“新奥法”在立节引水隧洞中的应用

姚先坤

关键词：引水隧洞；开挖支护；新奥法；施工方法立节水电站位于白龙江干流舟曲县立节乡上游3.0km处，为白龙江干流尼什峡至沙川坝河段梯级水电规划调整的第十级电站，坝址、厂址左岸有313公路通过，对外交通便利。

工程枢纽主要建筑物由泄洪冲沙阀（兼导流明渠）、河床溢流坝、砼重力副坝、电站进水口、引水隧洞、调压井、压力管道、发电厂房及开关站等建筑物构成。

引水隧洞沿白龙江左岸布置，为有压引水隧洞，引用流量Q＝154.83m3/s，引水隧洞在平面上经过三个转弯进入调压井，引水隧洞全长2028.60m，纵向坡度2.006‰，引水隧洞为圆形断面，支护形式采用钢筋混凝土全断面衬砌，衬砌洞径为8.0m，洞内流速3.08m/s，开挖洞径9.0m。

1隧洞地质概况

地形地貌：隧洞轴线位于白龙江左岸宽谷区，洞线穿过两个山梁一个冲沟。上游山梁海拔高程在1944m左右，顶部为Ⅲ级阶地，地势较平坦，山坡不陡，整地坡度25～40°，下游山梁海波在1860m左右，梁顶较窄，宽29～50m,两侧较陡，整体坡度40～50°，基岩裸露。一沟为芦把沟，呈狭窄“V”型，右侧坡发育滑坡，较平缓，左侧坡基岩裸露，坡体较陡。

地层岩性：引水隧道穿越的地层，除出口段为第四系松散堆积层外，进口段为少量志留系中、上统灰岩（S2+3Ls）外，洞身段、出口段均为志留系中、上统绢英千枚岩（S2+3tph）。按不同岩性组合和工程性质具体划分为以下几层：

（1）灰岩（S2+3Ls），呈灰～灰黑色，局部夹有少量炭质千枚岩，厚层（部分薄层）状，层理明显，岩石致密坚硬，层状构造，抗风化强，属中硬岩，分布于隧道进口段，沿洞线出露长度较少（约78m），约占引水洞总长的3.7％；（2）炭质千枚岩（S2+3tph），黑色，变余磷片状结构，千枚状构造，板理发育～极发育，单层厚度小，一般0.5～1.5cm，岩质软弱，遇水易软弱，崩解快，抗风化能力差，地表出露处炭质千枚岩多呈粉末状，该层沿洞线出露长度约139～150m，约占洞线总长的7.1％；（3）绢英千枚岩（S2+3ph），黑灰色，变余磷片状结构，千枚状构造，板理发育～极发育，单层厚度小，一般0.5～5cm，偶夹板岩、灰岩，岩石强度高，属中硬岩～坚硬岩，是构成隧道洞体的主要岩层，约占洞线总长的89.1％；（4）第四系全新统崩坡积松散堆积物（Q4col+dl），为块石、碎石及壤土，各处厚度及颗粒组成不同，坡脚处最大厚度可达15～25m，仅分布在隧洞出口部位，需明挖处理。

2隧洞设计

目前，国内水工隧洞设计有两种方法，一是传统方法，即围岩荷载全部由支护结构承担；二是新奥法，即依靠监测性能来预测和划分地基地质条件，允许围岩产生使其强度达到屈服强度这一目的，用轻型的临时支护来完成，用正确的最终支护时间，使岩体的初期屈服及时终止，以防强度的损失，达到充分发挥围岩承载能力的目的。使初期支护与后期混凝土模注(衬砌)形成一体的组合衬砌形式，两者共同承担荷载。洞室开挖后，围岩应力会重新分布，并且洞壁围岩从变形到松动破坏有一个时间效应的动态特性。此时，如能加强监测，发现问题及时采用薄壁柔性支护结构紧贴围岩，保护和加固围岩，利用围岩自身承载能力，共同支承荷载，达到洞室稳定。在立节引水隧洞工程按照三类围岩分别设计了三种支护结构形式。Ⅲ类围岩结构形式：初期支护在局部范围进行锚喷混凝土厚10cm，二次混凝土衬砌厚度50cm；Ⅳ类围岩结构形式：采用系统锚杆加拱架及钢筋网喷混凝土厚10cm，二次混凝土衬砌厚度50cm；Ⅴ类围岩结构形式：采用超前锚杆或小导管注浆加工字钢拱架及钢筋网喷混凝土厚10cm，二次混凝土衬砌厚度50cm。

