山岭隧道两种常规施工方法的综述及比较

山岭隧道两种常规施工方法的综述及比较

摘要：

针对山岭隧道两种常规的施工方法：传统的矿山法和“新奥法”，本文介绍了它们的施工方法和理念并进行了对比，给出了两者的主要差别。最后简述了山岭隧道施工方法的发展趋势。

关键词：

隧道工程新奥法传统矿山法松弛荷载理论岩承理论

0 引言

传统矿山法是山岭隧道常规施工方法，因最早应用于采矿坑道而得名。隧道等地下工程，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稳定和便于支护；如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。在矿山法中，坑道开挖后的支护方法，大致可以分为钢木构件支撑和锚杆喷射混凝土支护两类。习惯上将采用钻爆开挖加钢木构件支撑的施工方法称为“传统矿山法”；而将采用钻爆开挖加锚喷支护的施工方法称之为“新奥法”。“新奥法”与“传统矿山法”相比，在在理论基础、对围岩及支护的认识等方面都有很大的不同。

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。

1.1 松弛荷载理论

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。传统矿山法是松弛荷载理论在隧道工程实践中的代表方法。

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1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

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1.2 岩承理论

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，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

勒一菲切尔、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。 2传统矿山法

2.1概念与原理概述

传统矿山法是一种较传统的施工方法，使人们在长期的施工实践中发展起来的。它是以木或刚构件作为临时支撑，待隧道开挖成型后，逐步将临时支撑撤换下来，而代之以整体式厚衬砌作为永久性支护的施工方法。

木构件支撑由于其耐久性差和对坑道形状的适应性差，支撑撤换工作既麻烦又不安全，且对围岩有所扰动，因此，目前已很少使用。钢结构支撑具有较好的耐久性和对坑道形状的适应性等优点，施工中可以不撤换，也更安全。日本隧道界将以钢构件作为支撑的矿山法称为“背板法”。钢木构件支撑类似于地上的“荷载一结构”力学体系。它作为一种维持坑道稳定

的措施，是很直观和奏效的，也容易被施工人员理解和掌握。因此这种方法常被用于不便采用喷锚支护的隧道中，或处理塌方等。由于衬砌的设计

工作状态与实际工作状态不一致，以及临时支撑存在的一些缺陷等，在一定程度上了它的发展和应用。 矿山法的基本理论依据是，隧道开挖后受爆破影响，造成围岩体破裂形成松弛状态，随时都有可能塌落。给予这种松弛荷载来了依据，其施工方法是采取分割式按分部顺序一块一块的开挖，并要求边挖边撑以策安全，

所以支撑复杂，材料耗用多。由于这种施工方法，因其工作面小，不能使用大型的凿岩钻孔设备和装卸运输工具，故施工进度慢，建设周期长，机械化程度低，耗用劳力多，难以适应现代公路建设工期的需要。 2.2传统矿山法施工的基本原则 传统矿山法施工的基本原则可以归纳为“少扰动、早支撑、慎撤换、快衬砌”。

“少扰动”是指开挖后及时施作临时构件支撑，使围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间，这与新奥法施工的要求是一致的。采用钢支撑，可以增大一次开挖断面跨度，减少分部次数，从而减少对围岩的扰动次数。

“早支撑”是指开挖后及时施作临时构件支撑，使围岩不致因变形松弛过度而产生坍塌失稳，并承受围岩松弛变形产生的压力，即早期松弛荷载。定期检查支撑的工作状况，若发现变形严重或出现损坏征兆，应及时增设支撑予以加强。作用在l临时支撑上的早期松弛荷载大小可比照设计永久衬砌的计算围岩压力大小来确定。临时支撑的结构设计亦采用类似予永久衬砌的设计方法，即结构力学方法。“慎撤换”是指拆除临时支撑，以永久性模筑混凝土取代，衬砌时要

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慎重，即要防止撤换过程中围岩坍塌失稳。每次撤换的范围、顺序和时间要视围岩稳定性及支撑的受力状况而定。若预计到不能拆除，则应在确定开挖断面大小及选择支撑材料时就予以研究解决。使用钢支撑作为临时支撑，则可以避免拆除支撑的麻烦和危险。

