《道路养护与管理》课程论文--隧道工程中不同围岩等级，对于新奥法施工论述

《市政道路养护与管理》课程论文论文题目：隧道工程中不同围岩等级，对于新奥法施工论述姓名：袁内廷学号：201120901316专业班级：2011级土木工程3班（道桥方向）任课教师：陈晓刚8 摘要                   新奥法施工是把岩体视为连续介质，根据岩体具有的粘性、弹性、塑性的物理性质，并利用了洞室开挖后围岩应力重新分布而产生的变形到松动破坏有一个时间效应的动态特性，适时地采用薄壁柔性支护结构（以锚喷为主）与围岩紧密贴合共，发挥围岩的自承作用，尽可能保护隧道围岩原有强度，允许围岩变形但又不致出现强烈的松弛破坏，并及时掌握围岩和支护变形动态，使隧道围岩的变形与限制变形的结构支护抗力保持动态平衡。新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。 关键词：新奥法、支护、盾构、围岩分级、施工工艺。概述：新奥法是在利用围岩本身所具有的承载效能的前提下，采用毫秒。爆破 和光面爆破技术，进行全断面开挖施工，并以形成复合式内外两层衬砌来修建隧道的洞身，即以喷混凝土、锚杆、钢筋网、钢支撑等为外层支护形式，称为初次柔性支护，系在洞身开挖之后必须立即进行的支护工作。因为蕴藏在山体中的地应力由于开挖成洞而产生再分配，隧道空间靠空洞效应而得以保持稳定，也就是说，承载地应力的主要是围岩体本身，而采用初次喷锚柔性支护的作用，是使围岩体自身的承载能力得到最大限度的发挥，第二次衬砌主要是起安全储备和装饰美化作用。 1.1 新奥法:缩称NATM。应用岩体力学的理论，通过对隧道围岩变形的量测、监控，采用新型的支护结构，尽量利用围岩自承能力指导隧道设计和施工的方法。其特点是在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷射混凝土和锚杆支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力（见围岩压力）。因此，它也是一个具体应用岩体动态性质的完整力学方法，其目的在于促使围岩能够形成圆环状承载结构,故一般应及时修筑仰拱,使断面闭合成圆环。它适用于各种不同的地质条件，在软弱围岩中更为有效。  新奥法施工基本原理与主要原则： 基本原理：利用围岩的自稳能力开挖后等待围岩达到自承能力和开挖面的空间约束作用，采用以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结构的监控、测量来指导地下工程的设计与施工。对于围岩性质不好不稳定的地方，应采用初衬和二衬对围岩进行加固。 8 新奥法的原理虽然可用于各种类型的支护,但是,最为适用的是喷锚支护。因此喷混凝土、锚杆、量测被认为是新奥法的三大要素。它产生和发展的历史与这三者密切相关，但不能把喷锚支护误解为新奥法的同义语。  主要原则： （1）充分保护围岩，减少对围岩的扰动。  （2）充分发挥围岩的自承能力。  （3）尽快使支护结构闭合。  （4）加强监测，根据监测数据指导施工。  可扼要地概括为“少扰动、早喷锚、快封闭、勤测量” 1.3 隧道各级围岩自稳能力判断 围岩等级根据围岩主要工程地质条件和岩石质量指标、岩体弹性波纵波速度及岩体完整性系数可将围岩分为I、II、III、IV、V和VI共六种类别，各类围岩类别的主要工程地质特征和各项指标分别见表1、表2。围岩类别的主要工程地质特征和各项指标表1围岩类别测试参数指标VIVVIIIIIIIRQD（%）＞9585~9575~8550~7525~50＜25VP（km/s）＞4.53.5~4.52.5~4.01.5~3.01.0~2.0＜1.0I0.8~1.00.6~0.80.4~0.60.2~0.4＜0.2 表2类别围岩主要工程地质条件主要工程地质条件结构特征和完整状态VI硬质岩石（Rb>60Mpa）,受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面（或夹层）；，层间结合良好。