NATM tunnel design principle in the construction of major and Construction Technology

I.The NATM Design Principle

1.Tunnel design and construction of two major theoretical and development process

Since the 20th century, human space on the ground floor of the growing demand, thus the underground works of the study of a rapid development. In a large number of underground engineering practice, it is generally recognized that the tunnel and underground cavern project, the core of the problem, all up in the excavation and retaining two key processes. How excavation, it will be more conducive to the stability and cavern facilitate support : For more support, Supporting how they can more effectively ensure stability and facilitate the cavern excavation. This is the tunnels and underground works two promote each other and check each others problems.

Tunnels and underground caverns, and focusing on the core issues with the above practice and research, in different periods, People of different theories and gradually established a system of different theories, Each system includes theory and resolve (or are studying the resolution) from the works of understanding (concept), mechanics, engineering measures to the construction methods (Technology), a series of engineering problems.

A theory of the 20th century the 1920s the traditional 'load relaxation theory.' Its core content is : a stable rock self-stability, no load : unstable rock may have collapsed. need shoring structure to be supported. Thus, the role of the supporting structure of the rock load is within a certain range may be due to relaxation and collapse of rock gravity. This is a traditional theory, and their representative is Taishaji and Principes and others. It works similar to the surface issues of the thinking is still widely used to.

Another theory of the 20th century made the 1950s the modern theory of timbering or 'rock for the theory.' Its core content is : rock stability is clearly bearing rock to their own self-stability : unstable rock loss of stability is a process, and if this process in providing the necessary help or restrictions will still be able to enter the rock steady state. This theoretical system of representative characters Labuxiweici, Miller-Feiqieer, Fenner - Daluobo and Kashitenai others. This is a more modern theory, it is already out of the ground works to consider the ideas, and underground works closer to reality, the past 50 years has been widely accepted and applied. demonstrated broad development prospects.

Can be seen from the above, the former theory more attention to the findings and the results of treatment : The latter theory is even more attention to the process and the control of the process, right from the rock for the full utilization of capacity. Given this distinction, which both theory and methods in the process, each with different performance characteristics. NATM theory is rock for the tunnel engineering practice in the representation method.

2. NATM

NATM that the new Austrian Tunneling Method short the original is in New Austrian Tunneling Method, referred to as the NATM. France said it convergence bound or some countries alleged to observe the dynamic design and construction of the basic principles.

NATM concept of filibustering Xiweici Austria scholars in the 20th century, Professor age of 50. It was based on the experience of both the tunnel and rock mechanics theory, will bolt and shotcrete combination as a major means of supporting a construction method, Austria, Sweden, Italy and other countries, many practical and theoretical study in the 1960s and patented officially named. Following this approach in Western Europe, Scandinavia, the United States and Japan and many other underground works with a very rapid development, have become modern tunnels new technologies landmark. Nearly 40 years ago, the railway sector through research, design, construction combining, in many construction of the tunnel, according to their own characteristics successfully applied a new Austrian law, made more experience, have accumulated large amounts of data, This is the application stage. However, in the road sector NATM of only 50%. Currently, the New Austrian Tunneling Method almost become weak and broken rock section of a tunnel construction method, technical and economic benefits are clear. NATM the basic points can be summarized as follows :

（1）. Rock tunnel structure is the main loading unit, the construction must fully protect the rock, it minimize the disturbance to avoid excessive damage to the intensity of rock. To this end, the construction of sub-section should not block too much, excavation should be used smooth blasting, presplit blasting or mechanical tunneling.

（2）. In order to give full play to rock the carrying capacity should be allowed to control and rock deformation. While allowing deformation, which can be a rock bearing ring; The other hand, have to limit it, Rock is not so lax and excessive loss or greatly reduced carrying capacity. During construction should be used with rock close to, the timely building puzzle keeps strengthening Flexible support structure, such as bolting and shotcreting supporting. This adjustment will be adopted supporting structural strength, Stiffness and its participation in the work of the time (including the closure of time) to control the deformation of the rock mass.

（3）. In order to improve the support structure, the mechanical properties, the construction should be closed as soon as possible, and to become a closed cylindrical structure. In addition, the tunnel shape with a round should, as far as possible, to avoid the corner of the stress concentration.

