《奥法的应用与发展》PPT课件.ppt

现代隧道施工技术新奥法（NATM）应用与发展,主要内容,一.新奥法简介,二.新奥法锚喷支护技术,四.新奥法应用中的几个问题,三.新奥法施工量测技术,一.新奥法简介,一.新奥法简介,1.新奥法的基本概念,全 称：新奥地利隧道施工法英文名称：New Austrian Tunneling Method（NATM）创 始 人：奥地利学者,从岩体力学的观点出发，采用喷锚支护、施工测试等手段并与岩体力学的理论构成的一个体系而形成的一种新的施工方法。,2.新奥法的基本思想,一.新奥法简介,应用岩体力学原理，以维护和利用围岩的自稳能力为基点,将锚杆和喷射砼集合在一起作为支护的主要手段（锚喷支护）,及时进行支护，以便控制围岩的变形与松弛，使围岩成为支护的组成部分，形成以锚杆、喷射砼和围岩为三位一体的承载结构，共同支承山体压力,对围岩和支护进行现场监测，及时反馈围岩支护复合体的力学动态及其变化状况，为二次支护提供合理的架设时机，从而指导设计与施工,一.新奥法简介,3.新奥法的基本要点,传统工法：应用厚壁混凝土结构支护松动围岩理论,新 奥 法：连续介质理论（粘弹、塑性理论）,根据开挖后，从围岩发生变形到岩体破坏的时间效应，适时构筑柔性、薄壁且能与围岩紧贴的喷射混凝土和锚杆的支护结构来保护围岩的天然承载力，转变围岩本身为支护结构的重要组成部分，使围岩和支护结构共同形成坚固的支承环，共同形成长期稳定的支护结构。,一.新奥法简介,3.新奥法的基本要点,开挖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；,开挖后，尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用；,根据围岩特征/类别采用不同的支护类型及参数，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；,在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效发挥支护体系的作用，保证开挖稳定；,一.新奥法简介,3.新奥法的基本要点,二次衬砌是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑，围岩与支护结构形成一个整体，提高支护结构的安全度；,尽量使断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处的应力集中；,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，进行设计变更和日常的施工管理；,应用岩体动态性质的完整力学概念，科学性很强；不能单纯看成一种施工方法或支护方法；不能将仅用锚喷或应用新奥法部分原理就认为是新奥法施工。锚喷支护不完全等价于新奥法。,一.新奥法简介,4.新奥法的设计程序,一.新奥法简介,5.新奥法的应用范围,铁路隧道、公路隧道、城市地铁、地下贮库、地下厂房、水电站输水隧洞、矿山巷道等。,跨 度：可宽达30m以上；,埋 深：几米的浅埋结构几千米的深埋结构；,地面状况：山岭隧道/隧洞城市地下结构；,地质条件：硬岩、软岩、膨胀地层、湿陷性土层、软 弱砂土地层、偏压地带、高地应力区等；,一.新奥法简介,5.新奥法的应用范围,具有较长自稳时间的中等岩体；弱胶结的砂和石砾以及不稳定的砾岩；强风化的岩石；刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩；坚硬粘土，也有带坚硬夹层的粘土；微裂隙的，但很少粘土的岩体；在很高的初应力场条件下，坚硬的和可变坚硬的岩石；,在下述条件下应用新奥法必须与一些辅助方法相配合有强烈地压显现的岩体；膨胀性岩体（要与仰拱与底部锚杆相配合）；在一些松散岩体中，要与钢背板与之配合；在蠕动性岩体中，要与冻结法或预加固法等配合；,在下列场合中应用应慎重：大量涌水的岩体；由于涌水会产生流砂现象的围岩；极为破碎，锚杆钻孔、安装都极为困难的岩体；开挖面完全不能自稳的岩体等。,一.新奥法简介,5.