呈巨块状整体结构V硬质岩石（Rb>30Mpa），受地质构造影响较重，节理较发育，有少量软弱面（或夹层）和贯通微张节理，但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象，或为硬质岩石偶夹软质岩石呈大块状砌体结构软质岩石（Rb≈30Mpa）受地质影响较微，节理不发育；层状岩层为厚层，层间结合良好。呈巨块状整体结构8 IV硬质岩石（Rb>30Mpa），受地质构造影响较重，节理发育，有层状软弱面（或夹层），但其产状及组合关系尚不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层，层间结合差，多有分离现象，或为硬、软质岩石互层。呈块（石）碎（石）状镶嵌结构软质岩石（Rb=5以上~30Mpa），受地质构造影响较重，节理较发育；层状岩层为薄层、中层或厚层，层间结合一般。呈大块状砌体结构III硬质岩石（Rb>30Mpa），受地质构造影响很严重，节理很发育，层状软弱面（或夹层）已基本破坏呈碎石状压碎结构软质岩石（Rb=5以上~30Mpa），受地质构造影响严重，节理发育呈块（石）碎（石）状压碎结构略具压密或成岩作用的粘性土及砂性土一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土黄土（Q1、Q2）块状压密结构呈巨块状整体结构呈巨状块整体结构II石质围岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂乱，呈石夹土或土夹石状呈角（砾）碎（石）状松散结构一般第四系的半干硬~硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的一般碎、卵石土，圆砾、角砾土及黄土（Q3、Q4）非粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构I石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内，呈角砾、砂、泥松软体呈松软结构软塑性粘性土及潮湿的粉细砂等粘性土呈易蠕动的松软结构砂性土呈潮湿松散结构自稳能力 Ⅰ 跨度20m，可长期稳定，偶有掉块、塌方 Ⅱ 跨度10—20m，可基本稳定，局部可发生掉快或塌方；跨度10m，可长期稳定，偶有掉块 Ⅲ 跨度10—20m，可稳定数日—1个月，可发生小—中塌方；跨度5—10m，可稳定数日，可发生呢个局部块体位移和小—中塌方；跨度5m，可基本稳定 Ⅳ 跨度5m，一般无自稳能力，数日—数月内可发生松动变形、小塌方，进而发展为中—大塌方；埋深小时，以拱部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性变形和挤压破坏；跨度小于5m，可稳定数日—1月。 8 Ⅴ 无自稳能力，跨度5m或更小时，可稳定数日 Ⅵ 无自稳能力 2、各级围岩在设计施工中应采取的工艺与措施 2.1 Ⅰ级围岩在设计施工中应采取的工艺和措施  该级围岩为硬质岩石，受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面；呈巨块状整体结构，开挖后围岩稳定、无坍塌，可能发生岩爆。开挖后应在其拱部喷射5cm后的混凝土，局部布置长度为2.0m的锚杆，二次衬砌的拱墙厚度不得低于30cm。 