隧道工程第9章--新奥法教材课件.ppt

1、 9.1 新奥法的基本概念9.2 隧道施工过程的力学解析与分析9.3 新奥法的施工技术9.4 新奥法的监控量测9.1.1 新奥法的由来与产生的历史背景新奥法的由来与产生的历史背景 新奥法的全称是新奥地利隧道工程方法，即New Austrian Tunneling Method，缩写为NATM。9.1 新奥法的基本概念新奥法的基本概念1.1.新奥法的由来新奥法的由来9.1 新奥法的基本概念新奥法的基本概念9.1.1 新奥法的由来与产生的历史背景新奥法的由来与产生的历史背景2.2.产生的背景产生的背景u 1.锚杆支护在20世纪初出现 u 2.喷射混凝土机在1940年代末研制成功u 3.岩石力学的理

2、论发展为新奥法提供了科学依据 9.1 新奥法的基本概念新奥法的基本概念9.1.2 新奥法的基本概念新奥法的基本概念1.1.新奥法新奥法 用薄层支护手段来保持围岩强度，控制围岩变形，以发挥围岩的自承载能力，并通过施工监控量测来指导隧道工程的设计与施工。9.1 新奥法的基本概念新奥法的基本概念9.1.2 新奥法的基本概念新奥法的基本概念2.2.新奥法的三大要素新奥法的三大要素u 控制爆破 u 喷锚支护 u 监控量测3.3.三项作业三项作业u 开挖u 初次支护 u 二次支护9.1 新奥法的基本概念新奥法的基本概念9.1.3 新奥法原理的要点新奥法原理的要点u 1.承载体系：支护结构+围岩 u 2.少

3、扰动围岩u 3.即允许又限制围岩的变形u 4.复合式衬砌（初期支护和二次衬砌）u 5.初期支护应尽量做成柔性的u 6.要尽可能使结构做得园顺u 7.进行有效的监控量测u 8.通过“排堵措施”解决衬砌渗水 9.1 新奥法的基本概念9.2 隧道施工过程的力学解析与分析9.3 新奥法的施工技术9.4 新奥法的监控量测9.2 隧道施工过程中的力学解析与分析隧道施工过程中的力学解析与分析9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态1.1.三种应力状态三种应力状态u 初始应力状态（原岩）u 二次应力状态（开挖后）u 三次应力状态（支护后）2.2.基本假定基本假定u 视围岩为均质的、各向同性的连续介

4、质u 只考虑自重应力场u 隧道形状以规则的圆形为主u 无限体中的孔洞问题9.2 隧道施工过程中的力学解析与分析隧道施工过程中的力学解析与分析9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态3.3.隧道开挖后的应力状态隧道开挖后的应力状态u 弹性应力状态:围岩强度高、稳定性好。u 弹塑性应力状态:围岩屈服，塑性区有一定的承载力。9.2 隧道施工过程中的力学解析与分析隧道施工过程中的力学解析与分析9.2.2 围岩稳定性判据围岩稳定性判据1.1.岩体强度判据岩体强度判据洞室周边围岩应力岩体强度极限1）脆岩：二次强度极限2）软岩：二次强度极限2.2.围岩变形判据围岩变形判据uu9.2 隧道施工过程

5、中的力学解析与分析隧道施工过程中的力学解析与分析9.2.3 围岩特征曲线与支护特征曲围岩特征曲线与支护特征曲1.1.围岩特征曲线围岩特征曲线 9.2 隧道施工过程中的力学解析与分析隧道施工过程中的力学解析与分析9.2.3 围岩特征曲线与支护特征曲围岩特征曲线与支护特征曲2.2.支护特征曲支护特征曲3219.2 隧道施工过程中的力学解析与分析隧道施工过程中的力学解析与分析9.2.3 围岩特征曲线与支护特征曲围岩特征曲线与支护特征曲3.3.围岩与支护结构平衡状态的建立围岩与支护结构平衡状态的建立 PPP 9.1 新奥法的基本概念9.2 隧道施工过程的力学解析与分析9.3 新奥法的施工技术9.4 新