“快衬砌”是指拆除临时支撑后要及时修筑永久性混凝土衬砌，并使之尽早承载参与工作。若采用的是钢支撑又不比拆除，或无临时支撑时，亦应尽早施作永久性混凝土衬砌。 2.3施工注意事项

按松弛荷载理论设计的隧道永久

性模筑混凝土衬砌，其厚度较厚，刚

度较大，故相对于复合式衬砌称为整

体式衬砌。整体式衬砌的施工应注意

以下几点。

1) 模筑混凝土衬砌时，需慎重进

行临时支撑的拆除，以免围岩坍塌失

稳。每次拆除的范围、顺序和时间要

视围岩稳定性及支撑的受力状况而定。若不必拆除或不能拆除临时支撑，则

可将其留在衬砌背后或浇筑在混凝土

中。但原则上只允许钢构件留在混凝

土中。

2) 整体式衬砌的设计中一般并

未计入钢支撑的承载作用。事实上，

当钢支撑不必拆除或不能拆除时，其

支撑作用是存在的。这种不计入就造

成一定的浪费，因此有人提出：在整

体式衬砌设计时，计入钢支撑的永久

承载作用，并相应地适当减薄衬砌厚

度。

3) 采用先拱后墙法施工时，应注

意处理好墙顶和拱脚连接处的封口，

以保证其整体刚度不严重降低。马口

开挖应遵循马口开挖原则进行。

4) 传统矿山法施工，其衬砌背后

空隙较多，尤其是拱部有较多背板未拆除时，对于衬砌的受力状态是不利的。因此，应在衬砌混凝土达到一定

强度后进行压浆处理。浆液材料多采用单液水泥浆。钻压浆孔时应注意避开未被拆除的钢支撑。

5) 整体式衬砌混凝土的拆模时间，应根据衬砌的受力条件、自重大小以及混凝土的强度增长情况由现场试验确定，以保证不会因拆模而导致衬砌变形开裂，一般应符合工程设计规定的要求。

3. 新奥法

3.1基本概念、发展历史及现状

新奥法即新奥地利隧道施工方法，原文是NewAustrianTunnellingMethod，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。 3.2施工基本思想 新奥法是由传统矿山法发展起来的。传统矿山法是把施工是把地层压力视为外力荷载，而新奥法是把围岩

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和支护结构作为一个统一的受力体系来考虑，围岩既是荷载的来源，又是支护体系的一部分，围岩和支护结构互相作用。新奥法施工的基本思想是：充分利用围岩的自称能力和开挖面的空间约束作用，采用以锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，通过对围岩和支护结构的监控、测量来指导地下工程的设计与施工。 3.3施工基本要点

新奥法的基本要点可归纳如下： 1) 隧道开挖作业应采用光面爆破, 选择合理的断面形状、施工程序和开挖方法，并尽量采取大断面开挖，尽量减少对围岩的破坏程度。

2) 隧道开挖后，尽量利用围岩的自承能力，把围岩当作支护结构的基本组成部分，遇塑性变形较大的围岩压力，增设锚杆加固，使围岩与支护紧密结合，施作的支护将同围岩共同工作，形成一个整体的承载环或承载拱。

3) 根据围岩特征采用不同的支护类型和参数，及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆作为初期支护，以控制围岩的变形和松驰。

4) 在软弱破碎围岩地段，应及早闭合隧道断面，及时封闭仰拱，能有效地发挥支护体系的作用，保证隧道的稳定。

5) 二次衬砌是在围岩与初期支护变形基本稳定的情况下构筑的，围岩的支护形成一个整体，不仅能提高支护体系的安全度，而且还能增加衬砌的厚度。

6) 尽量使隧道周边轮廓圆顺, 避免棱角突变处应力集中。

7) 设置量测系统，监测围岩变位、

变形速率及收敛程度，并进行必要的

反馈分析，正确估计围岩特性及其随

时间的变化，及时调整开挖及支护方

式，以确定施作初期支护的有利时机

和是否需要补强支护等措施。使设计施工更复合实际情况，确保施工安全。

8) 在某些条件下，还必须采取其他补充措施，如超前灌浆，冻结、疏导涌水等，方能使新奥法取得成功。

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”。 3.4隧道开挖方式的选择

采用新奥法设计和施工隧道时,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。选择开挖方式时，应考虑下列几个问题：