2.2 Ⅱ级围岩在设计施工中应采取的工艺和措施 该级围岩为硬质围岩，但是受地质构造影响较严重，节理较发育，有少量软弱面和贯通微张节理，但其产状及组合关系不致产生滑动，层状岩层为中层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象，或为硬质岩石偶夹角质岩石，开挖后暴露时间长，可能出现局部小坍塌；侧壁稳定；层间结合差的平缓岩层，顶部一塌落。开挖后应在其拱部喷射5---8cm后的混凝土，局部布置长度为2.0—2.5m的锚杆，二次衬砌的拱墙厚度不得低于30cm。 2.3 Ⅲ级围岩在设计施工中应采取的工艺和结构 该级围岩为硬质围岩，但是受地质构造影响较严重，节理发育，有层状软弱面，但其产状及组合关系尚不致产生滑动，层状岩层为薄层或中层，层间结合差，多有分离现象；或为硬、软质岩石互层；开挖后，拱部无支护时刻产生中、小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易塌。开挖后应在其拱部喷射8--12cm后的混凝土，局部布置长度为2.0—3.0m间距为1—1.5的锚杆，局部还要采用φ8@25*25的钢筋网支护；二次衬砌的拱墙厚度不得低于35cm。2.4  Ⅳ级围岩在设计施工中应采取的工艺和结构 该级围岩为硬质围岩，但是受地质构造影响非常严重，节理很发育；层状软弱面已基本破坏或软质岩石，受地质构造影响严重，节理发育；开挖后，拱部无支护时，可产生较大的坍塌；侧壁有时失去稳定开挖后应在其拱部喷射12--15cm后的混凝土，局部布置长度为2.5—3.0m间距为1—1.2的锚杆，局部还要采用φ8@25*25的钢筋网支护；二次衬砌的拱墙厚度不得低于35cm，仰拱厚度不低于35cm。 2.5 Ⅴ级围岩在设计施工中应采取的工艺和结构 该级围岩为石质围岩位于挤压剧烈的断裂带内，裂隙杂乱，呈石夹土或土夹石状，开挖后，围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌；浅埋时易出现地表下沉（陷）或坍至地表开挖后应在其拱部喷射15--25cm后的混凝土，局部布置长度为3.0—4.0m间距为0.8—1.2的锚杆，局部还要采用φ8@25*25的钢筋网支护；二次衬砌的拱墙厚度不得低于45cm，仰拱厚度不低于45cm。 2.6 Ⅵ级围岩在设计施工中应采取的工艺和结构 该级围岩为石质围岩位于极强烈的断裂带内，呈角砾、砂、泥松软体或软塑性土及潮湿的粉细砂等；开挖后，围岩极易坍塌变形，有水时土砂常与水一齐涌出；浅埋时易坍至地表。 8 由于该级围岩的特殊性，开挖后的支护须通过试验计算确定。 新奥法施工步骤 ： 1.1新奥法施工概论 新奥法认为围岩是一种承载机构，构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构（以喷射混凝土、锚杆为主要手段）并使围岩与支护结构共同形成支撑环，来承受压力，并最大限度地保持围岩稳定，而不致松动破坏。 新奥法将围岩视为巷道承载构件的一部分，因此，施工时应尽可能全断面掘进，以减少巷道周边围岩应力的扰动，并采用光面爆破、微差爆破等措施。减少对围岩的震动，以保全其整体性。同时注意巷道表面尽可能平滑，避免局部应力集中。   8 新奥法将锚杆、喷射混凝土适当进行组合，形成比较薄的衬砌层，即用锚杆和喷射混凝土来支护围岩，使喷射层与围岩紧密结合，形成围岩-支护系统，保持两者的共同变形，故而可以最大限度地利用围岩本身的承载力。 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ等级的围岩在设计与施工中采用施工准备→拟订施工方案→洞口路堑土石开挖→洞口防排水设施→洞身开挖→二次衬砌防水隔离层的施工步骤，尽量采取大断面开挖,尽量减少对围岩的破坏程度，还必须采取其他补充措施,如超前灌浆,冻结、疏导涌水等，才能使新奥法取得成功。 2Ⅰ,Ⅱ级围岩在设计施工中应采取的工艺与措施 2.1  在Ⅰ,Ⅱ级围岩在设计施工中应采取的工艺 在Ⅰ,Ⅱ级围岩在设计施工中应采取全断面开挖法，它是按巷（隧）道设计开挖断面，一次开挖到位的施工方法。