-
新奧法
鎖定
新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，原文是New Austrian Tunnelling Method 簡稱：NATM，新奧法概念是奧地利學者拉布西維茲（L.V.RABCEWICZ）教授於50年代提出的，它是以隧道工程經驗和巖體力學的理論為基礎，將錨杆和噴射混凝土組合在一起，作為主要支護手段的一種施工方法，經過一些國家的許多實踐和理論研究，於60年代取得專利權並正式命名。之後這個方法在西歐、北歐、美國和日本等許多地下工程中獲得極為迅速發展，已成為現代隧道工程新技術標誌之一。六十年代NATM 被介紹到我國，七十年代末八十年代初得到迅速發展。可以説在所有重點難點的地下工程中都離不開NATM，新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修築隧道的一種基本方法。
- 中文名
- 新奧法
- 外文名
- New Austrian Tunnelling Method
- 提出者
- L.V. 拉布採維茨
- 提出時間
- 1963年
- 適用領域
- 地下工程設計施工
- 應用學科
- 巖體力學理論
新奧法簡介
新奧法是在利用圍巖本身所具有的承載效能的前提下，採用毫秒爆破和光面爆破技術，進行全斷面開挖施工，並以形成複合式內外兩層襯砌來修建隧道的洞身，即以噴混凝土、錨杆、鋼筋網、鋼支撐等為外層支護形式，稱為初次柔性支護，系在洞身開挖之後必須立即進行的支護工作。因為藴藏在山體中的地應力由於開挖成洞而產生再分配，隧道空間靠空洞效應而得以保持穩定，也就是説，承載地應力的主要是圍巖體本身，而採用初次噴錨柔性支護的作用，是使圍巖體自身的承載能力得到最大限度的發揮，第二次襯砌主要是起安全儲備和裝飾美化作用。
新奧法簡稱NATM。其特點是在開挖面附近及時施作密貼於圍巖的薄層柔性噴射混凝土和錨杆支護，以便控制圍巖的變形和應力釋放，從而在支護和圍巖的共同變形過程中，調整圍巖應力重分佈而達到新的平衡，以求最大限度地保持圍巖的固有強度和利用其自承能力。因此，它也是一個具體應用巖體動態性質的完整力學方法，其目的在於促使圍巖能夠形成圓環狀承載結構，故一般應及時修築仰拱，使斷面閉合成圓環。它適用於各種不同的地質條件，在軟弱圍巖中更為有效。
相關書籍
新奧法發展歷史
1934年，新奧法主要創始人 L.V. 拉布採維茨在就試圖將噴漿方法用於地下工程。
他在1942～1945年建造的洛伊布爾隧道中採用了雙層薄襯砌，即先噴一層混凝土，待變形收斂後再噴一層。
1944年，他發表了有關噴混凝土的論文，並指出了圍巖動態隨時間變化的重要性。
1948年，又指出了量測工作的重要性。又公佈了新噴敷方法。
最早在歐洲推廣使用錨杆的是1951～1953年建造的伊澤爾-阿爾克電站的有壓輸水隧洞。
1953～1955年修建普魯茨-伊姆斯特電站的有壓輸水隧洞時，按照拉布採維茨的建議，充分採用錨杆而獲得成功。
1957～1965年是着手發展新奧法的時期。拉布採維茨於1963年將這一方法正式命名為新奧地利隧道施工法。
1964～1969年又提出了在岩石壓力下隧道穩定性的理論分析，強調採用薄層支護，並及時修築仰拱以閉合襯砌的重要性。根據實驗證實，襯砌應按剪切破壞進行設計計算。
新奧法基本原理
充分利用圍巖的自承能力和開挖面的空間約束作用，採用以錨杆和噴射混凝土為主要支護手段，及時對圍巖進行加固，約束圍巖的鬆弛和變形，並通過對圍巖和支護結構的監控、測量來指導地下工程的設計與施工。
新奧法施工特點
新奧法及時性
新奧法施工採用噴錨支護為主要手段，可以最大限度地緊跟開挖作業面施工，因此可以利用開挖施工面的時空效應，以限制支護前的變形發展，阻止圍巖進入鬆動的狀態，在必要的情況下可以進行超前支護，加之噴射混凝土的早強和全面粘結性因而保證了支護的及時性和有效性。
新奧法封閉性
由於噴錨支護能及時施工，而且是全面密粘的支護，因此能及時有效地防止因水和風化作用造成圍巖的破壞和剝落，制止膨脹巖體的潮解和膨脹，保護原有巖體強度。
