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浅谈新奥法在我国城市地铁设计与施工中的应用
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内容提示：从隧道开挖方法、支护设计与施工、隧道防水设计与施工、辅助施工技术、信息化设计与施工、环境保护等方面,简单总结了新奥法在我国城市地铁中的应用现状,以期大家能对目前的情况有较全面的认识。
摘 要 从隧道开挖方法、支护设计与施工、隧道防水设计与施工、辅助施工技术、信息化设计与施工、环境保护等方面,简单总结了新奥法在我国城市地铁中的应用现状,以期大家能对目前的情况有较全面的认识。（参考《建筑中文网》）
关键词 新奥法 开挖方法 支护形式 信息化设计与施工
1 概述
新奥法[ NATM ] 是新奥地利隧道施工方法的简称,它是应用岩体力学原理,以维护和利用围岩的自稳能力为基点,以锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,并在隧道施工过程中进行现场监控量测,及时获取围岩变动的动态信息,并反馈于修正支护参数与施工措施,充分发挥围岩的自承能力。新奥法广泛应用于山岭隧道、城市地铁、地下贮库、地下厂房、矿山巷道等地下工程。
当前,世界范围内应用新奥法设计与施工城市地铁工程取得了相当大的发展。如智利的圣地亚哥新地铁线采用新奥法施工地铁车站,车站位于城市道路下7m～9m , 开挖面积150m2 ,相当于17m(宽) × 14m(高);我国自1987 年在北京地铁首次采用新奥法设计施工复兴门车站及折返线工程,车站跨度达26m 。针对我国城市地下工程的特点和地质条件, 新奥法经过多年的完善与发展,又开发了“浅埋暗挖法”这一新方法,与明挖法、盾构法相比较,由于它可以避免明挖法对地表的干扰性,而又较盾构法具有对地层较强的适应性和高度灵活性,因此目前广泛应用于城市地铁区间隧道、车站、地下过街道、地下停车场等工程,如根据新奥法的基本原理,采用“ 群洞”方案修建的广州地铁二号线越秀公园站及南京地铁一期工程南京火车站站,断面复杂多变的折返线工程、联络线工程也多采用新奥法。
在我国利用新奥法原理修建地铁已成为一种主要施工方法。尤其在施工场地受限制、地层条件复杂多变、地下工程结构形式复杂等情况下用新奥法施工尤为重要。
2 隧道开挖方法
采用新奥法设计和施工地铁隧道时,其开挖方法主要根据地质条件、断面大小及周边环境条件等因素选择,开挖方法主要采用类比法,并结合数值分析确定。根据国内外的经验,主要开挖方法的特点和适用范围见表1 。目前国内对于断面较小的区间隧道,主要采用台阶法,地质条件较差或地表沉降控制要求严格时,可考虑采用CD 法,并根据需要采用辅助施工
措施解决,以提高施工速度;而对于断面较大的地铁车站和折返线,考虑工程安全和保护周边环境,多采用CRD 工法或双侧壁导坑工法(眼镜工法) 。
表1 隧道基本施工方法的适应性评价
3 支护设计与施工
我国采用新奥法修建的地铁工程,大多采用复合式衬砌,初期支护为喷锚支护,二次衬砌采用现浇混凝土,初期支护承担主要地层荷载,二次衬砌作为安全储备、饰面及防水层。
3. 1 初期支护设计与施工
根据隧道不同开挖顺序引起的围岩“ 松弛”阶段,采用“围岩松弛”理论进行分析,并结合工程经验类比确定支护类型进行预设计。在施工过程中监测围岩及初期支护变形,根据监测结果修正预设计,即实施信息化设计与施工。
经过多年的施工实践,对初期支护的认识逐渐深刻,主要体现在以下几个方面:
为吸收软弱围岩的变形,通过采用钢纤维喷射混凝土及增加钢纤维含量或钢纤维质量提高喷射混凝土强度,对于高应力区,可采用强度高、耐久性好的玻璃纤维,而不是盲目增加喷射混凝土厚度,经计算分析,当喷射混凝土层H ≤D/ 40 时,喷射混凝土无弯矩状态,有利于发挥喷射混凝土的支护作用。目前,提高喷射混凝土强度,发展钢纤维喷射混凝土成为一种趋势。
b. 钢拱架
由于钢拱架不仅承受其上部围岩荷载,而且要承受钢拱架之间的围岩荷载,所以采用钢拱架可以控制隧道发生大的变形。为了更好发挥钢拱架作用,必须提高隧道成型质量,保证钢拱架与隧道开挖轮廓线密贴。
c. 锚杆
实践证明,采用喷射混凝土 锚杆 钢拱架联合支护,锚杆具有重要作用,特别是在隧道拱部,有利于在发生大变形时,可以防止剪切失稳;在没有仰拱时,在拱脚处应安装锁脚锚杆,可以控制墙底部发生大变形和坍塌。
3. 2 二次衬砌设计与施工