新奥法的应用范围,目前已成功应用新奥法施工的著名地下结构有：,下坑、西坪、大瑶山、军都山等铁路隧道；,中梁山、缙云山、华蓥山、二郎山、西山坪等公路隧道；,以及大多数地铁隧道的联络通道等,一.新奥法简介,6.新奥法的优点,（1）经济、快速。若以面积A为100，设计衬砌量B和超挖量的面积C。可以看出，由于采用控制爆破、柔性薄衬砌，新奥法的开挖量为老方法的73（110/151），衬砌量为老方法的20。此外，还可省去全部木模和40以上的混凝土，降低支护成本30以上。,（2）安全、适应性强,一.新奥法简介,6.新奥法的优点,一.新奥法简介,7.新奥法的缺点,实施不仅要求有良好的施工组织和管理，也要求技术人员和量测人员都十分熟练，没有这一点就易于发生错误；作业质量都与每一个人的仔细操作有关。开挖暴露出的地质会立即改变其状态，因此要求施工地质人员要亲临现场，以便发现问题；用于控制的施工量测，往往给施工带来不便；干喷射带来的灰尘以及由于易受化学药品的损害必须加强防护，尤其是对眼睛的防护，湿喷虽然可以避免此缺点，但在同样条件下，不如干喷那样有效的支护岩体。,二.新奥法锚喷支护技术,二.新奥法锚喷支护技术,采用喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土或锚杆钢筋网喷射混凝土等在毛洞开挖后及时地对地层进行加固的结构。,1.锚喷支护的概念,锚喷支护（Shotcrete and Bolting）是喷射混凝土支护与锚杆支护的简称。,一种“设计、施工、监测相结合”的科学作业方法。,喷射混凝土、锚杆和现场监控量测被认为是新奥法的三大支柱。,1.锚喷支护的概念,外拱：锚杆、喷层和围岩共同组成承载环，支承围岩 压力，形成新奥法初期支护结构。,内拱：二次衬砌（通过监测了解外拱变形情况，待支 护抗力与围岩压力相适应时进行外拱封底，使 变形收敛，围岩趋于稳定，随后复喷混凝土或 现浇混凝土）,二.新奥法锚喷支护技术,2.锚喷支护的优点,节省、加快施工进度；,符合岩体力学原理的积极支护方法；,柔性好，它能与围岩变形一致，从而与之构成一个共同工作的承载体系；,锚喷支护技术不再把围岩仅仅视作荷载（松散压力），同时还把它视为承载结构的组成部分。锚喷支护结构承受荷载的性质为围岩的形变压力。,二.新奥法锚喷支护技术,3.锚喷支护的适用条件,配合光面爆破等控制爆破技术，使开挖断面轮廓平整、准确，便于锚喷成型，并减少回弹量；,减轻爆破对围岩的松动破坏，维持围岩强度和自承能力。,二.新奥法锚喷支护技术,4.锚喷支护与新奥法的关系,不能将新奥法等同于锚喷支护；既有密切联系又有原则区别；锚喷支护的快速有效的支护施工手段，才有可能使新奥法的基本原则得以实现。不把围岩看成自承结构，不充分发挥围岩本身的作用，即使大量采用锚喷支护，也不能认为是应用了新奥法。,二.新奥法锚喷支护技术,5.锚喷支护的作用原理,喷射混凝土的力学作用,1.防护加固围岩，提高围岩强度,2.改善围岩和支护的力学状态,密闭开挖暴露面，隔绝水和空气，防止潮解风化而剥落或膨胀；砼浆液渗入裂隙或节理，起胶结和加固作业。,改变围岩和支护的受力状态从二向到三向，提高了围岩的强度。,二.新奥法锚喷支护技术,5.锚喷支护的作用原理,锚杆的力学作用,吊悬作用,减跨作用,组合作用,挤压加固作用,二.新奥法锚喷支护技术,围岩特性曲线,支护特性曲线,二.新奥法锚喷支护技术,三.新奥法施工量测技术,三.新奥法施工量测技术,一）量测在新奥法设计施工中的意义和作用,新奥法特点：借助现场量测对围岩进行动态监测，并据以 指导开挖作业和支护结构的设计与施工。,量测的目的：(1)掌握围岩动态和支护结构的工作状态，利用量测结果修改设计，指导施工；(2)预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然；(3)积累资料，为以后的新奥法设计提供类比资料；(4)为确定结构安全提供可靠信息；(5)量测数据经分析处理和必要的计算和判断后，进行预测和反馈，以保证施工安全和结构稳定。,二）量测项目及其分类,必测项目,洞内目测观察,内空变形量测,拱顶下沉量测,锚杆拉拔力量测,选测项目,对一些具有特殊意义和具有代表性的区段进行补充测试，以求更深入地了解围岩的松动范围和稳定状态以及未开挖区段的设计与施工积累现场资料。