基于新意、新奥及挪威法的地下工程平衡稳定理论

基于新意、新奥及挪威法的地下工程平衡稳定协调理论

作者：朱汉华

【编者按】

朱汉华总从 1992 年博士毕业就从事隧道施工，约 40 年他把实践和力学结合，做了以下理论总结，朱总的思考总结很有高度，实战性极强，现在分享给隧道界的各位同仁，一起共同讨论，欢迎大家将自己的意见反馈给朱汉华或思考隧道，以供朱总完善。

作者从1993~2021年在工程实践中认识到新奥法的适用性与不足，即提出初期支护时机和支护刚度的关系， 但没有明确具体支护时机和支护刚度 ，发现“传统地下工程理论（含新奥法、矿山法）一般对应于平衡与破坏，平衡状态可能属于安全状态，也可能属于隐含风险状态。”（图 5.2.1）。

提出了隧道有效结构层控制围岩荷载转移规律和刚度调节初支结构（图 5.2.6、图 5.2.7）， 显示了对地下工程建设的进步意义 ；论证了新意法、新奥法、挪威法的统一性（图 5.2.2），提出解决隧道设计施工中 具体支护时机和支护刚度的思路 。

继承创新提出了解决隧道设计施工的 D1类新意法、D2类新奥法、D3类挪威法 （文末附有三种工法的简介）三类设计施工新方法与配套控制技术及刚度调节初支结构（图 5.2.3），解决了新奥法具体支护时机和支护刚度问题和特殊水文地质隧道设计施工方法的难题。

图 5.2.1  围岩位移支护特性曲线

（解决山体隧道工程建设问题过程中提出的一般理论，一般地对应于平衡与破坏，可能隐含风险）

1993 年作者在石长铁路汪家山隧道施工中，根据隧道穿越古河床情况，提出了隧道有效结构层控制围岩荷载转移规律（图 5.2.6、式（5.2.1）），当隧道围岩采用强预支护而使围岩基本保持原始状态时，就能充分发挥围岩的自承能力（见《隧道建设》2008 年第 1 期“隧道新奥法原理与发展”）。

式（5.2.1）中：P ₁ 、P _２ -围岩自承力；W-重力；T-支护抗力（支护抗力T尽可能小，类似于盾构法）。

深刻挖掘式（5.2.1）内涵我们可以发现：地下工程应该在“合理发挥围岩自承能力”和“基本维持围岩原始状态”的理念指导下，采用各种合理工法和合适支护以及过程控制（前两者为基础，后三者为手段），使得围岩与支护共同作用 达到稳定平衡与变形协调控制，确保受力安全。

事实上只有满足“基本维持围岩原始状态”条件，围岩自承力 P ₁ 、P _２ 才能尽可能大和支护抗力T尽可能小，达到 “合理发挥围岩自承能力”。

2013 年作者基本形成地下工程平衡稳定理论体系（图 5.2.2），这一理论体系是从约 20年隧道施工实践中来的，在实践中完成了量变到质变，进一步理论升 华和创新发展，论证了新意法、新奥法、挪威法的统一性，提出解决隧道设计施工中初期支护 具体支护时机和支护刚度的思路 （见《隧道建设》2019 年第 8 期 “地下工程平衡稳定理论再研究”）。

图 5.2.2  地下工程平衡稳定理论的力-位移特征曲线图

2021年作者依据新奥法、新意法、挪威法等施工理念，描绘基于地下工程平衡稳定理论的隧道支护结构抗力与围岩变形的理论特征曲线（图 5.2.3），继承创新提出了解决隧道设计施工的 D1 类新意法、D2 类新奥法、D3 类挪威法三类设计施工新方法与配套控制技术及刚度调节初支结构， 解决了新奥法初期支护具体支护时机和支护刚度问题和特殊水文地质隧道设计施工方法的难题 ，并在特克斯隧道和东岗隧道等得到验证。

图 5.2.3  隧道围岩与支护结构力－变形特征曲线

其中《隧道建设》2008 年第 1 期“隧道新奥法原理与发展”论证了不能只局限于规范中新奥法的三个经典措施（光面爆破、喷锚支护、监控量测）解决隧道设计施工问题；

《隧道建设》2019 年第 8 期“地下工程平衡稳定理论再研究”论证了新意法、新奥法、挪威法的统一性，提出解决隧道设计施工初期支护 具体支护时机和支护刚度的思路 ；

《####》202# 年第#期“隧道围岩与支护结构协调变形控制机理及工程应用”继承创新提出了解决隧道设计施工的D1类新意法、D2类新奥法、D3类挪威法三类设计施工新方法与配套控制技术及刚度调节初支结构， 解决了新奥法初期支护具体支护时机和支护刚度问题和特殊水文地质 隧道设计施工方法的难题；

