新奥法在小断面引水隧洞工程中的应用
引红济石项目 黄 斌
摘 要：本文通过对引红济石调水工程新奥法施工技术的总结，阐述了新奥法在小断面隧洞工程中的关键技术和基本步骤。 1、工程简介
引红济石调水工程位于陕西省宝鸡市太白县，是把汉江北岸褒河支流红岩河水通过穿越秦岭的隧洞自流调入渭河南岸支流石头河中的跨流域调水工程。工程受益区为陕西省关中地区中西部的咸阳、杨凌、西安三个市区。
输水隧洞洞身长度19.76km，为特长水工隧洞，纵坡1/890，采用钻爆法施工，断面为圆拱直墙型，成洞尺寸3.0m×2.8m（高×宽）。
输水线路由西至东跨越侵蚀中山、太白山间构造盆地两大地貌单元。侵蚀中山海拔高程1550～1950m。太白盆地盆底中心位于方才关至凉峪之间，盆底基岩最低高程约1250m，第四系堆积物厚300～350m。
线路位于盆地南缘，洞室一般埋深150～300m，最大450m，洞室均位于基岩中，片麻岩段长5.15km，大理岩段长6.6km，片岩段长7km，花岗岩段长1km。基岩面高程1623～1750m，高出洞顶160～300m，围岩强-弱风化，岩体较完整，以Ⅲ类围岩为主，次为Ⅳ类和Ⅴ类围岩，总体上围岩稳定性较好。存在的主要水文、工程地质问题有： ①洞室分布的大理岩及断层破碎带地段地下水较丰富，对围岩稳定和施工有一定的影响；
②隧洞埋深段可能产生轻微岩爆。
我标段承担3128m的施工任务，其中2#支洞568m，主洞2560m。
2、新奥法理论要点及施工要点
新奥法是应用岩体力学原理，以维护和利用围岩的自稳能力为基础，将锚杆和喷射混凝土集合在一起作为主要支护手段，及时进行支护，以便控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，形成以锚杆、喷射混凝土和隧洞围岩三位一体的承载结构，共同支承山体压力；通过对围岩的现场量测，及时反馈围岩—支护复合体的力学动态及变化状况，为二次支护提供合理的架设时机；通过监控量测反馈的信息来指导隧洞和地下工程的设计和施工，其施工的基本要点为： ⑴作业多采用光面爆破和预裂爆破，并尽量采用大断面或较大断面开挖，以减少对围岩的扰动；
⑵根据围岩特征采用不同的支护类型和参数，及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆初期支护，以控制围岩的变形和松弛；
腔静脉⑶在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体系的作用，保证隧洞稳定；
⑷二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩与支护结构形成一个整体，从而提高支护体系的安全度；
⑸尽量使隧洞断面周边轮廓圆顺，避免棱角突出处应力集中；
⑹通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，合理安排施工程序，进行设计变更及日常的施工管理。
3、隧洞施工
3.1开挖
开挖断面尺寸为 3.6m×3.7m(宽×高)，属于小断面隧道。为确保开挖质量，减少开挖对围岩的扰动，采取全断面光面爆破的方式开挖，并根据不同围岩特征，及时调整钻爆设计和开挖进尺，保证开挖轮廓的圆顺。
3.1.1当围岩为稳定-基本稳定-稳定性较差的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩时，严格按照钻爆设计对开挖断面进行定位、放样，并严格控制装药量，单循环进尺控制在2.5～3.0m，能取得较好的开挖效果。
3.1.2当围岩为稳定性差的Ⅳ类围岩时，单循环进尺严格控制在 2.0～2.5m。通过钻爆实验，收集正常开挖情况下的超挖量，进行统计分析超挖常值为20cm，根据超挖常值及实际围岩特性及时调整开挖轮廓，按设计开挖轮廓减除超挖常值进行施工定位、放样，这样可以有效的减少超挖，并有效的保护了周边围岩，最大限度的减少爆破对围岩的扰动。通过实践，项目部采取的措施，在实际开挖过程中取得了明显的效果，径向超挖量由以前的20cm减小到目前的5～10cm，且爆破后洞型圆顺，残孔率达到了75%以上。
