新奥法、新意法及洞口施工

内容回顾•各种开挖方法特点及适用环境内容回顾•各种开挖方法特点及适用环境全断面开挖法、台阶开挖法、分部开挖法12①②②③①②③①①②③①②②③③①②③④⑤⑥①②③④⑤⑥11ⅡⅡ3Ⅳ5Ⅵ第六章隧道施工方法第三节新奥法的概念新奥法即奥地利隧道施工新方法(NATM)，是以喷射混凝土锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法。核心内容：充分保护、利用围岩的承载能力。施工要点：控制爆破、锚喷支护和施工监测。实施方法：设计、施工和监测三位一体的动态模式。一、概念第六章隧道施工方法初期支护隧道开挖后，为控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安全度和方便施工，隧道开挖后立即施作刚度较小并作为永久承载结构一部分的结构层，称为初期支护。初期支护加二次衬砌，构成复合式衬砌。钢筋网喷砼钢架锚杆第六章隧道施工方法第六章隧道施工方法锚杆(索)是用金属或其它高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。(一)锚杆(1)支承围岩：锚杆喷射混凝土约束变形，向围岩施加压力二轴变三轴应力状态第六章隧道施工方法(2)加固围岩:承载拱“拱效应”第六章隧道施工方法(3)提高层间摩阻力，形成“组合梁”:PPσσ第六章隧道施工方法(4)“悬吊”作用:第六章隧道施工方法(二)喷射混凝土使用混凝土喷射机，按一定的混合程序，将掺有速凝剂的细石混凝土，喷射到岩壁表面上，并迅速固结成一层支护结构，从而对围岩起到支护作用。第六章隧道施工方法1、喷混凝土的作用(2)“卸载”作用(1)支撑围岩(3)填平补强围岩承载圈NN粘结粘结剪切剪切第六章隧道施工方法(4)覆盖围岩表面(5)阻止围岩松动(6)分配外力潮气裂隙水ττ第六章隧道施工方法2、喷混凝土的组成(1)水泥(2)砂子（细骨料）(4)水(3)石子（粗骨料）(5)速凝剂第六章隧道施工方法目的：加速凝结、硬化，提高早期强度；减少回弹量；防止因重力作用而引起喷砼的流淌或脱落；增大一次喷射厚度，缩短分层喷射的时间间隔。要求：掺用后，喷射混凝土能快凝早强（初凝时间不应大于5min，终凝时间不应大于10min），收缩变形小，对温度和水灰比变化不敏感，对混凝土后期的物理力学性能无显著不良等，对混凝土和钢筋无腐蚀作用。第六章隧道施工方法3、喷混凝土的特点及力学性能(1)强度增长快、粘结力强、密度大、抗渗性好。(2)施工快速、简捷。•喷混凝土的特点(3)喷砼能及早发挥承载作用。(4)与模筑混凝土相比，密实性和性能稳定性要差。第六章隧道施工方法•喷层的力学性能喷射混凝土的主要力学特性有强度和变形特性。主要强度指标：设计强度与受压弹性模量。喷射混凝土强度等级强度种类C20C25C30轴心抗压1012.515弯曲抗压1113.516轴心抗拉1.01.21.4喷身混凝土强度等级C20C25C30受压弹性模量Ec2.1×1042.3×1042.5×104模筑混凝土第六章隧道施工方法(三)钢筋网环向和纵向布置第六章隧道施工方法(四)钢架型钢钢架工字型钢、H型钢、槽钢、U型钢、钢管及钢轨第六章隧道施工方法第六章隧道施工方法格栅网构钢架第六章隧道施工方法隧道中线拱部A单元拱部B单元开挖轮廓线边墙C单元边墙D单元内轨顶面仰拱E单元第六章隧道施工方法施工准备确定施工方案开挖二次支护初期支护监控量测是否符合管理基准？防水隔离层是竣工否修改施工方案改变开挖方法和顺序修正支护参数必要时须超前支护或预先进行地层改良二、施工程序第六章隧道施工方法三、隧道施工应遵循的基本精神和原则•1.在施工中必须充分保护围岩，避免过度破坏和损伤遗留围岩的强度，使暴露的围岩尽量保留既有的质量，因此，采用控制爆破技术是必要的；•2.为了充分发挥围岩的承载力，应允许并控制围岩的变形允许围岩变形达到不在围岩中形成松弛的量级；必须限制围岩变形，使围岩不会过渡松弛而丧失或大大降低承载力；第六章隧道施工方法•3.变形的控制主要通过支护阻力(即各种支护结构)的作用效应达到；支护结构的类型支护结构参与工作的时间各种支护手段的相互配合底部封闭时间1次掘进长度第六章隧道施工方法•4.