1) 隧道埋深、岩体状况、有无断层破碎带、有无涌水、岩石强度等有关隧道围岩自稳性的问题；

2) 隧道总长或工区长度，隧道的线形，断面形状和尺寸等有关工程规模；

3) 地表设施状况，对地表下陷有无要求，地表下陷量的容许值等有关环境要求问题；

4) 机械设备，工期等施工条件问题。

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) 。因短台阶开挖比长台阶更早地使支护结构形成闭合断面，更利于控制地表沉降量。因此，在岩质条件更差时，采用短台阶开挖比长台阶法更有利。

3.5 初期支护的特点 隧道开挖后，在围岩稳定能力不

足时，需加以支护才能使其进入稳定

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状态，称为初期支护。简而言之，初期支护是为了解决隧道在施工期间的稳定和安全的工程措施。主要采用锚杆和喷射混凝土来支护围岩。初期支护有以下特点：

1) 灵活性：喷锚支护是由喷射混凝土、锚杆、钢筋网等支护部件进行适当组合的支护形式，既可以单独使用，也可以组合使用。其组合形式和支护参数可以根据围岩的稳定状态，施工方法和进度，隧道形状和尺寸等加以选择和调整。既可以用于局部加固，也可整体加固；既可以一次完成也可分次完成。

2) 及时性：喷锚支护能在施作后迅速发挥作用。表现在时间上，喷射混凝土和锚杆都具有早强性能，需要时就能起作用；表现在空间上，喷射混凝土和锚杆可以最大限度紧跟开挖施工，甚至可以利用锚杆进行超前支护。密贴性：喷射混凝土能与坑道周边的围岩全面、紧密地粘结，因而可以抵抗岩块之间沿节理的剪切和张裂。3) 深入性：锚杆能深人围岩体内部一定深度，对围岩起约束作用。

4) 柔性：锚喷支护属于柔性支护，可以较便利地调节围岩变形，允许围岩作有限的变形，允许围岩塑性区有适度的发展，以发挥围岩的自承能力。

5) 封闭性：喷射混凝土能全面及时地封闭围岩，不仅阻止洞内潮气和水对围岩的侵蚀作用，减少膨胀性岩体的潮解软化和膨胀，而且能够及时有效地阻止围岩变形，使围岩较早地进人变形收敛状态。 3.6 注意事项

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。

4 两种施工方法的对比

4.1 理论基础

传统矿山法的理论基础为20年代提出的“松弛荷载理论”，其核心内容是：稳定的围岩有自稳能力，不产生荷载；不稳定的岩体则可能坍塌，需要用支护结构予以支撑。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。它类似于地面工程考虑问题的思路。代表人物有泰沙基、普氏等。新奥法的理论基础为50年代提出的“岩承理论”，其核心内容是：围岩稳定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

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中提供必要的帮助或，则围岩仍然能够进入稳定状态。代表人物有腊布希维兹、米勒、卡斯特奈等。前一种理论更注意结果和对结果的处理，洞室结构设计采用荷载一结构模式；后一种理论则更注意过程和对过程的控制，对围岩自承载能力充分利用，将支护结构与围岩视为统一的力学体系。

4.2 对围岩的认识及洞室支护手段

传统矿山法，只将围岩视为被挖去的岩体，新奥法则把围岩视为承载单元，是围岩一支护体系的一部分，需尺可能地保护，发挥其自承作用。传统矿山法施工各工序相互联系较密切，干扰较大。应注意统一组织和协调，处理好开挖与开挖、开挖与支撑、支撑与衬砌、开挖与衬砌之间的相互关系。若围岩较稳定事支撑条件较好，应尽量将各工序沿隧道纵向展开，以减少相互干扰，保证施工安全和施工进度。 新奥法所依赖的是喷锚支护技术。与传统的钢木构件支撑技术相比，不仅是手段的不同，更重要是工程概念的不同，是人们对隧道、地下工程问题的进一步认识和理解。 4.3对比结论 从各个方面对传统矿山法和新奥

法进行对比，可以得到下表： 传统矿山法 新奥法 支 初期木支撑、钢支撑 锚喷支护 支护 护 永久单层模筑混凝复合式衬砌 直呼 土衬砌 闭合不强调 强调 支护 控制爆破 可采用 必须采用 测量 无 必须采用 施工方法 分块较多 分块较少