,三.新奥法施工量测技术,1.洞内目测观察,目测观察目的:(1)预测开挖面前方的地质条件(2)为判断围岩、结构的稳定性提供地质依据；(3)根据喷层表面形态及锚杆的工作状态，分析支 护结构的可靠程度。,目测观察内容:(1)对开挖后没有支护的围岩进行目测；(2)开挖后已支护段的目测；(3)观测时间,目测中围岩破坏状态分析：(1)危险性不大的破坏；(2)危险性较大的破坏(3)塌方征兆的破坏；,利用目测结果修改设计、指导施工,三.新奥法施工量测技术,2.收敛位移量测,收敛位移量测目的:(1)为判断空间稳定性提供可靠信息；(2)根据变位速度判断围岩的稳定程度，为二次衬 砌提供合理的支护时机；(3)指导现场设计与施工。,监测断面的设置：,应距开挖面2m的范围内尽快安设，并保证爆破后24h内或下一次爆破前测读初次读数。,三.新奥法施工量测技术,2.收敛位移量测,侧线布置,测试频度,三.新奥法施工量测技术,2.收敛位移量测,拱顶下沉量,三.新奥法施工量测技术,3.地表下沉量测,量测目的:(1)地表下沉的范围以及下沉量的大小；(2)地表下沉量随工作面推进的变化规律；(3)地表下沉稳定的时间；,地表沉降量测的重要性,测点纵向间距,三.新奥法施工量测技术,3.地表下沉量测,对于浅埋隧洞/道，距离地表较近，一般采用台阶法施工。则纵向断面布置测点的超前距离为隧道/洞距地表的深度h与上台阶高度h1之和，整个纵向量测区间的长度为(h+h1)+(25)D+h；对于全断面开挖，则应从工作面前方2D处开始量测地表下沉。,开挖面距量测断面d5D:1次/周,三.新奥法施工量测技术,4.锚杆拉拔力量测(略),5.锚杆轴力量测(略),6.钢拱架荷载量测(略),7.围岩内变形量测(略),8.喷射混凝土应力量测(略),9.二次衬砌应力量测(略),三.新奥法施工量测技术,三）现场量测的规划,1.量测项目的确定和量测手段的选择,2.施测部位的确定和测点的布置,3.实施计划的制定,4.量测管理工作,实例：中梁山隧道施工监控量测方案,三.新奥法施工量测技术,四）量测数据的处理与应用,三.新奥法施工量测技术,1.量测数据的处理,围岩变形时间的关系曲线,量测数据的回归分析,量测数据的散点图和曲线,四）量测数据的处理与应用,三.新奥法施工量测技术,2.量测数据的应用,利用量测结果修改设计、指导施工,位移反分析,初期变形速度与最终变形量的关系、容许位移速率等,根据内空变形速率预报险情、修改设计；根据最终变形修改开挖断面尺寸；根据内空变形速度确定二衬构筑时机；提高围岩类别节约投资；降低围岩类别，加强支护确保工程质量等,围岩最终位移的预测,一）对新奥法的理解存在争论,四.新奥法应用中的几个问题,究竟是原理还是方法,奥地利国家地下空间工程委员会正式命名过“新奥地利隧道施工方”(NATM),这里明确说是方法。但解释方法时又强调要遵循这样一个原理,即通过发挥围岩承载环的主动作用使洞室周围的围岩(岩体或土层)成为承载结构部件,此时又强调的是原理。米勒教授来华讲学及他发表的系列文章均详细阐述过应遵循的22条原则。他还说过“隧道工程不仅是一门科学,而且是一门艺术。要学好隧道工程这门艺术,决不是短时间的事,要经过多年的学习。”这里强调的是原则和艺术,而不是我们所理解的具体方法。对“原理”和“方法”名词的争论并非无聊的咬文嚼字游戏。“原理”可用在很多场所,具有普遍意义。“方法”使用条件较具体,具有局限性,原理可渗透到方法之中。把各种方法取得的成就统统归结于某一具有普遍意义原理之下是不公道的。,一）对新奥法的理解存在争论,四.新奥法应用中的几个问题,学者们争论的焦点问题,把岩石作为承载结构早已存在,并不是奥地利学者的功劳,岩体变形曲线和支护特性曲线是否存在？,一）对新奥法的理解存在争论,四.新奥法应用中的几个问题,难以界定的几个问题,NATM的设计结果会因人而异,对变形的判别难于掌握,一）对新奥法的理解存在争论,四.新奥法应用中的几个问题,难以界定的几个问题,“释放”和“约束”的界限难于掌握,二次衬砌是否受力,受多大力,该不该受力,