图解“新奥法”

图解“新奥法”剧仲林TheNewAustrianTunnelingMethod(NATM)isbasedonaconceptwherebytheground(rockorsoil)surroundinganundergroundopeningbecomesaloadbearingstructuralcomponentthroughactivationofaring-likebodyofsupportingground.新奥法是基于一个概念，即通过发挥围岩承载环的主动作用使隧道围岩成为承载结构。HP0=γH隧道影响圈围岩地面围岩承载环—围岩应力状态rR原岩弹性区塑性区应力降低区应力升高区原岩应力区弹性状态径向应力分布曲线塑性区切向应力分布曲线弹性区径向应力分布曲线弹性状态切向应力分布曲线塑性区径向应力分布曲线弹性区径向应力分布曲线强度线：τ=c+σtanφ塑性区内任一点的应力圆均与该线相切P0rσ承载环需要激发使其成为承载环0围岩莫尔-库伦破坏准则0στσ1σ3=0φcσ3σ3σ1σ1θστ单元体受力状态破坏状态莫尔-库伦破坏准则0στσ1σ3φc2θσ3σ3σ1σ1θστ单元体受力状态破坏角θ=45°+φ/2极限平衡状态莫尔-库伦破坏准则σ极限平衡状态坐标下ctgc2sin3131在坐标下31sin1cos2sin1sin131c245sin1sin12tg2452sin1cos2tgcccc31令莫尔-库伦破坏准则极限平衡状态莫尔-库伦破坏准则0στσ1=σ3σ3φcσ3σ3σ1σ1θστ单元体受力状态激发围岩自承能力就是增大侧向应力即σ3σ3σ3σ3σ3σ3σ3莫尔-库伦破坏准则库仑准则库仑（C.A.Coulomb）1773年提出内摩擦准则，常称为库仑强度理论。●库仑认为：“岩石的破坏主要是剪切破坏，岩石的强度（即抗摩擦强度）等于岩石本身抗剪切摩擦的粘结力和剪切面上法向力产生的摩擦力。”若用σ和τ代表受力单元体某一平面上的正应力和剪应力，则这条准则规定：当τ达到如下大小时，该单元就会沿此平面发生剪切破坏，即：式中：c——粘聚力；f——内摩擦系数。fca库仑准则引入内摩擦角，并定义f=tanφ，这个准则在τ—σ平面上是一条直线。●直线的斜率为f=tanφ，截距为c。●剪切面上的正应力和剪应力可分别由应力圆给出，如图所示。●当此应力圆与式(a)所表示的直线相切时，即发生破坏。莫尔-库伦破坏准则莫尔准则莫尔(Mohr)1900年提出：材料的强度是应力的函数，在极限时滑动面上的剪应力达到最大f(即抗剪强度)，并取决于法向压力和材料的特性。这一破坏准则可表示为如下的函数关系，即：τf=f（σ）（b）●此式在τ-σ平面上是一条曲线，它可以由试验确定，即在不同应力状态下达到破坏时的应力圆的包络线。●这个准则也没有考虑σ2对破坏的影响，这是它存在的一个问题。莫尔-库伦破坏准则用莫尔包络线判别材料的破坏根据莫尔强度理论，在判断材料内某点处于复杂应力状态下是否破坏时，只要在τ-σ平面上作出该点的莫尔应力圆。●若应力圆在莫尔包络线内(圆1)，则该点没有破坏。●若应力圆刚好与包络线相切，则该点开始破坏，或者称之为处于极限平衡状态。●而与包络线相割的应力圆(圆3)，实质上是不存在的，因为当应力达到这一状态之前，该点就沿着一对平面破坏了。