3.1.3当围岩为很不稳定的Ⅴ类围岩时，单循环进尺严格控制在2m以内。Ⅴ类围岩围岩处于不稳定状态，开挖时受爆破的影响很大，容易出现坍塌、掉快等情况，因此在开挖时，要进行超前支护，可采用3m长Φ22螺纹钢制作的超前锚杆沿拱部按间距30cm环向布设，根据纵坡超前锚杆的外插角控制在1°～3°。超前锚杆的环向布设使开挖轮廓面上形成了一圈阻断面，在爆破的影响下，超前锚杆孔极容易形成通缝而发生超挖，因此要注意拱部周边眼的装药量，尽量减少对围岩的扰动。在Ⅴ类围岩开挖时，周边眼可采用缩小炮眼间距，间隔装药的方式，在实际施工中都取得较好的效果。
3.1.4 在软弱围岩或不良地质带的施工中，围岩整体性很差，基本无自稳能力。在开挖过程中，经常发
生坍塌或大面积掉块现象，特别是在有地下水的情况下，坍塌或大面积掉块现象更是很难避免。因此，在软弱围岩或不良地质带的施工中，要严格控制单循环进尺，保证在 1.5 m 以内，在有地下水的情况下，单循环进尺要控制在1.0m 以内。同时在开挖时除施工如Ⅴ类围岩的超前锚杆加强支护外，要及时调整钻爆参数，一般在此类围岩情况下，周边眼不装药，仅在掏槽眼及辅助眼装填少许，起爆后，在围岩自重的作用下，开挖轮廓线内的围岩都能塌落，局部未开挖下来的部分可利用手动风镐很轻易的凿落。另外，也可以采取分两次爆破的方式，在按钻爆设计施工完炮眼后，第一次仅对掏槽眼装填，待起爆后，根据现场实际，对周边眼和辅助眼装填适量，再次起爆。分两次爆破的方式，在软弱围岩情况下，能取得较好的爆破效果，且对围岩的扰动很小，但延长了工序时间，在实际运用中可根据现场情况灵活掌握。
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在软弱围岩或不良地质段的施工中，在有水的情况下，仅采取上述措施还是很难解决易坍塌和掉块现象，地下水在洞室纵坡的影响下，会在已成洞室部分向下游方向移动，造成进一步的坍塌和掉块。为有效解决此问题，保证成洞质量及减少对围岩的扰动，我们采取对地下水超前预测、超前集中引排的方案。在遇到地下水丰富地段、有地下水的软弱围岩和不良地质段时，利用潜孔钻在掌子面沿洞室轴线方向向开挖方向钻探，这样，既可以提前掌握前方的地质构造情况，又可以达到对地下水的超前集中引排，并可以精确测量前方的出水量，为下一步的施工做好准备。潜孔钻的缺点是不能取芯，不能准确判断前
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方的围岩情况，但只要现场技术人员跟班作业，准确记录钻孔速度、冲刷出来的岩渣及潜孔钻钻眼的出水量，还是可以较好的了解前方围岩情况，最为重要的是可以超前集中引排地下水，方便后续的开挖及初期支护施工，并能有效的提高开挖和初期支护的质量。如果地下水丰富，在掌子面可以采取多钻眼，一般超前地质孔仅需2～3个就可以了，分别布设在拱顶和起拱处。
3.2初期支护
新奥法是应用岩体力学原理，以维护和利用围岩的自稳能力为基础，将锚杆和喷射混凝土集合在一起作为主要支护手段，及时进行支护，以便控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，形成以锚杆、喷射混凝土和隧洞围岩三位一体的承载结构，共同支承山体压力。
3.2.1当围岩为稳定-基本稳定-稳定性较差的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩时，围岩整体性较好，自稳能力强，开挖后，在围岩应力重分布结束时按设计要求喷射混凝土，及时使喷射混凝土与围岩形成有效的支护体系。
3.2.2 当围岩为稳定性差的Ⅳ、Ⅴ类围岩时，开挖通风后，要及时喷射一层3～5cm厚的混凝土，先行封闭围岩。这种封闭不仅阻止了洞内潮气和地下水对围岩的侵蚀作用，减少了膨胀性岩体的潮解软化和膨胀，而且能够及时有效地阻止围岩变形，使围岩较早地进入变形收敛状态。
