赵勇：隧道设计理论与方法之新奥法

一、 新奥法的定义和发展历程

1） 新奥法的定义

新奥法是New Austrian Tunnelling Method的简称,缩写为NATM,国内译文为新奥地利隧道施工方法，原文是奥地利学者拉布西维茨(L. Rabcewicz)教授等人于20世纪50年代初期创建并于1963年正式命名的 [1]。拉布西维兹教授曾指出，新奥法既不是一种施工方法，也不是一种掘进方法，而是一种有关隧道工程的概念。新奥法是应用岩体力学的理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行支护，控制围器的松弛和变形，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道与地下工程设计施工的方法和原则。

2） 新奥法的技术发展历程

关于新奥法技术的发展史，有众多的文献进行过报道，但是相互关联性不强，作者根据众多文献，大概梳理了新奥法技术的发展历程，供从事新奥法研究的科技人员参考。

(1)早在1908―1911年，美国标本制作师Akeley发明了旋转式喷射混凝土机械，为新奥法技术的诞生创造了条件。1914年，喷射混凝土技术首先应用于美国的Denver煤矿，为后来在隧道与地下工程中应用奠定了基础。

(2)1934年，新奥法主要创始人拉布西维茨试图将喷射混凝土方法用于地下工程。他在1942— 1945年建造的洛伊布尔隧道中采用了双层薄衬砌，即先喷一层混凝土，待变形收敛后再喷一层混凝土。1944年，他发表了有关喷混凝土的论文，并指出了围岩动态随时间变化的重要性。

(3)1948年，拉布西维茨又指出了量测工作的重要性。

(4)1948—1953年喷射混凝土技术在奥地利首次用于卡普伦水力发电站的默尔隧洞。并公布了新的喷射混凝土工法。

(5)最早在欧洲推广使用锚杆的是1951—1953年建造的伊泽尔-阿尔克电站的有压输水隧洞。1953―1955年修建普鲁茨-伊姆斯特电站的有压输水隧洞时，又按照拉布西维茨的建议，充分采用锚杆而获得成功，发展了地层锚固技术。

(6)1957―1965年是新奥法发展的关键时期。1958年第一条在奥地利人指导下利用新奥法理念开挖的隧道(拉加拉斯Caracas公路隧道)诞生，米勒(Müller)教授首先领悟到系统地进行量测的重要性，拉布西维茨于1963年将这一方法正式命名为新奥地利隧道施工法。1964—1965年，拉布西维茨(Rabcewicz)、Fenner、派克(Pacher)等学者的系列文章发表使新奥法迅速传播至世界隧道界。

(7)1964―1969年又提出了在岩石压力下隧道稳定性的理论分析，强调采用薄层支护，并及时修筑仰拱以闭合衬砌的重要性。根据实验证实，衬砌应按剪切破坏进行设计计算。1980年，米勒(Müller)教授在法兰克福城市软土地下铁道建设中首次应用新奥法。

(8)1980年，因文献中存在的矛盾，奥地利重新定义了新奥法。

1980年以后，尽管存在着对于新奥法的种种争论，在实践中新奥法却得到越来越广泛的应用，并取得了可谓辉煌的发展，具体体现在下列几个方面：

(1)新奥法施工技术本身取得了很大的进步，使施工工艺水平达到了更高的层次。新奥法的施工装备中有了性能优越的大型钻机、现代化的隧道掘进机，并诞生了“柔性”的爆破开挖技术。从而使隧道施工所必需的人员劳动力大为减少。喷射混凝土成为万能的支护工具，喷混凝土机器人的产能达到了20m3/h，用钢纤维加强的喷混凝土技术已普及。锚杆的标准化发展使每一种需求都有相应类型的锚杆可使用。

(2)新奥法的理论基础也获得了令人瞩目的进步。岩石力学的概念已能体现在每一个隧道工程的设计与施工中，计算机数值分析已能对任何开挖的方式进行模拟计算。

(3)在世界范围内新奥法得到了普遍应用。新奥法原理几乎应用到全部用矿山法修建的山岭隧道中，实际施工中也不需要如早期的新奥法应用那样，必须请奥地利的隧道专家来进行指导，并且隧道施工已经变得如其他土木工程一样的安全。