莫尔-库伦破坏准则莫尔-库伦破坏准则莫尔包络线的型式关于莫尔包络线的数学表达式，有直线型、双曲线型、抛物线型和摆线型等多种形式，但以直线型为最通用。直线型●表达式：●此种情况下，莫尔准则与库仑准则等价。正是因为这点，在实际中常将式（a）称为莫尔—库仑准则。●但要注意这两个准则的物理依据是不尽相同的。ffffC22311)1(2岩石全应力应变曲线岩石全应力应变曲线亦称“应力-应变图”。表示材料在外力或外因变化的作用下,应力与应变变化特征的曲线。全应力应变曲线，表征了岩石从开始变形，逐渐破坏，到最终失去承载能力的整个过程。根据岩石的变形吧全应力应变曲线分为6个阶段，各个阶段的特征和反映的物理意义如下：（Ⅰ）OA段，应力缓慢增加，曲线朝上凹，岩石试件内裂隙逐渐被压缩闭合而产生非线性变形，卸载后全部恢复，属于弹性变形。（Ⅱ）AB段，线弹性变形阶段，曲线接近直线，应力应变属线性关系，卸载后可完全恢复。（Ⅲ）BC段，曲线偏离线性，出现塑性变形。从B点开始，试件内部开始出现平行于最大主应力方向的微裂隙。随应力增大，数量增多，表征着岩石的破坏已经开始。（Ⅳ）CD段，岩石内部裂纹形成速度增快，密度加大，D点应力到达峰值，到达岩石最大承载能力。岩石全应力应变曲线（Ⅴ）DE段，应力继续增大，岩石承载力降低，表现出应变软化特征。此阶段内岩石的微裂隙逐渐贯通。（Ⅵ）残余强度。强度不再降低，变形却不断增大。传统“新奥法”的不足以及围岩松动圈的存在传统的“新奥法”理论基础是围岩处于弹性-塑性状态，实测表明，隧道围岩存在破坏状态——即存在松动圈。围岩松动圈的存在具有客观性及普遍性，围岩松动圈是开挖后，隧道周边客观存在着的物理状态，其对应于岩石全应力—应变曲线峰后阶段的岩石状态。只有当围岩强度大于围岩的应力时，隧道周边不产生松动圈，此时称松动圈值为零，隧道实际不存在支护问题。围岩支护对象就是围岩松动范围的松动荷载。rR围岩原岩松动圈应力降低区应力升高区原岩应力区P00σ承载环隧道围岩状态对应于岩石的全应力—应变曲线ε塑性区破裂膨胀稳定区应变软化区弹性区隧道围岩周边环向应力状态•λ＜1/3时，洞顶、底将出现拉应力，其值为而两侧壁将出现压应力集中，其值为隧道围岩周边环向应力状态31v3v•λ＞1/3时，洞壁围岩均为压应力集中，顶、底的压应为而两侧壁压应力值为当σθ大于围岩的单轴抗压强度σc时，洞壁围岩就要破坏（洞壁的径向应力σr=0）。隧道围岩周边环向应力状态31v3v•对于Ⅳ、Ⅴ级围岩，通常λ=1/4～1/2，所以对于这两种围岩，拱部中心夹角约60°范围围岩处于拉应力状态，锚杆的支护效果较差，最理想的支护是钢架；而侧壁的应力状态，不论何时，均大于初始应力2倍以上，围岩必然处于松动-塑性状态，其最理想的支护是锚固，且锚固应加强。•软岩隧道围岩的破坏首先从侧壁开始，所以，保证侧壁稳定即可保证隧道整体的稳定。根据隧道围岩应力状态进行有效支护隧道围岩破坏坍塌Ⅱ、Ⅲ级隧道围岩应力状态及施工要点rRP0rσ0应力升高区围岩承载环弹性状态原岩围岩切向应力曲线σ1径向应力曲线σ3Ⅱ、Ⅲ级围岩为弹性状态，其变形为弹性变形，且在爆破之后基本完成，施工时重点注意局部的吊块或坍塌，喷射混凝土以平、顺为要点，避免应力集中产生，围岩量测也重点监控局部超挖、坍塌、裂缝等部位。