其开挖方式主要有三种：即新奥地利全断面开挖法、护板全断面开挖法和掘进机护板全断面开挖法。全断面开挖是一次开挖成形的施工工艺，适用于铁路客运专线隧道的Ⅱ级围岩地段，全断面开挖施工工艺循环进尺必须根据隧道断面、围岩地质条件、机械设备能力、爆破振动限制、循环作业时间等情况合理确定。是按设计开挖面一次开挖成型。其开挖顺序是全断面开挖，锚喷支护，灌筑砼衬砌 使用移动式台车（或者台架），首先全断面一次钻孔，并进行装荷连线，然后将钻孔台车后退到50m以外的安全地点，再起爆，使一次爆破成型，出渣后钻孔台车再推移至开挖面就位，开始下一个钻爆作业循环，同时进行锚喷支护或先墙拱后衬砌。 2.2新奥法在Ⅰ,Ⅱ级围岩在设计施工中应采取的措施 2.2.1施工测量，当上一循环结束时，测量技术人员利用洞内中线控制桩点，画出工作面开挖轮廓线，并初步标记出主要钻孔位置。 2.2.2施工作业台架就位 根据工作面的开挖断面用人工配合装载机将施工作业台架移至指定位置，固定台架，保证台架稳定，台架尽可能放置在钻爆工易于操作凿岩机的位置。 2.2.3钻孔、装药 8 1） 隧道开挖前根据工程地质、开挖断面、 开挖方法、循环进尺、钻孔机具和爆破材料等进行钻爆设计。 2）钻爆设计的内容包括钻孔（掏槽眼、辅助眼、周边眼）的布置、数目、深度和角度，爆破器材、装药量和装药结构，起爆方法和顺序，和钻孔要求等。 ① 掏槽眼可采用直眼掏槽或斜眼掏槽； ② 周边眼应沿隧道开挖轮廓线布置，保证开挖断面符合施工图要求； ③ 掘进眼交错均匀布置在内圈眼和掏槽眼之间，力求爆破出的石渣块度适合装渣的需求； ④ 周边眼、内圈眼与辅助眼的孔底应在同一垂直面上。 (3)根据爆破设计要求和工作面的钻孔位置，开始人工操作YT-28气腿式凿岩机进行钻孔，在钻进过程中要根据钻进速度、围岩软弱程度等，及时调整供风量和供水量，钻孔位置和角度要准确。 (4)间隔装药。同时使药量沿钻孔全长适当分布。用炮棍送入炮孔，雷管采用毫秒微差有序起爆，眼口用炮泥堵实。光面爆破诸参数 参数岩石种类饱和单轴抗压极限强度Rb（MPa）装药不偶合系数D周边眼间距E（cm）周边眼最小抵抗线V（cm）相对距E/V周边眼装药集中度q（kg/m）硬岩>601.25~1.5040~5560~700.8~1.00.2~0.25中硬岩30~601.50~2.0035~4555~650.8~1.00.15~0.25预裂爆破诸参数参数岩石种类饱和单轴抗压极限强度Rb（MPa）装药不偶合系数D周边眼间距E（cm）周边眼至内圈崩落眼间距V（cm）周边眼装药集中度q（kg/m）中硬岩30~601.3~1.440~45400.25~0.35软岩≤301.4~2.030~40300.09~0.202.2.4出渣运输 8 工作面试验大功率装载机装渣，大型自卸汽车运输。首先要保证工作面的照明，便于司机操作，同时也保证出渣机械处于良好的状态，装运能力大于开挖能力并有备有，运输道理平整通畅，在关键地段设车辆调度进出车辆、安全警示和标识要齐全。 未来展望：新奥法的发展是和喷锚支护的材料、方法和机具等的发展密切相关的。要进一步研制初期和长期强度都高、回弹少、粉尘低、生产率高的喷射混凝土系统，并和高效能的集尘器、自动喷射装置、周期短的材料供应系统配套。研究能缩短喷敷时间，又无公害的新喷敷方法。研究不需用临时堆放场地、易于运输的喷射材料和新的施工工艺,如钢纤维加强喷射混凝土、SEC喷射混凝土、光面爆破和深孔爆破技术、液压凿岩台车（兼作安装锚杆用）、喷射车组（包括机械手）、各种混凝土喷射机、液体速凝剂、粉尘防止剂、树脂锚杆等。参考文献:     ⑴ 《公路隧道设计规范》(JTDG70-2004) ⑵ 《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-2009）8