3） 新奥法在中国的发展与创新

尽管新奥法的概念在我国是在20世纪70年代末才开始被人们了解和接受，但是作为新奥法施工的技术支柱——锚杆及喷混凝土技术在我国已于20世纪50年代就开始引进并在不同行业开始应用。例如50年代中期，在煤矿巷道中已采用初期的楔缝式锚杆作为顶板支护及悬吊手段，并开始使用喷混凝土进行支护；60年代冶金、煤炭部门分别研制了混凝土喷射机，并在矿井巷道中广泛应用。铁路隧道正式应用喷锚支护是在60年代中期开始，到70年代中期的10年时间里是我国铁路隧道采用喷锚支护的萌芽阶段。我国最早是在1966年修建成昆铁路时引进新奥法理念，当时铁道部组成喷射混凝土“战斗组”在17座隧道进行喷射混凝土衬砌的探索，采用喷锚支护作为永久衬砌(后来大多数补做了二次衬砌)。

在后来的20年时间里，通过科研、设计、施工三结合，在下坑、南岭、大瑶山、军都山等20余座隧道修建中，结合各自隧道特点成功地应用了新奥法，积累了大量的数据，1988年铁道部基本建设总局组织编制了《铁路隧道新奥法指南》，标志着我国铁路隧道进入新奥法推广应用阶段。

随着新奥法基本原理在铁路隧道工程实践中的推广应用、辅助工法的不断完善，特别是在大秦铁路 军都山双线隧道浅埋黄土段新奥法施工技术获得成功，为新奥法在我国的进一步发展打下了坚实的基础。后来王梦恕等人结合北京地铁折返线工程的修建，创造了一种在埋深较浅的地层中实施隧道开挖的施工方法——浅埋暗挖法。浅埋暗挖法施工技术，丰富和发展了新奥法原理，它包括地层加固注浆、正台阶环形开挖、复合式衬砌等一套适合软弱围岩地质特点的方法和工艺，具有显著的经济效益和社会效益，它的施工工艺和施工经验总结为十八字诀，即：管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测。

到目前为止，在近30年的时间里，我国应用新奥法原理修建了超过10000km的铁路隧道和10000km的公路隧道，成为世界上采用新奥法原理修建隧道工程最多的国家。当然，在我国推广应用新奥法原理修建隧道过程中，也遇到不少的波折，例如曾经对锚杆的作用效果、城市浅埋隧道和软弱围岩隧道中是否适用新奥法、隧道的二次衬砌的功能和施作时机等，也存在不同的观点，但是通过近10年来特别是高速铁路大断面隧道的成功修建，大家对以上问题的理解趋于统一，并且逐渐形成了以围岩变形控制为主线的中国特色的新奥法。可以说，新奥法发源于欧洲，经过几十年的实践探索，在世界各国得到了广泛应用，特别是在中国得到了发展和创新。

二、新奥法原理 ?

1） 新奥法基本原理

新奥法是一种隧道与地下工程建造原理，该法在岩体力学的基础上，把以往普氏理论的围岩荷载视作能自承载的结构，并借助喷锚支护等的加固作用充分发挥围岩的自承性能，千方百计地充分发挥围岩的自承能力是新奥法的精髓 [2]。

隧道未开挖前，无论隧址区域的地质条件如何，隧址区域内的原始地应力是处于某种平衡状态的。但是，隧道开挖后，解除了开挖断面内岩体的应力，使围岩处于临空状态，破坏了隧址区域的应力平衡状态，围岩的径向应力突然降为零，而环向应力则立即升高，围岩由原来的三维应力状态变为二维应力状态。开挖后，围岩的弹性变形瞬间完成，但弹塑性和塑性变形将随时间的推移继续发展，这种变形是在围岩应力重新调整过程中产生的[3]。若某个部位的压剪应力超过围岩的抗剪强度就会发生剪切破坏，破坏部分的围岩失去了自承能力，必然又造成应力的重新分布。应力将向较深层围岩转移，其结果有两种：一是应力重分布后，围岩不再继续破坏，暂时能自稳；二是应力重分布后，围岩仍在继续破坏，最后发生塌方。针对第二种情况，通过对开挖轮廓及时采取喷射混凝土、锚杆、钢架等支护手段，约束围岩的进一步破坏，将二维应力状态还原成三维应力状态，并通过监控量测，及时调整支护的措施和支护时机，控制围岩的持续变形，这样围岩的自承能力得到进一步发挥，形成新的稳定状态。这就是新奥法的基本原理。