6、奥法的监控量测9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.1 施工程序施工程序9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.2 施工基本原则施工基本原则新奥法施工的基本原则可扼要地概况为：“少扰动、早支护、勤量测、紧封闭少扰动、早支护、勤量测、紧封闭”9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土1.1.喷射混凝土的特点喷射混凝土的特点 u 充填裂隙加固围岩 u 封闭围岩壁面防止风化 u 喷射混凝土与围岩组成共同承载体系9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土2.2.喷射混凝土的优缺点喷射混凝土的优缺点 优点：u 柔性支护u 支护及时u 不用模板、拱架u 施工工艺简单缺

7、点：回弹量大、止水性弱9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土3.3.喷射混凝土的喷射方式喷射混凝土的喷射方式1）干喷：干喷是将砂、石、水泥按一定比例干拌均匀投入喷射机，同时加入速凝剂，用高压空气将混合料送到喷头，再在该处与高压水混合后以高速喷射到岩面上。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土3.3.喷射混凝土的喷射方式喷射混凝土的喷射方式9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土3.3.喷射混凝土的喷射方式喷射混凝土的喷射方式2）潮喷：潮喷是将砂、石料预加水，使其浸润成潮湿状，再加水泥拌均匀，从而

8、降低上料合喷射时的粉尘，其工艺流程同干喷。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土3.3.喷射混凝土的喷射方式喷射混凝土的喷射方式3）湿喷：9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土4.4.喷射混凝土的材料及其组成喷射混凝土的材料及其组成1）喷射混凝土的材料（1）水泥 喷射混凝土对所采用水泥的基本要求是：掺入速凝剂后凝结快、保水性好、早期强度增加快、收缩小。优先采用325号以上的普通硅酸盐水泥。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土4.4.喷射混凝土的材料及其组成喷射混凝土的材料及其组成1）喷射混凝

9、土的材料（2）砂子（3）石子（4）速凝剂 一般为水泥质量的2%4%（喷拱部时可用3%4%，喷边墙时可用2%3%），水泥浆初凝应不大于5min，终凝应不大于10min。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土4.4.喷射混凝土的材料及其组成喷射混凝土的材料及其组成2）喷射混凝土的配合比和水灰比 质量比 水泥：中砂或中粗砂：石子u 隧道边墙采用1:(22.5):(22.5)u 隧道拱部采用1:2:(1.52.0)水灰比 一般为0.40.5 9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土5.5.喷射混凝土的机械喷射混凝土的机械(具具)设备设备

10、 喷射作业的机械(具)设备主要包括：混凝土喷射机、上料机、搅拌机、机械手、混凝土运送搅拌车、混凝土喷射三联机等。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土5.5.喷射混凝土的机械喷射混凝土的机械(具具)设备设备 1）混凝土喷射机（1）双罐式混凝土喷射机 （2）转体式混凝土喷射机 9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土5.5.喷射混凝土的机械喷射混凝土的机械(具具)设备设备 1）混凝土喷射机（3）转体式混凝土喷射机(4)转盘式混凝土喷射机 9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土5.5.喷射混凝土的机械喷射混凝土的机械(具具)设备设备 2）

11、搅拌机 由于采用干式喷射机，喷射时混合料是干料，拌合时易产生粉尘。因此，应采用涡轮浆强制式混凝土搅拌机，最常用的是J4-375型(原JW375型)搅拌机。3）压缩空气机(俗称空压机)为了防止压缩空气中的油水混入喷射混凝土中，在高压风进入混凝土喷射机前必须先通过油水分离器，把油水过滤排掉，避免喷射混凝土产生结块、堵管等现象。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土5.5.喷射混凝土的机械喷射混凝土的机械(具具)设备设备 4）机械手9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.3 喷射混凝土喷射混凝土5.5.喷射混凝土的机械喷射混凝土的机械(具具)设备设备 5）混