二次衬砌作为结构安全的长期储备、饰面和防水层,在初期支护变形基本稳定后施做,施工时应特别注意现浇混凝土的强度、密实性、耐久性以及施工缝的防水。随着喷射混凝土技术的发展,国外已有采用喷射混凝土作为二次衬砌的实例,这样可以大大减小衬砌厚度,提高施工速度,降低工程造价;采用高性能混凝土提高混凝土强度、密实性、耐久性, 特别是提高混凝土的早期强度,以减少脱模时间,提高二次衬砌施工速度。
4 隧道防水设计与施工
初期我国城市新奥法施工地铁隧道的防水原则为“以防为主”,经过多年实践发现,在地下水位较高的地区防水层承受很大的水压力,往往易在防水层薄弱的地方漏水。基于以上认识,确定防水设计原则为:
“ 以防为主,防排结合,综合治水”,防水结构的基本形式为:复合式衬砌 防水层 排水盲管,在初期支护和二次衬砌之间铺设防水层,在初期支护表面铺设排水盲管,在墙脚处设排水盲沟,这种防水方法较好解决了隧道防水问题。
5 辅助施工措施
辅助施工措施推动了新奥法在城市地铁中的应用和发展,在采用新奥法修建的城市地铁区间隧道及暗挖车站中具有重要作用。选择辅助施工措施的原则是:在满足工程安全的条件下,优先选择简单易行、有效、经济的辅助措施。
目前常用的辅助施工措施有:
① 超前锚杆和超前小导管支护(或小导管注浆加固地层);
② 喷射混凝土封闭掌子面;
③ 玻璃钢纤维管注浆加固掌子面;
④ 长管棚超前支护注浆加固地层;
⑤ 深孔注浆加固地层;
⑥ 冻结法加固地层;
⑦ 水平旋喷桩超前支护;
⑧ 地表锚杆或高压旋喷加固地层;
⑨ 降低地下水位。
不同的辅助施工措施具有不同的适用条件,应综合分析各种辅助施工措施对地质条件的适用性、安全性、经济性和工期等,慎重选择。
6 信息化设计与施工目前,由于对地下工程设计的合理性进行理论分析牵涉问题很多,比较困难,其主要原因是① 围岩的复杂性, ② 施工方法难以模拟性, ③ 围岩与支护相互作用的复杂性。而用于隧道的信息化设计的方法,还基本停留在经验类比的基础上。因此施工过程中的监控量测具有重要作用,通过信息反馈能及时地修正、完善预设计。喷锚支护是新奥法的基础,围岩变形量测是新奥法的灵魂,没有围岩变形量测的喷锚支护不是新奥法。在隧道施工过程中进行现场监控量测,及时获取围岩的动态信息,并反馈于修正支护参数与施工措施,充分利用并发挥围岩的自承能力、支护的强度和变形,保持围岩的稳定性,以期达到安全与经济合理的目的,这就是信息化设计与施工的实质。但目前大多数施工技术人员没能深刻领会和掌握信息化新奥法设计与施工技术,真正做到信息化设计与施工的工程并不多。
7 环境保护
采用新奥法修建的地下工程,一般所处的周边环境比较复杂,周围对沉降敏感的建筑物多等特点,对周边环境的影响已成为设计方案可行性评估的重要内容;施工过程中采取有效的保护措施,将施工对环境的影响减到最小程度。但是目前施工对周边环境影响的评估的标准还缺乏合理性,如地表沉降控制标准统一采用30mm , 建筑物沉降和倾斜没有相应控制标准,而不加分析地均采用建筑规范规定值,显然是不合理的,因此有必要就地下工程施工对周围环境影响的评估程序、评估方法以及控制标准进行研究。
8 结束语
不可否认,我国采用新奥法修建城市地铁已积累了丰富的设计与施工经验, 促进了我国地铁建设事业的发展。但目前还存在一些不足和薄弱环节, 如隧道信息化设计与施工方面还有待深入研究,新材料、新工艺、新设备的研发与应用推广力度不够, 施工对周边环境影响的评估标准缺乏合理性,辅助施工技术与环境保护技术研究还比较薄弱等。可以预料,随着我国综合国力的提高,21 世纪必将是我国城市地铁建设的高峰期,由于经济性、地层条件复杂多变以及特殊的环境条件,新奥法在城市地铁建设中还需不断完善,以上几个方面的问题都是亟待解决的课题。
参考文献
1 夏明耀. 地下工程设计施工手册. 北京:中国建筑工业出版社,1999
2 M. SC. Eystein Grimstad. Q -system advance for sprayed lin2 ing. Tunnel &Tunnelling international ,2003 ,12(3)
3 刘招伟,王梦恕. 浅埋暗挖法修建地下工程中几个问题的探讨. 见:铁道部隧道工程局科技大会论文集,1999
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200810/13668.htm
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