（4）. Construction right through the rock and supporting the dynamic observation, measurement, and reasonable arrangements for the c

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新奥法设计原理在隧道施工中的应用及主要施工工艺

Ⅰ、新奥法的设计原理

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 Tunnel-

ling 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uuarr;时，PEdarr;；当udarr;时，PEuarr;。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。

Ⅱ、新奥法在公路施工中的基本方法
　　新奥法的特征之一是采用现场监控，量测信息指导施工，即通过对隧道施工中量测收据和对开挖面的地质观察等进行预测、预报和反馈。并根据已建立的量测为基准，对隧道施工方法、断面开挖步骤及顺序、初期支护的参数等进行合理调整，以保证施工安全，坑道围岩稳定、工程质量和支护结构的经济性等。笔者对承（承德）赤（赤峰）东线茅荆坝隧道采用新奥法基本施工方法作了调查总结，综合出公路隧道采用新奥法施工的种类及选用不同基本施工方法的特点及注意事项。
　　一、隧道施工方法选择隧道施工方法的选择，主要根据工程地质及水文地质条件、施工条件、围岩类别、隧道埋置深度、隧道断面尺寸大小和长度衬砌类型，应以施工安全为前提及以工程质量为核心，并结合隧道的使用功能，施工技术水平、施工机械装备、工期要求和经济可行性等因素综合考虑研究选用。
　　当选择施工方法因隧道施工对周围环境产生不利影响时，也应把隧道工程的环境条件作为选择施工方法的因素之一，同时应考虑围岩变化时施工方法的适用性及其变更的可能性，以免造成隧道工程失误和增加不必要的工程投资。采用新奥法施工时，还应考虑施工全过程中的辅助作业方式和对围岩变化的量测监控方法，以及隧道穿越特殊地质地段时的施工手段等进行合理的选择。
　　二、新奥法隧道施工方法方案隧道新奥法施工常用方法大致分为全断面法、台阶法和分部开挖法三大类及若干变化方案。
　　（一）全断面法。即全断面开挖法，是指按设计开挖面一次开挖成型。其开挖顺序是全断面开挖，锚喷支护，灌筑砼衬砌。常选用于Ⅳ－Ⅵ类硬岩的石质隧道，该法可以采用深孔爆破。
　　全断面开挖法有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，且工序少、干扰少，便于施工组织和管理。缺点是由于开挖面积较大，围岩相对稳定性降低，且每循环工作量相对较大，因此就要求施工单位应具有较强的开挖、出渣与运输及支护能力，茅荆坝Ⅵ：V类围岩中采用了全断面开挖，达到了预期效果。
　　全断面施工开挖工作面大，钻爆施工效率较高，采用深眼爆破可加快掘进速度，且爆破对围岩的振动次数较少，有利于转帐岩稳定。缺点是每次深孔爆破震动较大。因此要求进行精心的钻爆设计和严格控制爆破作业。
　　全断面开挖法的主要工序是：使用移动式台车（或者台架），首先全断面一次钻孔，并进行装荷连线，然后将钻孔台车后退到50m以外的安全地点，再起爆，使一次爆破成型，出渣后钻孔台车再推移至开挖面就位，开始下一个钻爆作业循环，同时进行锚喷支护或先墙拱后衬砌。
　　（二）台阶法。台阶法一般是将设计断面分成上半断面和下半断面两次开挖成型。其开挖顺序是上半部开挖拱部锚杆喷射砼支护，拱部衬砌，下半部中央部分开挖，边墙部分开挖，边墙锚杆喷射砼支护及衬砌。该方法多适用于Ⅱ、Ⅲ类较软而节理发育的围岩中，可分别采用添中变化方案。
　　长台阶法：上下台阶距离较远，一般上台阶超前50m以上，施工中上下部可配属同较大型机械进行平行作业，当机械不足时可以交替使用，当遇短隧道时，可将上部断面全部挖通后，再挖下断面，该法施工时干扰较少，可进行单工序作业。
　　短台阶法：上台阶长度5－50m，适用于Ⅱ、Ⅲ类围岩，可缩短仰拱封闭时间，改善初期支护受力条件，但施工干扰较大，当遇到软弱围岩时需慎重考虑，必要时应采用辅助开挖措施稳定开挖面，以保证施工安全。
　　超短台阶法：上台阶仅超前3－5m，断面闭合较快。此法多用于机械化程度不高的各类围岩地段，当遇到软弱围攻岩时需慎重考虑，必要时应采用辅助施工措施稳定开挖工作面，以确保施工安全。
　　台阶开挖的特点在于，一是台阶开挖宜采用轻型凿岩机打眼，而不宜采用大型凿岩台车。二是台阶法开挖具有足够的作业空间和较快的施工速度。台阶有利于开挖面的稳定性。尤其是上部开挖支护后，下部作业较为安全。三是台阶法开挖的缺点是上下部作业互相干扰。应注意下部作业时对上部稳定性的影响，台阶开挖会增加对围岩的扰动次数。
　　（三）分部开挖法。分部开挖法可分为五种变化方案：台阶分部开挖法、上下导坑法、上导坑超前开挖法、单（双）侧壁导坑法。是将开挖断面进行分部开挖逐部成型，并且将某部分超前开挖，故此可称为导坑超前开挖法。
　　台阶分部法：适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩地段，其优点与超台阶法相比，台阶可以加长，一般双车道隧道为1倍洞跨，单车道隧道为2倍洞跨；而较单（双）侧臂导坑法机械化程度高，可加快工程进度。
　　上下导坑超前开挖法（即上下导坑先拱后墙法）：此法适用于Ⅱ、Ⅲ类围岩，在松软地层开挖隧道，一般宜采用上下导坑超前开挖先拱后墙法。其优点是：导坑超前开挖，利用提前探明地质情况，便于改变施工方法。工作面多，便于拉开工序，适用于安排劳动力与使用小型机械施工。该方法缺点：上下导坑断面小，则施工速度慢，施工工序较多，使施工组织和管理难度大。
　　单侧臂导坑法：围岩稳定性较差，隧道跨度较大，地面沉陷难以控制时采用此方法。其特点是：有正台阶法和双臂导坑法的优点。
　　双侧臂导坑法：适用于浅埋大跨度隧道，地表下沉量要求严格，围岩特别差时采用。此法优点是：施工安全可靠，但施工速度较慢，造价高。