2） 新奥法三要素

喷射混凝土、锚杆和量测是新奥法施工的三个基本要素，是新奥法原理的具体体现。对三要素的实质与作用，必须要有深入的认识。

(1)喷射混凝土的最大特点是对开挖暴露出的岩面能立即予以封闭，由于能很快地得到较高的强度，这样就能立即发挥支护的作用，这与新奥法大原则的要求是一致的。喷射混凝土的作用主要有以下几点：

①保护围岩。隧道周边围岩壁面喷上一层混凝土后，可使之与外界大气隔绝，这样可以防止地层的化学变化和风化。

②充填裂隙、加固围岩。光面爆破后，立即进行喷射混凝土施工，能使原为松动的围岩在强力的喷混凝土料流的作用下，把岩缝堵死，使围岩松动圈变成新的承载拱，并提高围岩的抗渗漏水性能。

③改善轮廓力学状态。喷射混凝土可以消除围岩壁面的凹凸不平，能把凹面上的应力集中减小到最低限度。由于喷射混凝土形成了光滑圆顺的拱，从而增大了拱效应，不论是什么样的场合，喷射混凝土与围岩间的密贴都是非常重要的，只有这样，才能保持围岩自身的抗力，钢筋网虽然在强度上的效果比较小，但是当围岩出现很大变形时，钢筋网的抗拉性能发挥了充分的作用，从而赢得时间，使作业人员免遭危险。

(2)系统地打入锚杆，可以很快形成支承围岩的承载环，锚杆能抵制围岩的径向变形，保证了隧道断面的几何形状。如果采用钢支撑和锚杆的联合，钢支撑可分担作用于锚杆上的荷载。钢支撑和锚杆能够有效抑制围岩的变形，使围岩的变形速度减慢，为再用其他支护手段创造了条件。这一点，在不良地质施工中是很重要的。

(3)监控量测用于指导和验证围岩承载环的稳定性。正确地评价围岩或支护体系与围岩的时间特性是很重要的，因此变形和位移量测是新奥法不可缺少的工作。根据量测结果，如果明确围岩随时间的变化规律，就可以正确地评价隧道的支护方式。如果围岩停止变形，说明地层进入新的平衡，此时，才可以进行二次衬砌。根据围岩状态可以确定隧道支护形式、下部断面开挖时间和断面闭合时间。但是，这样做的结果，还要通过量测结果加以验证。所以说，监控量测在控制围岩稳定性方面就成了最重要的手段。

此外，在施工中对岩体位移进行量测的同时，必要时还要对衬砌、初期支护应力、初期支护和围岩间接触应力进行系统的量测，以便确定合适的设计参数和施工方法。

3） 新奥法的22点原理

作者查阅了很多资料，但至今没有看到新奥法的系统理论，1978年奥地利学着米勒博士在日本发表了“新奥法的基本理念和原则”(Fundamental Ideas and Principles of the New Austrian TunnellingMethod)的讲演，被后人简称为“新奥法22点原理”。现简要介绍并根据作者的理解解说如下：

(1)“支护隧道的，基本上是周围的围岩。隧道是衬砌和围岩一体化的结构物。支护不过是利用围岩支护力的辅助手段。”

解说：隧道结构是由衬砌和围岩组成的，初期支护主要作用是将开挖后围岩的二维应力状态还原到三维应力状态，从而提高围岩的物理性能，是一种提高围岩自承力的辅助手段。当然，对于好的围岩，开挖后洞室能够自稳，也可以不设置初期支护。根据隧道的使用功能，有些隧道也不需要施作二次衬砌，如大量交通隧道的施工辅助坑道、煤矿巷道、水电工程的很多地下坑道等。

(2)“应尽可能地不损伤围岩固有的强度。”

解说：施工时，要尽量保护围岩。在可能的情况下，尽量采用非爆破开挖；如必须实行爆破开挖时，尽量采用光面爆破和微震爆破技术，以减少爆破振动对围岩的损伤。

(3)“应极力防止围岩的松弛。产生松弛后，围岩强度会大幅度地降低。”