3隧洞施工

3.1施工方法是随围岩类别变化而不断进行调整的。

3.1.1Ⅲ类围岩开挖方案：开挖采用钻爆法施工，总体坚持“弱爆破、短进尺、强支护”的原则，采用全站仪放线布孔，自制凿岩台架，每工作面配备12台风动凿岩机钻孔，光面爆破。初期每工作面配备20m3空压机两台，各工作面掘进达500m以上后每工作面增设空压机一台，以保证供风。为减少对围岩的扰动次数，采用全断面开挖，每循环进尺3.0m。

3.1.2Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖方案：总体坚持“超前支护、弱爆破或不爆破、短进尺、强支护”的原则，采用全站仪放线布孔，自制凿岩台架配备12台YT28型风动凿岩机钻孔。为保证安全，对地质破碎地段进洞前采取超前支护，拱顶设Φ42超前小导管，每0.6～1m设I14重型工字钢全封闭钢拱架。

Ⅳ类围岩地段采用开挖采用上下台阶开挖，循环进尺降低为2.0m，开挖采用上下短台阶开挖，部分破碎段采用环形开挖，预留核心土开挖，开挖采用松动爆破，机械开挖，部分部位人工用电钻修凿到设计开挖线，防止塌方。

3.2用“新奥法”施工，要注意两点：其一是初期支护要及时，即使一、二类围岩也要注意，这两类围岩采用光面爆破后也会出现个别地方的岩石松动，如果不及时打上注浆锚杆，也会因后面的爆破扰动，将已松动的岩石震下来。对四、五类围岩由于本身的自稳能力差，变形时间效应比一、二、三类围岩要小得多，不把握初期支护时间，等到岩石松动时才去支护，就等于失去利用围岩自身承载能力的机会。其二是初期支护要紧贴围岩，用初期支护紧贴围岩并形成整体才能调动围岩自身承载能力共同控制围岩变形，如果初期支护拱顶同围岩贴合不紧，形成空隙，使支护与拱顶围岩分离，提供了拱顶围岩变形的空间条件并不断向围岩深处发展，造成松动破坏区扩大，最后由初期支护单独承担荷载，易使支护失稳、围岩坍塌。

4新奥法施工特点

4.1及时性

新奥法施工采用喷锚支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面施工，因此可以利用开挖施工面的时空效应，以限制支护前的变形发展，阻止围岩进入松动的状态，在必要的情况下可以进行超前支护，加之喷射混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。在巷道爆破后立即施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展，并控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载，增强了岩层的稳定性。

4.2封闭性

由于喷锚支护能及时施工，而且是全面密粘的支护，因此能及时有效地防止因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨胀，保护原有岩体强度。

开挖后，围岩由于爆破作用产生新的裂缝，加上原有地质构造上的裂缝，随时都有可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面，很好的充填围岩的裂隙，节理和凹穴，大大提高了围岩的强度。（提高围岩的粘聚力C和内摩擦角）。同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用，隔绝了水和空气同岩层的接触，使裂隙充填物不致软化、解体而使裂隙张开，导致围岩失去稳定。

4.3粘结性

喷锚支护同围岩能全面粘结，这种粘结作用可以产生三种作用：

（1）联锁作用，即将被裂隙分割的岩块粘结在一起若围岩的某块危岩活石发生滑移坠落，则引起临近岩块的联锁反应，相继丧失稳定，从而造成较大范围的冒顶或片帮。后如能及时进行喷锚支护，喷锚支护的粘结力和抗剪强度是可以抵抗围岩的局部破坏，防止个别围岩活石滑移和坠落，从而保持围岩的稳定性。

（2）复和作用，即围岩与支护构成一个复合体（受力体系）共同支护围岩。喷锚支护可以提高围岩的稳定性和自身的支撑能力，同时与围岩形成了一个共同工作的力学系统，具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用，从根本上改变了支架消极承担的弱点。

（3）增加作用。及时进行喷锚支护，一方面将围岩表面的凹凸不平处填平，消除因岩面不平引起的应力集中现象，避免过大的应力集中所造成的围岩破坏；另一方面，使周边围岩由双方向受力状态，提高了围岩的粘结力C和内摩擦角，也就是提高了围岩的强度。