Ⅲ、隧道主要施工工艺

一、 洞口段施工：

1、边仰坡开挖：

全站仪测量放样，利用挖掘机自上而下逐段开挖，不得掏底开挖或上下重叠开挖，清除洞口与上方有可能滑塌的表土，灌木及山坡危石等，石质地层仰坡开挖需要爆破时，应以浅眼松动爆破为主。局部也可人工配合修整，开挖时应随时检查边坡和仰坡，如有滑动、开裂等现象，应适当放缓坡度。
2、成洞面支护：

仰坡刷坡完成后，及时用坡度板检查坡度，待坡度检查合格后，及时打设系统锚杆，并将锚杆头外露，挂设金属扩张网与锚杆头焊接成整体。挂网完成后立即喷射混凝土，并反复喷射，直到达到设计厚度为止。
3、截水沟施工：

在距仰坡坡口5米处开挖截水沟，截水沟开挖以机械为主，人工配合修整，修整完后，立即砌筑7.5#浆砌片石，并用砂浆抹面。
二、辅助施工：
1、长管棚：

套拱施工：施工放样，模板安装、钢筋绑扎、导向管放样，127导向管安装，砼浇注。

钢管规格：热扎无缝钢管￠108㎜，壁厚6㎜，节长3米，6米；

n 管距：环向间距50㎝；

n 倾角：仰角1°（实际施工按2°施工），方向与线路中线平行；

n 钢管施工误差：径向不大于20㎝；

n 隧道纵向同一截面内接头数不大于50%，相邻钢管的接头至少错开1米。

A 管棚施工方法：

测量人员准确放样，标出洞中心线及拱顶标高，开挖预留核心土作为管棚施工的工作平台，开挖进尺为2.5米，开挖结束后，人工两边对称开挖（品字型）工作平台，台阶宽度1.5米，高度2.0米，作为施工套拱和管棚施钻的平台。管棚应按设计位置施工，应先打有孔钢花管，注浆后在打无孔钢花管，无孔管可作为检查管，检查注浆质量，钻机立轴方向必须准确控制，以保证孔口的孔向正确，每钻完一孔便顶进一根钢管，钻进中应经常采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度，发现偏斜超过设计要求，及时纠正。钢管接头采用丝扣连接，丝扣长15㎝，为使钢管接头错开，编号为奇数的第一节管采用3米钢管，编号为偶数的第一节管采用6米钢管，以后每节均采用6米长钢管.

B 管棚施工机械：

n 钻孔机械：配备XY-28-300电动钻机，钻进并顶进长管棚；

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