解说：设计和施工时，应尽量采用合理的措施防止围岩的松弛，尽量保持围岩的原岩状态。如开挖后，及时采用喷射混凝土封闭开挖面，减少局部掉块引起围岩的松弛；及时打设锚杆，防止大块岩石的掉落，以免造成松弛范围的扩大。

(4)“应尽量避免围岩处于单轴应力状态和两轴应力状态。因为这种应力状态时，围岩强度非常低，岩层在三轴应力状态下是稳定的。”

解说：岩石在三轴受压条件下比单轴受压时的抗压强度要高得多，而且侧向压力越大，它的轴向抗压强度也越大。新奥法非常重视a?(径向支护力)的作用，强调要对围岩壁面作出有效支护，以施加一定 的支护反力。这种支护反力，无论是施作支护的时候就加上去(如预应力锚杆)，还是随着围岩变形的发展而施加(如喷混凝土和砂浆锚杆支护)都可以。

(5)“应抑制围岩的变形，对开挖面施加防护阻止其松弛或崩塌。如做到这一点，就会提高安全性 和经济性。”

解说：新奥法的观点是尽量控制围岩的变形，变形量增大会导致松弛区范围增大，从而作用在初期支护和衬砌结构上的荷载增大，甚至会引起围岩的坍塌，造成隧道的安全性和经济性降低。所以对有些大变形隧道一味采取增加预留变形量的方式是不妥的，而应根据监控量测成果，预留适当变形量，加强主动支护措施，控制围岩的变形。

(6)“应在适当的时期施作支护，不要过早也不要过晚。支护不需要太硬(刚性)，也不要过软(柔性)，应是能够充分发挥围岩强度的支护。”

解说：把握合理的支护时机和支护刚度非常重要。如果开挖后立即进行支护，并且采取刚性大的支护措施，围岩应力难以释放，需要强大的支护措施抵抗围岩的应力，否则会造成支护措施开裂，影响支护效果和经济性；如果支护太晚，支护措施太柔，就会造成围岩松弛区的扩大，围岩的强度降低，引起松弛荷载的增大，从而初期支护变形量增加。为确保结构的安全，必须增加额外的支护措施。

(7)“有必要正确地理解时间对隧道的影响。”

解说：按静力学观点，隧道被看作是由岩石、初期支护结构和衬砌构成的厚壁管。作为一根管子，只要不开槽口，它就是静定的。因此闭合非常重要，围岩特性变化主要取决于这根“管子”的闭合时间。隧道施工的关键就在于尽快形成封闭的支护结构，才能有效控制围岩的变形。

(8)“正确了解时间影响的方法，是基于事前的室内试验及施工中的位移量测。自稳时间、变形速度、围岩级别是最重要的时间因子。因此，量测是不可缺少的。”

解说：为正确掌握和评价围岩与支护的时间特性，可在进行室内试验的同时，在现场进行量测。量测内容为衬砌内的应力、围岩与衬砌间的接触应力以及围岩的变位.据以确定围岩的稳定时间、变形速度和围岩分类等最重要的参数，以便适应地质情况的变化，及时变更设计和施工。量测监控是新奥法的基本特征，量测的重点是围岩和支护的力学特征随时间的变化动态。衬砌的做法和施作时间是依据围岩变位量测确定的。

(9)“预计有大变形和围岩松弛的场合，应及早对开挖面施作防护使之产生约束效果。为此，喷混凝土是最佳方法。”

解说：对于围岩的变形控制，不仅要控制掌子面后方的变形，更需要控制掌子面前方和掌子面的变形。对于可能发生大变形的隧道，提前加固围岩和掌子面采取喷混凝土、掌子面锚杆等加强措施效果更好，在软弱围岩中补强掌子面前方的围岩是最基本的对策。

(10)“衬砌应薄并应具有柔性。因为减小弯矩的发生，会把弯曲破坏限制在最小限度内。不仅初期支护要薄，二次衬砌也要薄。”

解说：新奥法认为衬砌和永久支护必须是薄壳型，以减小衬砌受弯机会，从而减少挠曲断裂。其必要强度靠钢筋网、钢拱架和锚杆达到，而不是加厚衬砌或支护截面。按此原理，对于不良地质隧道，一味加大衬砌厚度的方法不是科学合理的方法。

(11)“衬砌需要补强的场合，不要增加厚度，要采用金属网、钢架和锚杆。让整个施工期间按同样的断面开挖。不要因围岩条件变化而变更开挖断面。”