12、凝土喷射三联机9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.4 喷射混凝土的施工工艺喷射混凝土的施工工艺1.1.喷射混凝土的施工准备喷射混凝土的施工准备 u 材料、机械(具)的准备 u 施喷场地准备 2.2.施喷作业（指干式喷射）施喷作业（指干式喷射）1）风、水压 风压：风源风压应稳定在0.40.65MPa。水压：规定喷射作业区的系统水压应大于0.4MPa。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.4 喷射混凝土的施工工艺喷射混凝土的施工工艺2.2.施喷作业（指干式喷射）施喷作业（指干式喷射）2）喷嘴与受喷岩面之间的距离和角度 距离：喷嘴与受喷岩面之间的距离以0.81.2m为宜 角度：

13、垂直向刚喷射过的混凝土部位倾斜不大于10 3）一次喷射的厚度及各喷层之间间隔时间 厚度：根据喷射效率、回弹损失等因素确定。间隔时间：当采用红星一型速凝剂时可在510min以后进行下一次喷射。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.4 喷射混凝土的施工工艺喷射混凝土的施工工艺3.3.堵管问题的处理堵管问题的处理 原因：u 粗集料过大(粒径大于25cm以上)u 水泥硬块或其它杂物u 混合料(主要是砂)湿度过大(大于6%)u 风压偏低u 另外若司机操作不对u 混合料未吹完就停风u 误开放气阀而停风9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.4 喷射混凝土的施工工艺喷射混凝土的施工工艺3.

14、3.堵管问题的处理堵管问题的处理 处理：u 喷射机司机应立即关闭马达，随后关闭风源。u 喷射手将软管拉直，然后用手锤敲击以寻找堵管处。u 找到堵管部位后，可将风压升到0.30.4Mpa(不超过0.5Mpa)，并用锤击堵管部位，使其畅通。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.4 喷射混凝土的施工工艺喷射混凝土的施工工艺4.4.喷射混凝土的养护喷射混凝土的养护 铁路隧道施工规范规定：喷射混凝土终凝后2h起即应开始洒水养护，洒水次数以能保持混凝土具有足够的湿润状态为定，养护期不得少于14昼夜。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.4 喷射混凝土的施工工艺喷射混凝土的施工工艺5.5

15、.水泥裹砂法喷射混凝土工艺水泥裹砂法喷射混凝土工艺 国内目前多使用SEC法喷射混凝土施工技术。优点：u 粘结性能良好u 回弹量少(低于15)u 粉尘浓度低(小于10mg/m3)u 强度高且稳定u 一次喷射厚度大(可达1040cm)u 有涌水时也容易喷敷 9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.4 喷射混凝土的施工工艺喷射混凝土的施工工艺5.5.水泥裹砂法喷射混凝土工艺水泥裹砂法喷射混凝土工艺 SECSEC法喷射混凝土施工的工艺流程法喷射混凝土施工的工艺流程 9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.4 喷射混凝土的施工工艺喷射混凝土的施工工艺6.6.钢纤维喷射混凝土工艺钢纤维喷射

16、混凝土工艺 7.7.喷射混凝土的质量检查喷射混凝土的质量检查 u原材料进库检查与验收 u喷射混凝土强度检查u喷层与围岩粘结情况的检查 u喷层厚度的检查 9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术 9.3.5 锚杆锚杆1.1.锚杆的支护效应锚杆的支护效应（1）悬吊效应（2）组合梁效应 9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.5 锚杆锚杆1.1.锚杆的支护效应锚杆的支护效应（3）加固效应9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.5 锚杆锚杆2.2.锚杆的种类锚杆的种类 1）机械式锚固锚杆 9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.5 锚杆锚杆2.2.锚杆的种类锚杆的种类 2）粘结

17、式锚固锚杆 9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.5 锚杆锚杆2.2.锚杆的种类锚杆的种类 3）摩擦式锚固锚杆 当隧道通过软弱围岩等地段时，机械式锚杆锚固容易失效，粘结式砂浆锚杆施工不便，而采用摩擦式锚杆则可以收到良好的支护效果。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.5 锚杆锚杆3.3.锚杆的布置锚杆的布置 锚杆的布置分为局部布置和系统布置 1）局部布置 锚杆局部布置的原则：u 拱腰以上部位锚杆方向应有利于锚杆的受拉。u 拱腰以下及边墙部位锚杆宜逆向不稳定岩块滑动方向。锚杆的间距：2aR AdDKP9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.5 锚杆锚杆3.3.锚杆的布