Ⅳ、Ⅴ级隧道围岩应力状态及施工要点rRP0rσ0应力升高区围岩承载环弹性状态原岩围岩切向应力曲线σ1径向应力曲线σ3Ⅳ、Ⅴ级围岩由外→内，为弹性→塑性→松动状态，其变形主要为围岩碎胀变形，只有在初期支护闭合之后方可结束，施工时注意支护要及时，极力控制围岩应力释放，以锚杆、钢架、喷混凝土为主要措施与围岩形成组合拱作为承载结构；围岩量测以监控钢架为目标。应力降低区塑性-松动破坏状态根据围岩应力状态进行有效支护因为施工作业空间的原因，锚杆的方向向下此范围内的锚杆可以取消此锁铰锚杆是关键侧壁的应力最大，应加强锚固及时闭合，是初期支护成环60°“新奥法”与“矿山法”•矿山法——是基于一个概念，即以钻孔爆破为开挖隧道的主要方法、并以经典土力学理论进行隧道支护设计。•矿山法与新奥法一样，不是施工方法，是一个概念或原理，是一种修建隧道的“哲学”。•矿山法与新奥法是一对并列的概念，而非从属概念。矿山法定义的重点不是“钻爆”施工方法，而是“以经典土力学理论”进行的隧道支护设计，经典土力学主要指太沙基理论，其内涵是——围岩是荷载，不作为支护结构的一部分。而新奥法对待围岩，其不仅是荷载，而且作为支护结构的一部分。太沙基理论图示“新奥法”与“矿山法”对照钻爆法开挖喷锚支护矿山法新奥法以经典土力学理论为理论基础，不考虑围岩的自承能力以弹塑性力学理论为理论基础，利用围岩自承能力喷锚支护考虑围岩自承能力的，则为“新奥法”，反之为“矿山法”。•不考虑围岩自承能力的支护措施是偏于安全的，但是，这种支护措施圬工量大，受到作业空间、设备、材料以及对结构的质量等要求的限制，难以实现，此时，必须考虑围岩自承能力。•处理特殊地质地段时，如果在保证结构的质量前提下，将围岩完全看作荷载的措施可以安全实现，那么，这种不考虑围岩自承能力的支护方案是一个比较理想的方案。反之，就是糟糕的方案。比如在处理支护变形采取的“支撑”方案，开始进行的“强支撑”，由于衬砌结构“全断面”方可保证质量的要求，所以在衬砌之前必有拆除“支撑”的工序，这将是十分危险的。“支撑”是矿山法的理念，其配套的施工方法是“替换支撑”，即以二次衬砌替换临时支撑，这种工法的缺点是防水质量差，衬砌结构整体性差，特别是混凝土接头，无法满足对结构的耐久性要求。•正常情况下，不考虑围岩自承能力的施工理念必然是不经济的，是“不用脑筋用钢筋”解决问题的思想。“新奥法”与“矿山法”对照•按“新奥法”理念处理隧道支护变形，会同时从加强支护和减小荷载两个方面入手；按“矿山法”理念处理隧道支护变形，就一味加强支护。“新奥法”与“矿山法”对照“新奥法”处理支护变形——第一阶段“矿山法”处理支护变形——第一阶段以渣土回填隧道下半断面，以稳定侧壁、减小开挖断面，是最及时、最安全、最经济的施工措施的施作临时仰拱加强侧壁锚固加强侧壁锚固构件支撑•不论是经典土力学理论还是弹塑性力学理论，虽然荷载计算公式各异，但都有一个共同点——荷载与隧道开挖断面直径（或宽度）成正比，所以减小隧道断面→减小隧道直径→减小荷载→减少支护量的思路来处理支护变形，会更安全、更快捷、更经济。“新奥法”与“矿山法”对照“新奥法”处理支护变形——第二阶段“矿山法”处理支护变形——第二阶段分部清除渣土侧壁锚固分部拆除临时仰拱全断面施作二次衬砌施作拱部衬砌拆除拱部临时支撑施作下部衬砌拆除下部临时支撑新奥法谢谢！