解说：新奥法理念是通过调整初期支护的参数加固围岩，改善围岩的力学性能，从而达到充分发挥围岩自承能力的作用，衬砌仅是安全储备，衬砌需要补强的时候，可以通过改变衬砌混凝土强度等级、增加钢筋等措施，而不是加大衬砌厚度和刚度。

(12)“衬砌的方法和时间，应基于量测结果确定。”

解说：衬砌的主要作用是为隧道提供一个圆顺的结构面，减小空气阻力，对初期支护和围岩起到安全保护和力学储备作用，所以衬砌应在初期支护变形基本稳定后施作，衬砌的施作时机不是按照距离掌子面的长度作为标准，而是根据监控量测的结果确定。我国铁路隧道通常采用的安全步距管理是没有理论依据的。

(13)“隧道在力学上应视为厚壁圆筒，由周边围岩的支承环和初期支护及二次衬砌等构成，其间存 在相互作用。”

解说：隧道周边围岩、初期支护和二次衬砌之间的作用具有协同性。由于初支的作用，围岩塌落的概率很小，这样二次衬砌所受的荷载是由初期支护传递过来的形变压力而非松动压力。初期支护本身也不应该被动承受松动压力，而是通过它来主动调动和发挥围岩的自承载能力，和围岩一起保证洞室稳定，在必要时(洞口段、浅埋段、不良地质体段)应该采取辅助工法对围岩进行加固。初期支护(包括辅助工法)的作用就是控制围岩圈层的松动、塌落和扩展，使得支护结构所受的荷载是围岩的形变压力而非松动压力。

(14)“圆筒只在闭合成环的场合，才能具有力学的作用。因此，环的闭合非常重要，不能期待底板自身的闭合。因此，除坚硬围岩外，都应修筑仰拱闭合。”

解说：可把隧道看作由围岩与支护结构共同组成的厚壁圆筒，它只有在没有缝口时才能起到作用，为此使支护结构形成闭合非常重要。除了硬岩隧道可施作底板外，软岩隧道内均应施工仰拱封闭，在变形大的场合，应及早使初期支护及时形成封闭结构。

(15)“围岩的动态都是由闭合时间决定的。上部断面过于超前，隧道纵向会呈悬臂梁状态，易于受到很大弯矩的不利影响。”

解说：新奥法认为，围岩的动态与支护封闭的时间有关，封闭时间越短，变形量就会越小，洞室就越容易稳定。按此原理，全断面开挖是有利的，因为全断面开挖可以实现初期支护的快速封闭。如果采用台阶法施工，上下台阶的距离不宜太长，以缩短支护结构封闭时间。

(16)“考虑应力再分配，全断面开挖是最有利的。分部开挖，应力反复进行再分配，会损伤围岩。”

解说：当围岩具有足够的自稳时间，洞室断面尺寸不大时，应争取一次开挖成洞(即全断面法)。因为开挖次数过多，围岩将要遭受多次的应力扰动和爆破振动的不良影响，它们或者把瞬时作用的应力值提高了，或者削弱了围岩的强度。但是，当洞室断面过大无法实现全断而开挖，或者遇到松散软弱的围岩必须实行分部开挖时，应尽量减少分部的次数，同时要对横断面上的分块顺序和洞形做好选择。

(17)“施工方法不同，围岩动态也有差异，对结构物的安全性有决定性的影响。开挖循环、仰拱闭合时机、衬砌时机、上部断面的长度和衬砌刚性等都有变化，因此，应力求围岩和支护结构成为一个体系来确保围岩的稳定。”

解说：施工方法对围岩的扰动和封闭时间影响很大，分部开挖法施工时分部越多，对围岩的扰动次数就越多，形成整体支护结构封闭的时间就越长，相应的变形量就越大。反之，施工扰动次数越少，形成封闭的时间越短，变形量越小，支护结构越安全。故隧道施工全断面法开挖具有诸多优势，应力求通过采取辅助措施等手段，为全断面法施工提供安全可靠的保障，可以达到对围岩扰动小、变形控制好、结构更加安全可靠的目的。

(18)“为了防止发生围岩崩塌的应力集中，开挖断面应采用没有隅角、圆顺的断面。”