巷道開挖後，圍巖由於爆破作用產生新的裂縫，加上原有地質構造上的裂縫，隨時都有可能產生變形或塌落。當噴射混凝土支護以較高的速度射向巖面，很好的充填圍巖的裂隙，節理和凹穴，大大提高了圍巖的強度。（提高圍巖的粘聚力C和內摩擦角）。同時噴錨支護起到了封閉圍巖的作用，隔絕了水和空氣同岩層的接觸，使裂隙充填物不致軟化、解體而使裂隙張開，導致圍巖失去穩定
[2]
。
新奧法粘結性
噴錨支護同圍巖能全面粘結，這種粘結作用可以產生三種作用：
① 聯鎖作用，即將被裂隙分割的巖塊粘結在一起若圍巖的某塊危巖活石發生滑移墜落，則引起臨近巖塊的聯鎖反應，相繼喪失穩定，從而造成較大範圍的冒頂或片幫。開巷後如能及時進行噴錨支護，噴錨支護的粘結力和抗剪強度是可以抵抗圍巖的局部破壞，防止個別威巖活石滑移和墜落，從而保持圍巖的穩定性。
②復和作用，即圍巖與支護構成一個複合體（受力體系）共同支護圍巖。噴錨支護可以提高圍巖的穩定性和自身的支撐能力，同時與圍巖形成了一個共同工作的力學系統，具有把岩石荷載轉化為岩石承載結構的作用，從根本上改變了支架消極承擔的弱點。
③增加作用。開巷後及時繼進行噴錨支護，一方面將圍巖表面的凹凸不平處填平，消除因巖面不平引起的應力集中現象，避免過大的應力集中所造成的圍巖破壞；另一方面，使巷道周邊圍巖由雙方向受力狀態，提高了圍巖的粘結力C和內摩擦角，也就是提高了圍巖的強度。
新奧法柔性
噴錨支護屬於柔性薄性支護，能夠和圍巖緊粘在一起共同作用，由於噴錨支護具有一定柔性，可以和圍巖共同產生變形，在圍巖中形成一定範圍的非彈性變形區，並能有效控制允許圍巖塑性區有適度的發展，使圍巖的自承能力得以充分發揮。另一方面，噴錨支護在與圍巖共同變形中受到壓縮，對圍巖產生越來越大的支護反力，能夠抑制圍巖產生過大變形，防止圍巖發生鬆動破壞
[3]
。
新奧法主要原則
（1）充分保護圍巖，減少對圍巖的擾動。
（2）充分發揮圍巖的自承能力。
（3）儘快使支護結構閉合。
（4）加強監測，根據監測數據指導施工。
可扼要地概括為“少擾動、早噴錨、快封閉、勤測量”
因為隧洞的主要承載部分是圍巖，支護結構起到發揮和保護圍巖承載能力的作用。在靜力學理論中，隧道的結構可視為巖體承載環和支護襯砌組成的圓筒結構，承載環的閉合起到了關鍵作用，因此圍巖和襯砌的整體化應在初期襯砌中就及早完成，保證襯砌環的穩定與完整。從應力的重分佈來考慮.全斷面掘進是比較理想的開挖方式。因此，施工方式歸根結底要把握一個出發點，那就是保護，調動和發揮圍巖的自承能力，在此基礎上根據工程實際條件靈活地選擇施工及輔助手段。
新奧法支護機理
其基本觀點是根據巖體力學理論，着眼於洞室開挖後形成塑性區的二次應力重分佈，而不拘泥於傳統的荷載觀念。所以它主要不是建立在對於坍落拱的“支撐概念”上，而是建立在對圍巖的“加固概念”基礎上。在合理的臨界限度內，它所需要的表面支護抗力Pi是與圍巖塑性區半徑R、洞室周邊位移ur、以及圍巖的內聚力с、內摩擦角φ等參數成反比，而支護能提供的抗力則與其剛度成正比。
由於圍巖應力重分佈和襯砌之間相互作用而存在的四個顯著的特徵階段。第Ⅰ階段是圍巖不受支護的約束而能夠向洞室內自由位移的時期。第Ⅱ階段是修築一次支護時由於支護抗力而使變形速度減小，並且這個抗力還和支護的剛度有關。第Ⅲ階段是由於修築了仰拱，支護剛度變大而使變形速度越來越小。最後當仰拱完全受力，就達到第Ⅳ階段，變形基本停止。
新奧法基本要點
可歸納為以下7點：
①洞室開挖後，應使圍巖自身承擔主要的支護作用，而襯砌只是對圍巖進行加固，使成為一個整體而共同發生作用。因此，須最大限度地保持圍巖的固有強度，以發揮圍巖的自承能力。如及時噴混凝土封閉巖壁，就能有效地防止圍巖鬆弛，而不使其強度大幅度降低，同時也不存在因頂替支撐而使圍巖變形鬆弛。總之應使圍巖經常處於三軸應力約束狀態，最為理想。
②預計圍巖有較大變形和鬆弛時，應對開挖面施作保護層，而且應在恰當的時候敷設，過早或過遲均不利。其剛度不能太大或太小，又必須是能與圍巖密貼，而要做成薄層柔性，允許有一定變形，以使圍巖釋放應力時起卸載作用，儘量不使其有彎矩破壞的可能。這種支護和傳統的支護不同，不是因受彎矩而是受壓剪作用破壞的。由於混凝土的抗壓和抗剪強度比抗拉和抗彎強度大得多，從而具有更高的承載能力。一次支護的位移收斂後，可在其光滑的表面上敷設高質量的防水層，並修築為提高安全度的二次支護。前後兩次支護與圍巖之間都只有徑向力作用。