待出渣工序结束后，对初喷段按设计要求，及时施工系统锚杆、钢筋网片及喷射混凝土。系统锚杆的施工一定要严格按设计要求施工，特别是在Ⅴ类围岩时，围岩裂隙多、构造复杂，锚杆对围岩的约束作用很关键，系统锚杆形成的锚固区的岩体强度和整体性都得以提高和加强，应力分布状态也得以改善，围岩的承载能力和稳定能力显著增强。在实际施工中，现场技术人员一定要注意锚杆施工的角度，特别是在裂隙发育、构造面复杂的情况下，钻孔人员由于受洞室尺寸的制约，对锚杆孔的角度把握随意，有时沿裂隙面打锚杆孔，这时锚杆不仅不能起到锚固的作业，反而成了施工隐患。
3.2.3 在软弱围岩或不良地质带的施工中，初期支护一定要做到及时、有效。此类围岩基本无自稳能力或自稳能力很弱，围岩、锚杆、钢筋网片和喷射混凝土支护体系已经不能满足要求，因此需要加强支护强度，以阻止围岩的过度变形和承受部分松弛荷载。钢拱架就可以提供较大的早期支护刚度，并能很好地与锚杆、钢筋网片、喷射混凝土合理组合，构成联合支护体系，增强支护功能的有效性。
3.3监控测量
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3.3.1现场量测工作的目的
A、掌握围岩和支护状态，进行日常施工管理，确保隧洞工程安全与经济。
B、监视围岩应力和变形情况，验证支护衬砌的支护效果，保证围岩稳定和施工安全。
C、提供判断围岩稳定和支护系统基本稳定的依据，确定二次衬砌施作时间。
D、为施工中调整围岩级别、修改支护设计和变更施工方法提供依据。
E、积累量测数据，为今后的隧洞设计和施工提供工程类比的数据。
3.3.2量测数据的采集及分析葫芦岛市商业银行
隧洞监控量测数据主要采集收敛变形和拱顶下沉两项数据。项目部成立专门的监控量测小组，对隧洞施工进行监控点的布设和数据采集、分析。将量测数据进行处理与回归分析后，绘出位移-时间曲线，配合地质、施工各方面的信息，再与由经验和理论所建立的标准位移-时间曲线进行比较，对于设计所确定的结构形式、支护衬砌设计参数、预留变形量、施工方法和工艺及各
工序施作时间等进行检验，若与原设计指标基本相符，则可继续施工，若差别过大，应立即修改设计（加强或减弱支护衬砌），改变施工方法，调整作业时间，以求安全可靠，经济合理。监控量测的过程见施工监测管理流程图。宁夏大学图书馆
3.4衬砌
按设计文件，引红济石工程在开挖分部全部贯通后才进行二次衬砌施工，目前只对隧道局部变形较大的部位进行了二次衬砌。
4、新奥法施工的几点体会
(1)做好地质勘探，查明隧洞围岩类别，是应用“新奥法”的前提；
(2)新奥法”的原理可以概括为：保持岩石原有的性能，充分发挥岩体承载作用，对变形加以控制，锚喷支护，根据实际情况分析确定最终支护，支护越适时越好。最重要的是设计人员、施工人员和监测人员互通情况，及时采取适当的措施。其中最主要的是必须掌握被称为“新奥法”三大支柱的锚杆支护、喷射混凝土支护和现场量测的内容。然而若在实施过程由于预裂、光爆、喷锚技术不过硬，监测预报(测)不完善，就会在施工过程中出现诸如坍方、初期支护变形等一些问题。因此，设计理论与施工实践的紧密结合，是“新奥法”应用的关键；
(3)在特殊情况下，要具体问题具体分析。如对粘性土用注浆法作为临时初期支护手段是难以凑效的，
必须加强超前支护。当隧洞穿越软塑或膨胀性土或洞顶壁应力集中和偏压过大时，钢筋花拱架支护对安全不能保证时，必须及时进行衬砌，
才能使岩体不致于破坏。而当遇到一些围岩
为极软
图1 施工监测管理流程图
弱的松散体时，只靠锚喷支护还不足以控制
围岩变形，可增加一定数量的钢拱架，满足工程
要求。因此在采用“新奥法”施工时要灵活应用；
必须加强地质超前勘探。设计阶段的地质勘
探并不是很准确，仅依靠设计资料进行施工，在
实际中可能会遇到很多问题，施工单位要想快
速、高效、安全的推进施工，就要加强对地质超
前勘探的投入。
(4)在围岩地质清楚，符合“新奥法”理论
的前提下，可大力推广“新奥法”在水工隧洞中
的应用，该理论比较先进，同时隧洞掘进施工也
比较安全，可节省材料，降低工程造价，加快施工进度，保证质量。
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