解说：为防止引起围岩破坏的应力集中，断面应做到无隅角，最好采用圆顺断面有利于围岩结构的受力，因此在设计和施工中，尽量采用圆形、椭圆形断面形状，减少直墙和无仰拱隧道断面形状。

(19)“隧道如按双重管构造进行设计，内管要薄，外管与围岩形成一体，其边界不要产生摩擦。也就是说，双重管(初期支护和二次衬砌)相互及围岩之间，只传递径向力。”

解说：复合式衬砌结构中间设置防水层非常重要，不仅起到防水作用，更是在初期支护和二次衬砌之间形成一个缓冲隔离层，仅传递径向力，不产生剪切摩擦力，防止二次衬砌开裂。有些隧道为节约工程投资，对开挖过程中干燥无水的地段取消防水板是非常错误的。

(20)“较大涌水的场合，应考虑包括二次衬砌的稳定。锚杆采取防腐蚀的场合，可视为永久构件。”

解说：涌水量较大的隧道段，排水系统容易造成堵塞，形成水压的升高，这时二次衬砌要考虑一定的水压力进行设计。如对岩溶发育的水平循环带和受季节降雨影响的隧道段，如果不设置泄水洞等可靠的排水系统，二次衬砌应考虑承受适当水压力。

(21)“衬砌的内力或围岩和衬砌间的应力测定，以及施工中的围岩位移测定，对优化设计和施工有 很大的影响。”

解说：隧道支护结构的受力与围岩条件、施工工法、支护措施、施工工艺控制等有诸多影响，科学的隧道设计应该是进行动态设计，根据超前地质预报和开挖后揭示的地质情况，结合施工过程中围岩变形和支护结构内力的监测数据，进行设计和施工的优化。

(22)“围岩内的渗流压力应用排水方法解决。”

解说：通常对水环境不敏感的山岭隧道，采用“以排为主”的设计理念，将围岩内的渗流压力采用排水的方式进行释放，但对于不允许排水或排水对地表环境造成较大影响的场合，应采用“以堵为主”的设计原则，将围岩内渗流水封堵到固结圈以外。

三、新奥法设计需要强调的几个问题 ?

运用新奥法原理进行设计隧道，需要遵循保护围岩的原则，尽量使支护及早封闭成环，并开展信息化设计等。

1） 保护围岩的设计原则

关宝树教授在《矿山法隧道关键技术》一书中明确提出：隧道设计、施工和运营管理都要把握住一点，就是以围岩为本。以“围岩为本”不是一句空话，在隧道施工前、施工全过程中、施工后(运营)必须采取各种方法来了解围岩、认识围岩并通过实践利用围岩、改造围岩，达到“为我所用”的目的。

隧道的稳定性取决于隧道周边围岩的稳定性。只要隧道周边围岩是稳定的，隧道才可能是稳定的。因此，以“围岩为本”，就是以隧道周边围岩为重点，来规划隧道的设计和施工。在设计中通常应注意如下几点：

(1)重视超前地质预报。通过超前探查掌子面前方地质情况，掌握前方围岩的信息，及时采取适当的超前预加固(支护)措施，减少施工对前方围岩的扰动，保护掌子面前方的围岩。

(2)掌子面围岩的保护。根据掌子面地质素描揭示的地质情况，对掌子面采取必要的保护措施。如果采取全断面或大断面开挖，掌子面难以自稳时，应采取喷射混凝土封闭掌子面和掌子面超前锚杆等支护措施，以保护掌子面的围岩。

(3)采取合理的初期支护措施。隧道开挖后，应采用喷混凝土及时封闭开挖轮廓，减少岩块的掉落；尽快打设锚杆，对围岩提供径向约束力，控制围岩的变形；地质条件较差时，还需要采用钢架配合锚杆和喷凝土的防护，与围岩一起形成承载岩盘，控制掌子面后方围岩的变形。

(4)做好底部围岩的保护。隧道开挖后的应力释放，不仅存在于拱墙等上部围岩，仰拱底部围岩也存在应力的调整。对于软弱围岩、缓倾的砂泥岩、页岩等地层，容易发生底部围岩的上拱，也应采取必要 的喷混凝土封面甚至仰拱锚杆等工程措施，保护底部围岩。