这 3 篇文章是一个整体，继承了新意法、新奥法、挪威法的理念并创新提出了解决隧道设计施工的D1类新意法、D2类新奥法、D3类挪威法三类 具有围岩分级分段适用性和具体开挖支护时机和措施的设计施工新方法与配套控制技术 ，有利于推进地下工程平衡稳定理论与方法的应用。

另外，王梦恕院士提出的隧道设计理念“取消系统锚杆”，只有在D1类新意法（作用不大，见图 5.2.3（a）、图 5.2.4）和D3类挪威法（没有必要，见图 5.2.3（c）、图 5.2.5）适用。

图 5.2.4  陕西延川1500年前匈奴人窑洞(D1 类新意法)

图 5.2.5  天然洞穴（高 200m，宽 150m）(D3 类挪威法--图 5.2.2)

简单经济解决方案—新奥法“合理发挥围岩 自承能力 ”是理念，“隧道有效承载结构层控制围岩荷载转移规律和刚度调节初支结构”是路径，符合上述理念和路径的具体措施是方法，其中合理发挥围岩 自承能力 或能量转移类似“统一战线”的团结作用，以控制式结构力学方法为中心的结构承载和变形协调控制能力类似“党的建设”的担当作用，力学平衡类似“武装斗争”的积极或经济防御作用，最后实现新的工程力学平衡和结构质量状态满足功能转换（图 5.2.6）。

图5.2.6隧道合理发挥围岩自承能力力学原理图

东岗隧道试验结果显示--对于普通隧道软弱破碎围岩段采用 1 类刚度调节初支结构（工型钢拱架）以合理发挥围岩自承能力及时提供有效支护力控制软弱破碎围岩变形，起到四个作用：

为简单实用经济型 1 类刚度调节初支结构（图 5.2.7）。

对于Ⅳ级偏差、Ⅴ、Ⅵ级围岩较差围岩山体隧道，适合以“D1 类新意法”指导施工（开挖及预支护方法要更好减少或控制围岩初期变形，支护方法要稳定和适应围岩中后期变形）（不考虑地应力影响适合D1类新意法+1类刚度调节初支结构以调动围岩自承能力），见图 5.2.7。

图 5.2.7    D1 类新意法+1 类刚度调节初支结构

（工型钢拱架）以调动围岩自承能力图

对于Ⅳ级偏差、Ⅴ、Ⅵ级围岩较差围岩山体隧道，适合以“D1类新意法”指导施工（ 开挖及预支护方法要更好减少或控制围岩初期变形，支护方法要稳定和适应围岩中后期变形；中等地应力情况初级大变形问题适合 D1 类新意法+围岩 地应力和能量减少或转移 ）。

采用 1 类刚度调节初支结构（工型钢拱架）等实现围岩地应力和能量减少或转移，减少初期支护抗力，提出了挤压初等大变形围岩隧道近似全断面开挖与新型预压-让压刚性联合支护设计施工工法，成功解决了特克斯隧道挤压初等大变形（约10~20cm）问题，包括泥岩挤压初等大变形段初期支护破坏和沉降及内移问题等诸多难题，见图 5.2.8。

图 5.2.8    D1类新意法+围岩地应力和能量减少或转移解决中等地应力情况初级大变形问题

对于Ⅳ级偏差、Ⅴ、Ⅵ级围岩较差围岩山体隧道，适合以“D1 类新意法”指导施工（开挖及预支护方法要更好减少或控制围岩初期变形，支护方法要稳定和 适应围岩中后期变形；高地应力情况中等及更高大变形问题适合 D1 类新意法+ 围岩地应力和能量减少或转移）。

采用 2 类刚度调节初支结构（H 型钢拱架）实现围岩地应力和能量减少或转移，减少初期支护抗力，提出了挤压大变形围岩隧道近似全断面开挖与新型抗压-让压-稳压刚性联合支护设计施工工法（[新建]H型钢拱架+蜂窝结构+弹性垫层、 [维修]弹性注层+原衬砌=组合结构），拟解决了类似乌鞘岭隧道、木寨岭隧道等挤压大变形（约 50~100cm）问题，包括泥岩挤压大变形段初期支护破坏和沉降及内移问题等诸多难题，见图 5.2.9。

图 5.2.9    D1类新意法+围岩地应力和能量减少或转移解决高地应力情况中等及更高大变形问题

对于软土盾构隧道，适合以“D1 类新意法”指导施工（开挖及预支护方法要更好减少或控制围岩初期变形，支护方法要稳定和适应围岩中后期变形；精确控制出土量+同步注稠（硬性）浆◆控制开挖掌子面+盾尾管片稳定性） 。