18、置锚杆的布置 2）系统布置 9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.5 锚杆锚杆3.3.锚杆的布置锚杆的布置 2）系统布置 锚杆系统布置的原则：u 锚杆宜垂直隧道周边轮廓布置，对水平成层岩层，应尽可能与层面垂直布置u 在岩面上锚杆宜成菱形排列，纵横间距为0.61.5m。u 系统锚杆间距不宜大于锚杆长度的1/2，在、级围岩中，锚杆间距宜为0.51.2m。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.5 锚杆锚杆4.4.锚杆的尺寸锚杆的尺寸 1）锚杆直径 锚杆一般采用16Mn或5号钢，条件不具备时可用3号钢。对于端部锚固的锚杆，其抗拉力大于或等于设计锚固力，即：24adN4aNd则锚杆直

19、径d：常用的锚杆直径一般为1822mm。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.5 锚杆锚杆4.4.锚杆的尺寸锚杆的尺寸 2）锚杆长度u 起悬吊作用的锚杆：长度须穿透不稳定块体并在坚硬稳定岩体内有一定锚固长度。u 软弱围岩中系统布置的锚杆：岩体视为单一塑性体，锚杆的长度应穿过塑性区。按施工经验来确定锚杆长度：中等以上硬质围岩：软弱围岩：1134LB（）1123LB（）9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.5 锚杆锚杆5.5.钢筋砂浆锚杆的安装工艺钢筋砂浆锚杆的安装工艺 1)材料及配合比 u 钢筋：宜采用螺纹钢筋；u 水泥：选用不低于325号的普通硅酸盐水泥；u 砂子：严格过筛

20、的粒径不大于3mm的中、粗砂；u 速凝剂：红星一型，掺量为水泥质量的2%4%；u 骨料比：1：11：1.2；u 水灰比：0.40.45。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.5 锚杆锚杆5.5.钢筋砂浆锚杆的安装工艺钢筋砂浆锚杆的安装工艺 2）灌浆设备 孔径应大于锚杆直径1520mm，在灌浆前应用高压风将孔眼吹净。3）钻孔 4）注浆及安装锚杆 将注浆管插入到孔底，在注浆的同时，将注浆管徐徐向外拔出，待注浆管口距钻孔口2030cm时，停止注浆，然后将锚杆插入至孔底部将砂浆挤满钻孔。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.5 锚杆锚杆6.6.锚杆的质量检查锚杆的质量检查 锚杆质量

21、检查，包括长度、间距、角度、方向、抗拔力等。其中主要是抗拔力试验，对于重要工程可增作灌浆密度试验。如抗拔力不符合要求时，一般可用加密锚杆予以补强。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.6 钢架钢架u 对于自稳时间很短的、级围岩隧道；u 浅埋偏压隧道；u 隧道处于粉细砂、大面积淋水等地段；u 为了抑制围岩过大的变形。使用条件：架设后立即受力，且强度和刚度均较大，可承受开挖时引起的松动压力。钢架的最大特点：钢架可分为：型钢钢架和格栅网构钢架两种类型。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术9.3.6 钢架钢架1.1.型钢钢架型钢钢架 工程上采用的型钢钢架有：工字型钢、H型钢、槽钢、U型钢

22、、钢管及钢轨等材料。缺点：u 钢架较重，架设困难；u 不便于加工制作；u 钢架与喷射混凝土结合不良，粘结力较小。目前现场只有十分必要时才使用。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术工字型钢拱架工字型钢拱架9.3.6 钢架钢架2.2.格栅网构钢架格栅网构钢架 特点：u 质量轻，制作容易，架设方便，省工省料；u 与喷射混凝土结合良好，能形成整体钢筋混凝土结构；u 易与锚杆、超前小导管形成整体。钢架的纵向间距应根据所支护的围岩而定，一般为0.751.2m，两榀钢架之间设置直径为2022mm的纵向钢拉杆。9.3 新奥法的施工技术新奥法的施工技术格栅网构钢架格栅网构钢架 9.1 新奥法的基本概念9.2