2） 选择有利于减少围岩扰动的施工方法

(1)坚硬围岩中采用少损伤周边围岩的施工方法

在以坚硬围岩(主要指Ⅰ~Ⅲ级围岩)为主体的隧道施工中，应尽可能地避免和减少对周边围岩的损伤。可采取低振动或微振动爆破技术，如采用导洞超前预留光爆层控制爆破技术、电子雷管精准控制爆破技术、机械开挖与爆破并用的开挖技术等。同时应控制爆破循环进尺，减少一次爆破量过大引起对周边围岩的施工损伤。

(2)不使周边围岩“松弛”或者“少松弛”

开挖后围岩松弛是围岩过度变形、开挖爆破过度损伤以及支护不及时闭合等多种原因造成的，其后果是降低周边围岩承载能力，加重人工支护负担。因此，在施工中，特别是在软弱围岩隧道施工中必须坚持不使周边围岩“松弛”或者“少松弛”的原则。

这里所谓的围岩松弛或少松弛，是相对而言的，即能够把围岩变形控制在弹性变形或者容许的弹塑性变形，或者围岩极限应变的范围之内。通常采取的主要方法和对策是：尽可能地采用全地质性的施工方法，如全断面法、微台阶法；在一般围岩中，采用能够利用围岩固有的自支护能力、初期支护或加强的初期支护，抑制隧道的掉块、变形及松弛；在软弱围岩、土砂围岩、特殊围岩中，以预加固围岩为主，尽可能地提高围岩的自支护能力，并辅以加强的初期支护，采用开挖断面早期闭合的方法抑制围岩的松弛、变形。

(3)尽可能地提高隧道施工机械化水平

采用盾构、TBM等非爆破开挖方法，可以最大限度减少开挖对围岩的扰动，在条件允许时尽量采用。对于不具备非爆破开挖的隧道，应采用大型机械化配套，为减少开挖面扰动次数、实现开挖断面早期闭合提供条件。隧道施工作业空间，大多集中在掌子面狭窄的空间内，照明条件不好，作业环境差，因此采用的施工机械应尽量智能化、高效率化、集中化。

3） 建立二次衬砌作为安全储备的设计理念

近些年我国隧道科研人员进行大量的研究和不同级别围岩条件下现场实测荷载数据分析，结合对国外特别是北欧和日本等一些国家的隧道工程实践，证实通过采取科学的支护措施以及必要的辅助工法，可以实现初期支护和围岩承受全部荷载，二次衬砌主要作为安全储备或抵抗围岩受外力的长期影响，控制围岩的残余变形，甚至有些隧道可以不做模筑衬砌。

二次衬砌作为安全储备设计理念的科学内涵是初期支护与围岩构成的组合结构承受全部荷载，要求在初期支护及其周边围岩变形稳定后才能施作二次衬砌、做好初期支护的施工质量控制、强调超前支护的重要作用等三个前提条件。

4） 充分利用好监控量测的数据实行信息化设计

隧道工程的特征之一，是设计与施工是动态调整的，设计要考虑施工中的监控信息，施工要根据监测数据进行再设计。因此，新奥法施工的核心是：以监控量测为基础，实行“信息化设计与施工管理”。

四、新奥法优缺点及存在的问题 ?

新奥法是一种动态的信息化施工理念，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，故新奥法在世界各国的隧道施工中得到了广泛应用。

