现场监控量测进行工程实际检验。当仅用工程类比的方法尚不足以保证设计的合理性时，则采用解析或电算的方法进行理沦计算，相互对照，综合分析，比较确定。①工前的预设计是在分析研究工程要求和定测资料的基础上进行的。其中很重要的依据是施工前的地质凋查结果、顶设计的主要内容有：1)隧道断面形式及几何尺寸的拟定；2)支护、衬砌类型及其参数的确定；3)预留开挖轮廓变形量；4)选择施工方案、方法和施工顺序；5)现场隧道内外监控量测的设计；6)辅助施工措施的设计；7)防、排水的设计；8)其它相关设计，如特殊地质段的隧道设计、附属洞室的设汁、施工及运营中的灾害预防设汁等。②信息反馈修正设计是在隧道施工展开后根据现场地质调查结果、监控量测数据、工程进度状况等信息对施工前预设计的各项内容进行检验和修正。这是必要的、贯穿整个施工过程的设计阶段，也是新奥法区别于其它传统的工程方法的重要特点之一。信息反溃修正设计的主要内容是：1)评判监控量测的成果，补充完善监控量测设计；2)设汁参数的修改或确认；3)顶留开挖轮廓变形量的修正；4)采用辅助施工措施的建议；5)施工工序的更改；6)改变施工方法的建议；7)针对预设计的补缺；8)由于地质和水文情况的重大变化，发生确有必要的、方案性的设计及施工变更建议。2.3施工及监测 使用监控量测信息来指导施工是新奥法的另一重要特点。现场工程技术人员将通过开挖面地质情况的观测和系列量测数据的分析对隧道围岩的变化进行预测或判断，进而调整支护参数、施工方法相施工顺序，以达到围岩稳定、施工安全和工程经济的目的，所以监控量测工作既是新奥法施工的前提，又是新奥法施上的核心。如果隧道施工现场只是采用了一些新奥法所提倡的个别工程手段，而没有建立有效的监控量测系统并用于指导设计和施工，就算不上什么"新奥法"。①道施工的方法和手段很多，各有其实行原则和操作要点。新奥法施工的原则是尽量减少对围岩的扰动，充分利用围岩的自承能力，由围岩和支护共同形成承载结构。其施工操作的要点是尽快施作初期支护，将开挖面及早封闭，并及时进行监控量测和信息反馈。在破碎、软弱、富水地层或浅埋、偏压等不能自稳的困难、危险地段进行开挖施工，则要根据具体情形采取针对性的辅助施工措施预先进行处理，如实施堵水、排水、降水或冻结，注浆加固、改良岩土以提高其物理力学性能，施作管棚、导管及锚索防护等。②现场监控量测计划应根据隧道位置所处的地形、地质条件，开挖断面形式及几何尺寸，支护、衬砌类型和参数、施工方法、施工顺序相循环进尺，以及其它有关条件制定。其内容包括：量测项目和方法、量测仪器选用、测点布置、数据采集、数据处理、信息反馈及量测人员组织等。监测工作的关键在于数据采集的及时和准确，因此要求地表测点必须按设计预先埋置，洞内新增测点应在距开挖工作面2m的范围内安设，测量仪器的校核和调试要按照规定进行，并严格把握数据采集的周期和密度，监测技术的难点在于评判和控制平准的制定，针对具体工程条件往往需要经验和理沦共同印证，慎重比选，井在试验中进行调整。隧道围岩稳定程度应根据量测结果按照变形管理等级，位移变化速度和位移时态曲线的走势综合评判，进而指导施工。2.4项目管理的组织 由以上各点可知，新奥法讲求的是信息化的没计和施工、因此隧道施工现场就必须有与之相适应的组织管理模式。在我国目前的建设体制下，这就要求建设方、设计方、施工方和监理方都必须委派自己的代表进入一个项目组织内共同工作，否则就难以做到工程信息及时有效地传递和沟通，也难以保证工程决策的效率和质量。然而实际情况并不理想，致使新奥法在实行中大打折扣。如何使生产组织能够适应于新的生产方式也是我们的努力方向。近年来，在一些隧道上地上出现了独立于设计和施工之外的专业量测队伍，他们的工作是值得肯定的。但是数据信息及时用于设计和施工需要关注和改进。在现实情况下，建立"第三方"监测的机制可能会是利大于弊。3新奥法的运用新奥法经过奥地利、瑞典、贵大利等国的多个工程实践证明井取得成功之后，在西欧、北欧、美国和日本等许多隧道及地下工程中获得了极为迅速的发展。20世纪的80年代我国隧道工程界兴起了运用新奥法的热潮，到目前使用这种新技术修建的各类隧道和地下工程可能有数千座之多，堪称世界之最。新奥法的成就有目共睹，众所公认、但是新奥法的工程方法确是另辟新径，超乎传统。新奥法讲的是一个具体应用岩动态性质的、比较完整的力学概念。它包含的内容相当宽泛，也极为深入。新奥法要求它的使用者既要有丰富的工程实践经验，又要有扎实的岩上力学理论知识。因而也导致了人们对新奥法的认识和理解上的分歧。尤其是工程现场上人们运用新奥法的水平差异很大，带来的结果也大不一样.有的还造成了惨痛的失败和教训。