4.4柔性

喷锚支护属于柔性薄性支护，能够和围岩紧粘在一起共同作用，由于喷锚支护具有一定柔性，可以和围岩共同产生变形，在围岩中形成一定范围的非弹性变形区，并能有效控制允许围岩塑性区有适度的发展，使围岩的自承能力得以充分发挥。另一方面，喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生越来越大的支护反力，能够抑制围岩产生过大变形，防止围岩发生松动破坏。

4.5特殊性

由于岩体生成条件与地质作用的复杂性，施工条件的复杂性，以及对工程设计参数的精确要求，得要通过许多量测手段，在施工过程中对围岩动态和支护结构工作状态和支护结构工作状态进行监测。并用监测结果修改初步设计，指导施工。量测的结果可以作为施工现场分析参数和修改设计的依据，因而能够预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然，提高施工的安全程度。

5新奥法的主要支护手段与施工顺序

新奥法是以喷射混凝土、锚杆支护为主要支护手段，因锚杆喷射混凝土支护能够形成柔性薄层，与围岩紧密粘结的可缩性支护结构，允许围岩有一定的协调变形，而不使支护结构承受过大的压力。

施工顺序可以概括为：开挖→一次支护→二次支护。

5.1开挖

开挖作业的内容依次包括：钻孔、装药、爆破、通风、出渣等。开挖作业与一次支护作业同时交叉进行，为保护围岩的自身支撑能力，第一次支护工作应尽快进行。为了冲分利用围岩的自身支撑能力开挖应采用控制爆破或机械开挖，并尽量采用全断面开挖，地质条件较差时可以采用分块多次开挖。一次开挖长度应根据岩质条件和开挖方式确定。岩质条件好时，长度可大一些，岩质条件差时长度可小一些，在同等岩质条件下，分块多次开挖长度可大一些，全断面开挖长度就要小一些。一般在中硬岩中长度约为2~2.5m，在膨胀性地层中大约为0.8~1m。

5.2第一次支护作业包括：一次喷射混凝土、打锚杆、联网、立钢拱架、复喷混凝土。

在开挖后，应尽快地喷一层薄层混凝土（3~5mm），为争取时间在较松散的围岩掘进中第一次支护作业是在开挖的渣堆上进行的，待把未被渣堆覆盖的开挖面的一次喷射混凝土完成后再出渣。按一定系统布置锚杆，加固深度围岩，在围岩内形成承载拱，由喷层、锚杆及岩面承载拱构成外拱，起临时支护作用，同时又是永久支护的一部分。复喷后应达到设计厚度（一般为10~15mm）,并要求将锚杆、金属网、钢拱架等覆裹在喷射混凝土内。完成第一次支护的时间非常重要，一般情况应在开挖后围岩自稳时间的二分之一时间内完成。目前的施工经验是松散围岩应在爆破后三小时内完成，主要由施工条件决定。在地质条件非常差的破碎带或膨胀性地层（如风华花岗岩）中开挖巷道，为了延长围岩的自稳时间，为了给一次支护争取时间，安全的作业，需要在开挖工作面的前方围岩进行超前支护（预支护），然后再开挖。在安装锚杆的同时，在围岩和支护中埋设仪器或测点，进行围岩位移和应力的现场测量：依据测量得到的信息来了解围岩的动态，以及支护抗力与围岩的相适应程度。

一次支护后，在围岩变形趋于稳定时，进行第二次支护和封底，即永久性的支护（或是补喷射混凝土，或是浇注混凝土内拱），起到提高安全度和整个支护承载能力增强的作用，而此支护时机可以由监测结果得到。

6对“新奥法”的体会

现如今“新奥法”广泛的用于隧洞施工中，“新奥法”的实施不仅要求有良好的施工组织和管理，也要求技术人员和量测人员都十分熟练，没有这一点就易于发生错误；然而若在实施过程由于预裂、光爆、喷锚技术不过硬，监测预报（测）不完善，就会在施工过程中出现诸如坍方、初期支护变形等一些问题。因此，设计理论和施工实践的紧密结合，是“新奥法”应用的关键。在围岩地质清楚，符合“新奥法”理论的前提下，可大力推广“新奥法”在水工隧洞中的应用，该理论比较先进，同时隧洞掘进施工也比较安全，可节省建筑材料，降低工程造价，加快施工进度，保证质量。