软土盾构隧道的变形预防和控制方法是采用积极防御（进攻+防御）的整体结构稳定平衡方法，例如：盾构掘进精确控制出土量控制开挖掌子面稳定和同步注稠（硬性）浆控制盾尾管片地层稳定等需要采用积极防御方法，即采用 D2 类新奥法思想+D1 类新意法措施解决软土盾构施工问题，但硬土层和围岩只需经济防御方法，见图 5.2.10。

图5.2.10 D2类新奥法思想+D1类新意法措施解决软土盾构施工问题

对于Ⅱ级偏差、Ⅲ、Ⅳ级偏好围岩山体隧道，适合以“D2 类新奥法”指导施工（开挖方法要发挥机械效率和保护围岩，支护方法要及时跟进）。

可按现有规范实施，但应优化规范中分部开挖方案为超短台阶全断面开挖及时封闭支护方案实现了近似设计计算与现代大型机械设备的精准匹配，解决了传统分步开挖技术与设计计算不符且安全性不足等难题，见图 5.2.11。

图 5.2.11    D2 类新奥法优化规范中分部开挖方案为超短台阶全断面开挖及时封闭支护方案

对于 I 级、II级深埋硬岩山体隧道，适合以“D3 类挪威法”指导施工（开挖方法要尽量释放围岩能量，防护方法要更好保护施工安全；不考虑地应力影响适合 D3 类挪威法，高地应力情况适合 D3 类挪威法+围岩地 应力和能量减少或转移）。

在初喷混凝土和必要时局部锚杆支护的围岩变形控制基础上，形成了导洞开挖（能量释放）+预设弹性垫层支护（能量吸收）的隧道分步开挖施工方法，实现围岩地应力和能量减少或转移，减少初期支护抗力，保障初期支护和施工作业等安全，成功解决了云南某座深埋硬岩隧道的岩爆预防和控制等难题， 见图 5.2.12。

图5.2.12 D3 类挪威法+围岩地应力和能量减少或转移解决高地应力情况隧道岩爆预防和控制等难题

案例 5.2.1  “世界难题”兰渝铁路胡麻岭隧道

（新华社兰州2016 年6月19日电）胡麻岭隧道用6年时间只打通173米第三系富水粉细砂层，含水量在20%以上，围岩呈流塑状，如同在“豆腐”中打洞， 泥砂颗粒比玉米粥还细。

2011年8月开始，近6年，施工人员与富水粉细砂展开“拉锯战”：前进，突涌，倒退，清理，再前进。由于空间狭促，大型机械派不上用场，有时候工人只能猫着腰，一点点把泥砂往外掏。

2015 年 10 月以来，胡麻岭隧道按照这套施工方法作业，再也没有发生过大规模的涌水涌砂，多年来几乎停滞的作业面， 慢慢向前掘进。

图 5.2.13  前期按新奥法的喷锚支护施工不成功方案

以下许多案例省略.................

新奥法、新意法、挪威法简介

新奥法简介

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：NATM，新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹（L.V.RABCEWICZ）教授于50年代提出的，它是以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，经过一些国家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发展，已成为现代隧道工程新技术标志之一。六十年代NATM?被介绍到我国，七十年代末八十年代初得到迅速发展。可以说在所有重点难点的地下工程中都离不开NATM，新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法。

——百度百科

新意法简介

岩土控制变形分析法，也被称为新意法，是意大利著名学者Pietro Lunardi先生历尽多面的探索与实践并在前人理论基础上创立的。该工法针对隧道变形反应的真正起因提出了一整套理论方法和实际工程措施。特别是在软弱破碎地质条件下，通过采取预约束和约束措施加固掌子面-超前核心土和隧道围岩，能够实现全断面掘进施工，具有安全、高效，控制工期和费用的优势。该工法已纳入意大利隧道设计施工规范中并在欧洲众多隧道工程中得到了成功运用。

——《隧道设计与施工——岩土控制变形分析法（ADECO-RS）》

挪威法简介

所谓挪威法（NTM: Norwegian Metbod of Tunneling)：简单地说就是由正确的围岩评价、合理的支护参数和高性能的支护材料三部分组成的一种经济而安全的隧道施工方法，它适用于巩固隧道、铁路隧道、水工隧道及大型地下工程。正确的围岩评价体系主要采用Q系统，即用巴顿法（N.Barton）进行围岩分级。而合理的隧道支护结构参数，是通过隧道施工中的观测和量测记录所求出的Q值来选择的，其中包括各种支护结构体系的数值解析检算。在支护体系上的最大特点是吧一次支护作为永久衬砌，只是在运营后，如果有涌水、冰霜等危害的情况下，才修筑二次衬砌。通常一次支护是采用高质量（σ=40～50MPa）的湿喷钢纤维混凝土和全长胶结型高拉力耐腐蚀的锚杆。

——“隧道工程中的挪威法（NTM）”何林生、王明年；《广东公路交通》 1998年增刊总期54期。