5 发展现状与展望

新奥法的应用和发展导致隧道及地下洞室工程理论进入到现代理论的新领域，也使隧道及地下洞室工程的设计和施工更符合地下工程实际，即设计理论—施工方法—结构体系的一致。运用新奥法原则可以将一般用于山岭隧道的矿山法的应用范围拓展到在软弱围岩，甚至于在第四系地层中的浅埋市政隧道以取代传统的明挖法

或盾构法。在中国，这种方法称之为“浅埋暗挖法”。中国工程师从欧洲引进了新奥法，并且结合中国的情况对新奥法及其相关技术，诸如支扩手段，量测和监控技术等作了进一步的开发。作为新奥法的一项重要背景技术的喷混凝土在中国已经被广泛使用。同国际上的情况一样，为了解决长期以来困扰着人们的粉尘污染环境，回弹严重以及混凝土品质的不均匀性等问题，正在大力推行湿喷工艺。由铁道科学研究院西南分院开发了一种“转子～

活塞”型的新型喷射机，这种机型采用湿喷工艺，即往机器中加入按配合比制备好的成品混凝土拌和料，但物料输送又区别于一般的泵送式湿喷机，采用稀薄流输送方式。因此机器结构

紧凑，使用方便。目前已在国内推广。

不可否认,我国采用新奥法修建隧

道已积累了丰富的设计与施工经验,

促进了我国隧道建设事业的发展。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世纪必将是我国隧道建设的

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,新奥法在隧道

建设中还需不断完善。

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6 结束语

随着经济社会的高速发展和公路工程领域新技术的涌现，传统矿山法施工技术作为一项较传统且较陈旧的施工办法，因其施工进度慢、支撑结构复杂、无法使用大型凿岩设备等弊端已逐渐被更高效、更稳定、更安全的新的施工技术所替代。

新奥法是一种动态的信息化施工过程，是根据围岩的实际情况来确定开挖方法和断面大小，开挖后利用时

空效应并采用锚喷等支护手段及时对围岩进行加固，把可能塌落的围岩与深层围岩共同组成一个有机的承载环，抑制围岩变形的过快发展，同时又释放能量，大大减轻作用在二次衬砌上的围岩压力，使隧道施工安全、可靠、经济合理，避免产生塌方，故新奥法在世界各国的隧道施工中得到了广泛应用。

参考文献

[1] 山岭隧道两种常规施工方法的比较[J].工业建

筑,2005,35(z1):817-821.DOI:10.3321/j.issn:1000-93.2005.z1.245. [2] 王梦恕,谭忠盛.中国隧道及地下工程修建技术[J].中国工程科

学,2010,12(12):4-10.DOI:10.3969/j.issn.1009-1742.2010.12.001. [3] 王梦恕.21世纪山岭隧道修建的趋势[J].铁道标准设

计,2004,(9):38-40.DOI:10.3969/j.issn.1004-2954.2004.09.014.

[4] 钟长平,周翠英,谢小兵等.矿山法隧道初期支护结构变形控制研究[J].现代隧道技

术,2012,49(4):26-31.DOI:10.3969/j.issn.1009-6582.2012.04.006.

[5] 叶祖杰.矿山法施工技术简述[J].科学与财富,2012,(8):170.

[6] 张军.矿山法隧道施工技术浅析[J].城市建设理论研究（电子版）,2012,(32).

[7] 范文伟.隧道工程矿山法施工的工程地质与施工方法分析[J].城市建设理论研究（电子

版）,2013,(6).

[8] 孙文,岳大昌.隧道工程新奥法原理、施工与存在问题浅析[J].公路交通技

术,2012,(2):98-100,105.DOI:10.3969/j.issn.1009-77.2012.02.023. [9] 马爱民.新奥法原理及施工要点[J].城市建设理论研究（电子版）,2012,(4). [10] 杨海忠,张喜君.新奥法设计施工的原理[J].科技资

讯,2007,(33):31.DOI:10.3969/j.issn.1672-3791.2007.33.023.

[11] 乔书阳.新奥法支护施工中的常见支护形式[J].黑龙江水利科技,2014,(5):52-53. [12] 王厅.新奥法隧道施工过程中的质量控制[J].城市建设理论研究,2014,(10).

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