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新奧法設計施工的原理

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 新奧法設計施工的原理 
一、隧道設計施工的兩大理論及其發展過程
二十世紀以來,人類對地下空間的需求越來越多,因而對地下工程的研究有了一個突飛猛進的發展。在大量的地下工程實踐中,人們普遍認識到,隧道及地下洞室工程,其核心問題,都歸結在開挖和支護兩個關鍵工序上。即如何開挖,才能更有利于洞室的穩定和便于支護:若需支護時,又如何支護才能更有效地保證洞室穩定和便于開挖。這是隧道及地下工程中兩個相互促進又相互制約的問題。
在隧道及地下洞室工程中,圍繞著以上核心問題的實踐和研究,在不同的時期,人們提出了不同的理論并逐步建立了不同的理論體系,每一種理論體系都包含和解決(或正在研究解決)了從工程認識(概念)、力學原理,工程措施到施工方法(工藝)等一系列工程問題。
一種理論是二十世紀20年代提出的傳統的“松弛荷載理論”。其核心內容是:穩定的巖體有自穩能力,不產生荷載:不穩定的巖體則可能產生坍塌,需要用支護結構予以支撐。這樣,作用在支護結構上的荷載就是圍巖在一定范圍內由于松弛并可能塌落的巖體重力。這是一種傳統的理論,其代表人物有泰沙基和普氏等人。它類似于地面工程考慮問題的思想,至今仍被廣泛的應用著。
另一種理論是二十世紀50年代提出的現代支護理論,或稱“巖承理論”。其核心內容是:圍巖穩定顯然是巖體自身有承載自穩能力:不穩定圍巖喪失穩定是有一個過程的,如果在這個過程中提供必要的幫助或限制,則圍巖仍然能夠進入穩定狀態。這種理論體系的代表性人物有拉布西維茲、米勒-菲切爾、芬納-塔羅勃和卡斯特奈等人。這是一種比較現代的理論,它已經脫離了地面工程考慮問題的思路,而更接近于地下工程實際,近半個世紀以來已被廣泛接受和推廣應用,并且表現出了廣闊的發展前景。
由以上可以看出,前一種理論更注意結果和對結果的處理:而后一種理論則更注意過程和對過程的控制,即對圍巖自承能力的充分利用。由于有此區別,因而兩種理論體系在過程和方法上各自表現出不同的特點。新奧法是巖承理論在隧道工程實踐中的代表方法。

二、新奧法
新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱,原文是New Austrian Tunnelling Method,簡稱為NATM。它與法國稱收斂約束法或有些國家所稱動態觀測設計施工法的基本原則一致。
新奧法概念是奧地利學者拉布西維茲教授于二十世紀50年代提出的。它是以既有隧道工程經驗和巖體力學的理論為基礎,將錨桿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,經奧地利、瑞典、意大利等國的許多實踐和理論研究,于60年代取得專利權并正式命名。之后這個方法在西歐、北歐、美國和日本等許多地下工程中獲得極為迅速的發展,已成為現代隧道工程新技術的標志之一。我國近40年來,鐵路等部門通過科研、設計、施工三結合,在許多隧道修建中,根據自己的特點成功地應用了新奧法,取得了較多的經驗,積累了大量的數據,現已進入推廣應用階段。但在公路部門新奧法的應用僅為50%左右。目前新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修建隧道的一種基本方法,技術經濟效益是明顯的。新奧法的基本要點可歸納如下:
1.巖體是隧道結構體系中的主要承載單元,在施工中必須充分保護巖體,盡量減少對它的擾動,避免過度破壞巖體的強度。為此,施工中斷面分塊不宜過多,開挖應當采用光面爆破、預裂爆破或機械掘進。
2.為了充分發揮巖體的承載能力,應允許并控制巖體的變形。一方面允許變形,使圍巖中能形成承載環;另一方面又必須限制它,使巖體不致過度松弛而喪失或大大降低承載能力。在施工中應采用能與圍巖密貼、及時筑砌又能隨時加強的柔性支護結構,例如,錨噴支護等。這樣,就能通過調整支護結構的強度、剛度和它參加工作的時間(包括閉合時間)來控制巖體的變形。
3.為了改善支護結構的受力性能,施工中應盡快閉合,而成為封閉的筒形結構。另外,隧道斷面形狀應盡可能圓順,以避免拐角處的應力集中。
4.通過施工中對圍巖和支護的動態觀察、量測,合理安排施工程序、進行設計變更及日常的施工管理。
5.為了敷設防水層,或為了承受由于錨桿銹蝕,圍巖性質惡化、流變、膨脹所引起的后續荷載,可采用復合式襯砌。
6.二次襯砌原則上是在圍巖與初期支護變形基本穩定的條件下修筑的,圍巖和支護結構形成一個整體,因而提高了支護體系的安全度。
上述新奧法的基本要點可扼要的概括為:“少擾動、早噴錨,勤量測、緊封閉”。
三、用一個彈簧來理解新奧法原理
1.洞室邊緣某一點A在開挖前具有原始應力(自重應力和構造應力)處于一個平衡狀態。如同一根彈性剛度為K的彈簧,在P0作用下處于壓縮平衡狀態。
2.洞室開挖后,A點在臨空面失去約束,原始應力狀態要調整,如果圍巖的強度足夠大,那么經過應力調整,洞室可處于穩定狀態(不需支護)。然而大多數的地質情況是較差的,即洞室經過應力調整后,如不支護,就會產生收斂變形,甚至失穩(塌方),所以必須提供支護力PE,才能防止塌方失穩。等同于彈簧產生了變形u后,在PE作用又處于平衡狀態。
3.由力學平衡方程可知,彈簧在P0作用時處于平衡狀態;彈簧在發生變形u后,在PE的作用下又處于平衡狀態,假設彈簧的彈性系數為K,則有:
P0=PE+Ku
討論:(1)當u=0時,P0=PE 即不允許圍巖變形,采用剛性支護,不經濟;
(2)當u↑時,PE↓;當u↓時,PE↑。即圍巖發生變形,可釋放一定的荷載(卸荷作用),所以要允許圍巖產生一定的變形,以充分發揮圍巖的自承能力。是一種經濟的支護措施,圍巖的自穩能力P=P0-PE=Ku;
(3)當u=umax時,發生塌方,產生松馳荷載,不安全。
四、要點
1.圍巖是受洞室開挖影響的那一部分巖(土)體,圍巖是三位一體的即:產生荷載、承載結構、建筑材料。
2.隧道是修筑在應力巖體中的,具有特殊的建筑環境,不能等同于地面建筑。
3.隧道結構體系=圍巖+支護體系。



思考題:
1、 公路隧道按地理位置分為哪幾類,各有什么優點?
2、 公路隧道包括哪些工程項目,各有什么作用?
3、 新奧法設計施工的原理是什么?
,新奧法設計施工的原理

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