必须在施工中进行实地监控量测，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计；•5.在施工过程中，必须建立设计－施工检验－地质预报－量测反馈－修正设计的一体化的施工管理系统，以不断的提高和完善隧道施工技术；•6.选择支护手段，一般应选择大面积、牢固与围岩紧密接触、能及时施设和应变能力强的支护手段；第六章隧道施工方法•7.在可能的条件下，应尽量采用全断面或大断面分部的开挖方法；多采用喷砼、并与锚杆、金属网联合使用要与钢支撑或格栅等配合使用临时仰拱也是重要的、不容忽视的支护手段•8.在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的；•9.为保证二次衬砌的质量和整体性，在任何情况下，都应采用先墙后拱的施工顺序。第六章隧道施工方法新奥法施工的基本原则可以归纳：少扰动——开挖时要尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间。早支护——开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控制状态。第六章隧道施工方法勤量测——以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩(或围岩加支护)的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式、开挖方法。紧封闭——一方面指采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而致强度和稳定性的衰减。另一方面指要适时对围岩施作封闭形支护。第六章隧道施工方法新奥法与传统矿山法的关键异同点：相同：均采用钻爆法施工。不同：对围岩的处理不同。第六章隧道施工方法第四节隧道岩土控制变形分析工法简介20世纪70年代，意大利的PietroLunardi教授开始对数百座隧道进行理论和现场试验研究，并逐步创立了岩土控制变形分析法(ADECO-RS法)，该方法用中文解释为“新意法”。过去数十年内，“新意法”广泛应用于意大利的铁路和公路领域，并已纳入意大利隧道设计和施工规范。“新意法”还应用于欧洲其它一些国家的隧道项目。第六章隧道施工方法一、基本原理隧道掘进对隧道周边及前方一定范围的围岩产生扰动，改变了围岩原始应力状态。在开挖面周边区域内，围岩由三轴应力逐渐转变为平面应力状态，开挖面及前方一定范围内围岩应力重分布。开挖后围岩变形也在扰动区域内提前发生，变形大小取决于开挖后的应力状态和围岩强度及变形特征。第六章隧道施工方法当开挖面前方围岩的应力状态处于弹性范围内时，在开挖轮廓线附近产生弹性变形，称为“拱部效应”，这时开挖面处于稳定状态；图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应第六章隧道施工方法如果开挖后围岩处于弹~塑性状况，开挖轮廓四周及开挖面将朝隧道内产生塑性变形，“拱部效应”将从开挖轮廓周围往外移到地层中，但此“转移”只能通过足够的支护措施来实现和控制；图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应第六章隧道施工方法如果开挖后围岩产生破坏~滑移的应力状态，围岩大变形随之产生，围岩极不稳定，“拱部效应”难以形成，极易引起坍塌。这时必须采取人工支护措施协助围岩形成“拱部效应”。图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应第六章隧道施工方法图6-4-1隧道开挖面失稳三种情况拱部效应拱部效应自然拱部效应转移拱部效应无拱部效应因此，隧道“拱部效应”的形成及其位置取决于开挖后围岩的变形特征及其大小。第六章隧道施工方法隧道开挖扰动后周边及前方围岩所产生的变形分为掌子面围岩挤压变形、掌子面前方围岩预收敛变形及开挖后洞室围岩收敛变形三类。