23、 隧道施工过程的力学解析与分析9.3 新奥法的施工技术9.4 新奥法的监控量测9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测9.4.1 目的目的u为设计和修正支护结构形式和参数提供依据；u正确选择开挖方法和支护施作时间；u为隧道施工和长期使用提供安全信息；u是研究新奥法力学机理和设计理论的重要途径。9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测9.4.2 监控量测的内容和方法监控量测的内容和方法1.1.基本要求基本要求 u 尽快埋设测点；u 进行一次量测的时间宜尽量短；u 传感元件要有较好的防震、防冲击波的能力，且能长期有效；u 测设的数据要求直观、正确、可靠；u 测试仪器要有足够的精度。9.4.2 监控

24、量测的内容和方法监控量测的内容和方法2.2.量测内容和方法量测内容和方法 1）工程地质与支护状况的观察2）隧道地表沉降量测 9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测9.4.2 监控量测的内容和方法监控量测的内容和方法2.2.量测内容和方法量测内容和方法 2）隧道地表沉降量测 9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测地表沉降观测地表沉降观测 地表沉降观测地表沉降观测 9.4.2 监控量测的内容和方法监控量测的内容和方法3.3.隧道净空收敛量测隧道净空收敛量测 9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测 洞周收敛量测洞周收敛量测 洞周收敛量测洞周收敛量测 9.4.2 监控量测的内容和方法监控量测的内

25、容和方法4.4.拱顶下沉量测拱顶下沉量测 9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测9.4.2 监控量测的内容和方法监控量测的内容和方法5.5.围岩内部位移量测围岩内部位移量测 围岩内部相对位移的测孔，一般与周边位移测线相应布置，以便使两项测试结果能够互相验证，协同分析和应用。围岩内部位移测孔布置9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测 围岩内部位移量测围岩内部位移量测 9.4.2 监控量测的内容和方法监控量测的内容和方法6.6.钢支撑应力量测钢支撑应力量测 9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测 钢支撑应力量测钢支撑应力量测 钢筋计测格栅应力钢筋计测格栅应力9.4.2 监控量测的内容和方法监

26、控量测的内容和方法7.7.喷层应力量测喷层应力量测 9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测9.4.2 监控量测的内容和方法监控量测的内容和方法7.7.喷层应力量测喷层应力量测 喷层应力测点的布置9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测9.4.2 监控量测的内容和方法监控量测的内容和方法8.8.二衬应力量测二衬应力量测 9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测 二衬应力量测二衬应力量测9.4.3 监控量测数据处理与应用监控量测数据处理与应用1.1.量测数据的处理与分析量测数据的处理与分析9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测9.4.3 监控量测数据处理与应用监控量测数据处理与应用2.2.围岩

27、稳定性判据围岩稳定性判据 如果位移时态曲线始终保持 ，说明位移速率不断下降，这是稳定的标志。当位移时间曲线出现反弯点，也即位移出现反常的急剧增长现象时()，表明围岩和支护已呈不稳定状态或危险状态，应加密监视，并适当加强支护，必要时应立即停止开挖并进行施工处理。022dtud022dtud9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测9.4.3 监控量测数据处理与应用监控量测数据处理与应用3.3.量测数据的反馈量测数据的反馈 信息反馈的目的，就是进行施工管理和调整支护设计，以确保施工的安全性和设计的经济性。量测的动态管理分为“量”和“质”2个方面，凡可以用数字大小表述的量测项目，归结为“量”的管理，如周边位移、拱顶下沉、锚杆轴力等。1）施工管理9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测u施工方法变更的建议；u施工工序的更改；u预留变形量的修改或确认；u设计参数的修改或确认；u采用辅助施工措施的建议。3）反分析计算9.4.3 监控量测数据处理与应用监控量测数据处理与应用3.3.量测数据的反馈量测数据的反馈2）信息反馈修正设计信息反馈修正设计的内容：9.4 新奥法的监控量测新奥法的监控量测思考题：1.什么是隧道工程的动态设计？2.隧道开挖前后的应力状态是什么？3.锚杆支护的原理表现在那些方面？