新奥法设计施工的原理

一、隧道设计施工的两大理论及其发展过程

二十世纪以来，人类对地下空间的需求越来越多，因而对地下工程的研究有了一个突飞猛进的发展。在大量的地下工程实践中，人们普遍认识到，隧道及地下洞室工程，其核心问题，都归结在开挖和支护两个关键工序上。即如何开挖，才能更有利于洞室的稳定和便于支护：若需支护时，又如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。这是隧道及地下工程中两个相互促进又相互制约的问题。

在隧道及地下洞室工程中，围绕着以上核心问题的实践和研究，在不同的时期，人们提出了不同的理论并逐步建立了不同的理论体系，每一种理论体系都包含和解决（或正在研究解决）了从工程认识（概念）、力学原理，工程措施到施工方法（工艺）等一系列工程问题。

一种理论是二十世纪20年代提出的传统的“松弛荷载理论”。其核心内容是：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载：不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支撑。这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。这是一种传统的理论，其代表人物有泰沙基和普氏等人。它类似于地面工程考虑问题的思想，至今仍被广泛的应用着。

另一种理论是二十世纪50年代提出的现代支护理论，或称“岩承理论”。其核心内容是：围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力：不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能够进入稳定状态。这种理论体系的代表性人物有拉布西维兹、米勒-菲切尔、芬纳-塔罗勃和卡斯特奈等人。这是一种比较现代的理论，它已经脱离了地面工程考虑问题的思路，而更接近于地下工程实际，近半个世纪以来已被广泛接受和推广应用，并且表现出了广阔的发展前景。

由以上可以看出，前一种理论更注意结果和对结果的处理：而后一种理论则更注意过程和对过程的控制，即对围岩自承能力的充分利用。由于有此区别，因而两种理论体系在过程和方法上各自表现出不同的特点。新奥法是岩承理论在隧道工程实践中的代表方法。

二、新奥法

新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是New Austrian Tunnelling Method,简称为NATM。它与法国称收敛约束法或有些国家所称动态观测设计施工法的基本原则一致。

新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹教授于二十世纪50年代提出的。它是以既有隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法，经奥地利、瑞典、意大利等国的许多实践和理论研究，于60年代取得专利权并正式命名。之后这个方法在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速的发展，已成为现代隧道工程新技术的标志之一。我国近40年来，铁路等部门通过科研、设计、施工三结合，在许多隧道修建中，根据自己的特点成功地应用了新奥法，取得了较多的经验，积累了大量的数据，现已进入推广应用阶段。但在公路部门新奥法的应用仅为50%左右。目前新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修建隧道的一种基本方法，技术经济效益是明显的。新奥法的基本要点可归纳如下：

1．岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。为此，施工中断面分块不宜过多，开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。

2．为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；另一方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度和它参加工作的时间（包括闭合时间）来控制岩体的变形。

3．为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合，而成为封闭的筒形结构。另外，隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。

4．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。

5．为了敷设防水层，或为了承受由于锚杆锈蚀，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载，可采用复合式衬砌。

6．二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，围岩和支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度。

上述新奥法的基本要点可扼要的概括为：“少扰动、早喷锚，勤量测、紧封闭”。

三、用一个弹簧来理解新奥法原理

1．洞室边缘某一点A在开挖前具有原始应力（自重应力和构造应力）处于一个平衡状态。如同一根弹性刚度为K的弹簧，在P0作用下处于压缩平衡状态。

2．洞室开挖后，A点在临空面失去约束，原始应力状态要调整，如果围岩的强度足够大，那么经过应力调整，洞室可处于稳定状态（不需支护）。然而大多数的地质情况是较差的，即洞室经过应力调整后，如不支护，就会产生收敛变形，甚至失稳（塌方），所以必须提供支护力PE，才能防止塌方失稳。等同于弹簧产生了变形u后，在PE作用又处于平衡状态。

3．由力学平衡方程可知，弹簧在P0作用时处于平衡状态；弹簧在发生变形u后，在PE的作用下又处于平衡状态，假设弹簧的弹性系数为K，则有：

P0=PE+Ku

讨论：（1）当u=0时，P0=PE 即不允许围岩变形，采用刚性支护，不经济；

（2）当u↑时，PE↓；当u↓时，PE↑。即围岩发生变形，可释放一定的荷载（卸荷作用），所以要允许围岩产生一定的变形，以充分发挥围岩的自承能力。是一种经济的支护措施，围岩的自稳能力P=P0-PE=Ku；

（3）当u=umax时，发生塌方，产生松驰荷载，不安全。

四、要点

1．围岩是受洞室开挖影响的那一部分岩（土）体，围岩是三位一体的即：产生荷载、承载结构、建筑材料。

2．隧道是修筑在应力岩体中的，具有特殊的建筑环境，不能等同于地面建筑。

3．隧道结构体系=围岩+支护体系。