第六章隧道施工方法基本术语超前核心土：是隧道掌子面前方一定体积的土体，呈圆柱形，圆柱体的高度和直径大致等于隧道直径。第六章隧道施工方法掌子面挤出变形：是开挖介质对隧道开挖产生的变形反应的主要表现形式，主要发生在超前核心土内；大小取决于超前核心土的强度、变形特征及其所处的原始应力场；挤出变形发生在掌子面表面，沿隧道水平轴线方向发展，大概呈轴对称(掌子面鼓出)，或在掌子面形成螺旋状突出。第六章隧道施工方法隧道预收敛：隧道掌子面前方的理论轮廓线的收敛变形，完全取决于超前核心土的强度及变形特性与其原始应力状态间的关系。第六章隧道施工方法可把超前核心土视作一种新的隧道长期和短期稳定的工具；研究成果超前核心土的强度及变形特性是隧道变形的真正原因，对隧道的长期和短期稳定起决定作用；可通过对超前核心土进行防护和加固，提高其强度，以达到控制超前核心土变形，并最终控制隧道变形的目的；第六章隧道施工方法二、实施要点两个实施阶段：完成地质勘察、诊断及处理措施设计；设计阶段施工阶段边实施作业边监控量测，然后优化调整，使开挖面和洞身结构体系形成平衡，保持稳定。第六章隧道施工方法1.设计阶段(1)地质－岩性勘测（勘测）依据获取的信息，将隧道各地段围岩进行分级(A、B、C三级24个亚级)，每一分级条件下围岩具有相似的地质及地质力学特征。(2)开挖过程围岩变形行为预测（诊断）诊断阶段主要是预测各不同围岩级别在开挖过程中围岩的变形行为。第六章隧道施工方法(3)确定开挖方法及稳定支护措施（处治）不采用隧道掘进机(TBM)开挖的情况下，可以依据下述原则：①尽量采用全断面掘进。②根据不同级别的围岩特性采取必要的预加固、预支护及初期支护措施以减小变形、防止塌方。③施作二次衬砌，必要时用钢筋混凝土二次衬砌，尽快浇注仰拱以阻止开挖产生的极速变形。第六章隧道施工方法2.施工阶段(1)施工作业施工单位通过现场勘察及附加测试确定设计文件有效性及可行性，必要时对细部设计进行改进。然后按拟定的施工方案认真进行作业，运用所定各种稳定方法控制隧道的变形。第六章隧道施工方法(2)监控量测与施工同时进行，目的是监测地层对开挖和稳定措施的真正反应(反应以变形现象表现出来)。为此，在开挖面前方、开挖面上及后方安装合适的监测点。(3)设计调整通过监测结果的分析和解释，施工主管决定是否继续按设计的断面和施工方案进行施工，或对某些措施进行调整，以保证开挖面和洞周围岩之间的稳定平衡，确保隧道建成。第六章隧道施工方法1、地层变形反应的分析方式不同三、与新奥法的比较新奥法：对地层变形反应的分析仅限于掌子面的后方，仅对隧道收敛进行分析；第六章隧道施工方法新意法：不仅对掌子面后方的地层变形反应(收敛)进行分析，且更注重对掌子面及掌子面前方地层的变形反应。第六章隧道施工方法2、地层变形反应的控制方式不同新奥法采用锚杆、喷射混凝土、钢拱架、施作仰拱等手段，仅对掌子面后方的隧道施加约束作用；新意法不仅要求隧道的支护措施(包括二次衬砌和仰拱)要与掌子面保持适当距离，不能落后掌子面太远，对隧道提供连续的约束作用，而且要求对超前核心土采取适当的防护和加固措施，提高其强度和变形特性，对隧道提供超前约束作用。第六章隧道施工方法第六章隧道施工方法第五节隧道洞口施工一、洞口地段的一般概念隧道施工的洞口地段，是指隧道进口(或出口)附近对隧道施工有影响的地段。隧道洞口工程：边、仰坡土石方；边、仰坡防护；端墙、翼墙等洞门圬工；洞口排水系统；洞口检查设备安装；洞口段洞身衬砌。第六章隧道施工方法洞口地段特点：(1)稳定性较差：地层一般较破碎，多属堆积、坡积、严重风化或节理裂隙发育的松软岩层；(2)当岩层层面坡度与洞门主墙开挖坡度一致时，容易产生纵向推滑力；(3)洞口山体覆盖层较薄，一旦塌方可能塌穿到地表面；(4)隧道处于沟谷一侧或傍山时，通常会产生侧向压力。第六章隧道施工方法二、洞口地段施工注意事项l.在场地清理作施工准备时，应平整洞顶地表，排除积水，整理隧道周围流水沟渠。之后施做洞口边、仰坡顶处的天沟。2.洞口施工宜避开雨季和融雪期。在进行洞口土石方工程时，不得采用深眼大爆破或集中药包爆破，以免影响边、仰坡的稳定。3.洞口部分圬工基础必须置于稳固的地基上。第六章隧道施工方法4.洞门拱墙应与洞内相邻的拱墙衬砌同时施工连