③襯砌需要加強的區段,不是增大混凝土的厚度，而是加鋼筋網、鋼支撐和錨杆，使隧道全長範圍採用大致相同的開挖斷面。此外，因為新奧法不在坑道內架設杆件支撐，空間寬敞，從而提高了安全性和作業效率。
④為正確掌握和評價圍巖與支護的時間特性，可在進行室內試驗的同時，在現場進行量測。量測內容為襯砌內的應力、圍巖與襯砌間的接觸應力以及圍巖的變位，據以確定圍巖的穩定時間、變形速度和圍巖分類等最重要的參數，以便適應地質情況的變化，及時變更設計和施工。量測監控是新奧法的基本特徵，量測的重點是圍巖和支護的力學特徵隨時間的變化動態。襯砌的做法和施作時間是依據圍巖變位量測決定的。
⑤隧道支護在力學上可看作厚壁圓筒。它是由圍巖支承環和襯砌環組成的結構，且兩者存在共同作用。圓筒只有在閉合後才能在力學上起圓筒作用，所以除在堅硬岩層之外，敷設仰拱使襯砌閉合是特別重要的。
圍巖的動態主要取決於襯砌環的閉合時間。當上半斷面超前掘進過多時,就相應地推遲了它的閉合時間,在隧道縱方向形成懸臂樑的狀態而產生大彎曲的不良影響。另外，為防止引起圍巖破壞的應力集中，斷面應做到無角隅，最好採用圓形斷面。
⑥圍巖的時間因素還受開挖和襯砌等施工方法的影響，它對結構的安全性起着決定的作用。考慮掘進循環週期、襯砌中仰拱的閉合時間、拱部導坑的長度以及襯砌強度等變化因素，把圍巖和支護作為一個整體來謀求穩定。從應力重分佈角度去考慮，全斷面一次開挖是最有利的；分部開挖會使應力反覆分佈而造成圍巖受損。
⑦岩層內的滲透水壓力，必須採取排水措施來降低。
新奧法的支護結構仍處於經驗設計的階段，它的前提是要科學地進行圍巖分類，並根據已經修建的類似工程的經驗，提出支護設計參數或標準設計模式。這種工程類比法還只考慮了巖體結構、巖塊單軸抗壓強度、弱面特性等工程地質性質、坑道的跨度以及圍巖自穩時間等主要因素，需在各種設計與施工規程的實施過程中，依據量測數據加以修正。現場監控設計，一般分成預先設計階段和最後設計階段，後者是根據現場監控量測數據，經分析比較或計算後，最後提出設計。理論解析和有限元數值計算，還不能得出充分可靠和滿意的結果，必須由上述兩種方法即經驗和量測加以驗證
[1]
。
新奧法施工量測
新奧法的施工作業必須根據事前的調查決定下列 4個問題：
①開挖方法；
②支護佈置及進行支護的最適宜時機；
③是否設置仰拱及設置的時間和方法；
④是否採用輔助施工方法及其種類等。
用新奧法施工的絕大多數工程均採用各種台階法進行開挖，其次是採用全斷面法。新奧法要求保證光面爆破的質量，避免凹凸不平而引起應力集中和減少超挖，從而節約為填平表面所需的大量混凝土。
新奧法的量測十分重要。在制定現場量測計劃時，要根據隧道及地下工程的規模、地質資料、各量測項目的作用，並考慮工點所需解決的問題和量測計劃的經濟效益，選擇合理的量測項目和方法。同時還必須考慮採用切實可靠的手段和儀表，保證量測工作準確安全，並儘可能不妨礙施工。
在應力應變、接觸應力、位移等三大類量測項目中，新奧法應以位移的量測為主。通常是用收斂計量測收斂變形，用伸長計量測圍巖在不同半徑處的變形和獲得圍巖動態的範圍，用水平儀量測圍巖表面垂直位移和地面沉陷。此外，還可用量測錨杆測得錨杆的軸嚮應力，用壓力盒測定接觸應力，用應變計測定支撐和襯砌應力等
[3]
。
新奧法實際使用
經20多年的實踐和推廣，新奧法已在歐洲一些國家如奧地利、德國、瑞典、瑞士、法國等的山嶺隧道中普遍使用(佔70～80%)，並已用於地下鐵道，且取得沉降量特別小的顯著成果。日本從1976年以來，已有近100座隧道採用了新奧法。
新奧法的適用性很廣，中國已在亞粘土和黃土隧道施工中取得成功。但在下列情況下，一般都應採取適當的輔助措施才能施工：
①湧水量大的地層；
②因湧水產生流沙現象的地層；
③圍巖破碎使錨杆鑽孔和插入都極為困難場合；
④開挖面不能自穩的圍巖。