以至于有人-度对新奥法的工程原理和使用价值产生疑虑。以下将概要指出新奥法在现场运用中常见的一些问题，希望能引起大家重视。①认识错误，理解片面，单纯地把新奥法看作是一种施工方法或支护手段。仅使用了新奥法的部分原理，就认为是在运用新奥法修建隧道，其实整个工程策划距离新奥法的要求甚远，工程效果当然难以保证。譬如说，光面爆破、喷锚支护、复合衬砌等，任何一种工法或多种工法的组合都不可能代表新奥法的真正含义。新奥法的各部分内容是一个相互关联的系统整体，只有深入理会，全面运用才能取得较为理想的工程效果。 ②没有弄懂新奥法教程中相关条款真正的科学涵义，而是当作教条死搬硬套，就难免吃苦头；比如不顾地质情况的差异和变化，一味采用较大断面进行隧道开挖施工，原以为可以减少对围岩的扰动，却造成了开挖面失稳以至发生坍塌的严重后果。新奥法所包含的各条工程原则在实际运用中，有轻重缓急之分，须把握关键，权衡利弊，相机而动，灵活处置，但是保持和实现围岩的稳定是第一位的基本原则，可谓"稳定压倒一切"。对于围岩稳定有较大影响的工程因素要仔细考虑，慎重抉择。③忽视了新奥法所提倡或主张的各种方法、手段的使用范围及边界条件，陷入盲目被动，贻误时机，酿成大错。一股表现在对特殊地质情况的处理上。如开挖面普遍涌水，喷混凝土无效；出现流沙层或软塑上体，开挖面不能自稳；遭遇膨胀性岩体或高地应力下蠕变地层，量测数值曲线呈发散状态不收敛；隧道所处地区为湿陷性黄土，地表及拱顶下沉难以控制等。克服上述困难地质往往需要采取适当的辅助施工措施，其基本操作是"治水保土"。即堵水、排水、降水、冻结、注浆、环槽开挖留核心、封闭开挖面、锚杆、管棚、超前小导管、临时底拱等。④所采用的施工方法及施工顺序违背新奥法的力学原理，形成了安全隐患，以至发展为坍塌事故。如在软弱、破碎及含水量较大的地层中采用长台阶法进行开挖施工，就会造成隧道起拱线以下的边墙部位应力变化过大，围岩物理力学性质恶化而失稳。而且没有临时仰拱措施的长台阶法施工雄以实现及早封闭成环的原则要求。近些年来屡次发生的隧道"关门塌方"多数由于这种原因形成-在新奥法指定的工程原则下，可采用的施工方法、施工顺序和工程参数有多种可能，应充分考虑具体条件及其变化趋势，做出较为合理的选择，并在实施中加以修正和补充。 ⑤监测系统不完善使得信息要素缺失，新奥法在实际运用中遇到困难、原本量侧数据的采集、处理和分析就是新奥法的重点和难点，也是新奥法需要继续深入发展的重要方面之一。目前大多数施工现场监测数据以位移(A类)为主，应力、应变(B类)为辅，通过定量分析求知两类变量的关系。实际上用的最多的收敛位移值是相对值，然而用于判断围岩和支护稳定程度的应该是位移、形变或应力的绝对值。在同一隧道断面中，当各部分围岩的岩性和产状差异较大时，常规的分析判断结果会出现较大的差误，须要增加另外的检测手段进行对照和修正。如果观场监测只有数据采集而没有处理，分析，也没有信息传递及反馈，那么所谓的"新奥法"则有其名，而尤其实，工程实施若盲人瞎马处于十分危险的境地。⑥设计要素不能满足新奥法的基本要求，修正设计环节与现场脱离或不及时，从而造成延误和浪费。新奥法要求第二阶段的施工设计必须在现场与施工同时跟进，然而我国现有的基建体制不能很好适应。虽然在大家的努力下这种状况已有了部分地改善，还出现了设计.施工、监理联合办公的试点，但是大多数隧道建设工地真正要推行新奥法是有困难的。在隧道工程建设中实行设计施下总承包的模式是适宜的。它有利于新奥法的实施和发展，长大隧道和隧道群的建设应在现场设置工程建设管理项目部，将业主.设计，施工、监理等各方按照新奥法的流程融为一体。 ⑦施工管理水平和操作人员素质距离新奥法的技术组织要求相差太远，施工流程和质量指标难以达到规定，使得新奥法在实行中大打折扣。譬如，在软弱、破碎的地层中施工，不按照"喷-锚一网一支一喷"的标准程序走，而是省却工序，边挖边支，最后再喷。结果形成开挖面较长时间地裸露，临空面围岩出现较大的松弛和变形，自稳能力有了不同程度地下降；更为恶劣的情形是在支撑背后超挖空洞里填塞石块和杂物，以喷射混凝土覆盖之；还有支撑接头连接强度不足、轴线偏离超标的情形等。这些不规范、不道德的操作行为降低了围岩和支护的设计承载能力，埋下了严重的质量隐患。并危机施工安全，甚至造成隧道坍塌。所以，提高施工管理水平和加强施工人员的技术培训也应该是施行新奥法的重要环节。郭陕云(中国土木工程学会隧道及地下工程才会.河南洛阳471009；中铁隧道集团有限公司，河南洛阳471009)特别声明：1：资料来源于互联网，版权归属原作者2：资料内容属于网络意见，与本账号立场无关3：如有侵权，请告知，立即删除。