1） 新奥法的主要优点

(1)适用范围广。适用于所有采用矿山法施工的隧道，以及不同使用功能和断面形状的隧道。

(2)对地层条件的适应能力强。无论是硬岩还是软岩，富水地层还是干燥地层，高地应力还是构造断裂带，均可采用新奥法原理进行隧道设计和施工。

(3)作业灵活。易于采用各种辅助支护措施，使用各种灵活的机械设备。

(4)有利于施工安全的控制。通过对变形和应力重分布的监测，以便采取必要的预防措施。

(5)具有很好的经济性。充分利用围岩自身的承载能力，允许应力的释放和调整，使支护措施适当又不过度，使支护的总成本较低，比采用盾构、TBM等具有明显的经济优势。

2）新奥法的缺点

(1)对于浅埋和软弱围岩地层的施工适应能力较差，易引起地面沉降和大变形。

(2)在具有高渗透性的地层中，如第三系砂岩、全风化花岗岩、白云岩沙化地层等，隧道位于地下水位以下时易发生涌突、溜坍。

(3)施工工序多，进度相对较慢。

(4)新奥法重视控制掌子面和掌子面后方的变形，但对掌子面前方的地质预报和围岩加固没有形成成套的技术，容易引起地层失稳。

(5)要求全体员工对新奥法概念的正确理解和有关各方面的通力合作、相互配合，否则风险很大，易 于发生事故。

3） 存在的问题

新奥法普遍被人们接受，但我国新奥法的应用仍存在一些问题，隧道施工中经常发生塌方就足以说明这个问题，主要体现在以下几个方面：

(1)技术力量不足。隧道施工需真正懂得新奥法而又有施工经验的技术人员，我国隧道工程发展迅速，数量多，现场缺乏熟练的地质和隧道技术人员指导施工。因此，在多数隧道实际施工中，受传统管理体制的影响，技术人员不能根据围岩变形情况来调整支护参数，完全按原设计施工，新奥法未能得到较好运用。

(2)施工队伍素质偏低。现在隧道施工人员几乎都是农民工，未经过专门培训或培训很少，他们对新奥法缺乏认识和了解，认为喷锚支护就是新奥法。

(3)质量控制难度大。施工单位开挖时如果光爆控制不好，容易出现超挖，有时施工单位为了省材料，往喷层背后填石棉瓦或其他杂物，致使喷混凝土不能与围岩密贴，不能控制围岩变形，造成塌方或工程隐患。另外，由于施工工序多，并且多为隐蔽工程，现场管理和质量控制难度大。

(4)信息化动态设计难以实施。新奥法是一种信息化施工理念，根据围岩观测数据来指导施工，允许围岩有一定的变形，以释放地应力，减少对结构的作用力，并根据监控量测的数据，及时优化设计参数，但在实际施工中，设计、监理人员和业主往往都不允许改动设计参数，因此很难完全按照新奥法的建设理念来实施。

另外，新奥法的支护结构至今仍处于经验设计阶段，它的前提是要科学地进行围岩分类，并根据已经修建的类似工程的经验，提出支护设计参数或标准设计模式。这种工程类比还只考虑了岩体结构、岩块单轴抗压强度、软弱面特性等工程地质特性、隧道的跨度以及围岩自稳时间等主要因素，需在各种设计与施工规程的实施过程中，依据量测数据加以修正。现场信息化设计，一般分为施工图预设计阶段和现场修正设计阶段，后者是根据现场监控量测数据，经分析比较或计算后，最终提出的设计参数。理论解析和有限元数值计算，至今还不能得出充分可靠和满意的结果，必须由上述两种方法即经验和量测加以验证。

4） 展望

新奥法的发展是和施工装备的配套、支护材料的创新、施工工艺的改进、建设管理的配合等密切相关的。新奥法的发展重点应在以下几个方面：

(1)开展隧道超前探测、钻孔开挖、超前支护、混凝土喷射、锚杆打设、拱架安装等装备的智能化与推广，实现隧道施工的大断面快速封闭施工。

(2)研发隧道围岩结构智能化监测与检测系统、地质特性的智能化判定与设计参数的智能化优化技术，为新奥法高质量的信息化动态设计提供技术支持。

(3)探索高性能喷混凝土、预应力锚杆、柔性钢架等支护技术在隧道中的推广应用，创新围岩加固、微震精准爆破、防水板自动化铺设等施工工艺和辅助工法。

[1]严克强.新奥法的理论与实践[J].水力发电,1985:1-6.

[2]韩瑞庚.地下工程新奥法[M].北京：科学出版社，1987.

[3]冯紫良，张增焕.新奥法设计施工与管理 [M] .北京：中国建筑工业出版社，2015.

[4]铁道部基本建设总局.铁路隧道新奥法指南 [M] .北京：中国铁道出版社，1988.

[5]《中国铁路隧道史》编纂委员会. 中国铁路隧道史 [M] .北京：中国铁道出版社，2004.

[6]中华人民共和国铁道部.铁路隧道喷锚构筑法技术规则：TBJ108—92[S].北京：中国铁道出版社，1992.

[7]关宝树.矿山法隧道关键技术[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2016.

[8]关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2013.

[9]沈慧敏,译.新奥法译文[J].铁道工程学报,1992(4):107-133.

[10]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.