新奥法在东部供水隧洞工程中的应用

一、隧洞地质概况
全线九条输水隧洞长32.55公里，其中西河潭和1～6号7条隧洞为城门洞型无压隧洞，净断面4.1×5.25米；东江和元山两条为圆型有压隧洞，直径分别为5.4米和5.0米。
隧洞分别穿过低山丘陵区的沉积与火成岩地层。山丘顶高程为70～230米，区域地质构造稳定性好。沉积岩地层为泥盆系、石炭系和侏罗系的细砂岩、粉砂岩、石英砂岩、泥炭质砂岩、云母片岩、页岩等，除石英砂岩强度高、风化程度较弱外，其余强度较低，风化程度较大。火成岩地层为凝灰霏细斑岩、石英霏细斑岩、石英正长岩及侵入岩的花岗岩，其强度均较高。洞的进出口部位第四系覆盖土层较厚。
构造断裂以北东和北西向为主，与洞轴线夹角大于30度，断层破碎带一般宽度小于2米，节理裂隙与断裂方向一致，以陡倾角为主，部分缓倾，强风化岩体中裂隙多充填泥质，形成不利组合对隧洞稳定影响大。
二、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。在东部供水水源工程的九条隧洞中，有6条隧洞(1～6号)是按新奥法设计的。1～6号隧洞按照五类围岩分别设计了五种支护结构形式。其中一、二类围岩结构形式：初期支护只在个别地方进行锚喷，二次混凝土衬砌按最小设计厚度25厘米；三类围岩结构形式：初期支护在局部范围进行锚喷混凝土厚5厘米，二次混凝土衬砌厚度25厘米；四类围岩结构形式：采用系统锚杆加拱顶钢筋网喷混凝土厚10厘米，二次混凝土衬砌厚度30厘米；五类围岩结构形式：采用超前锚杆或小导管注浆、立钢筋花拱架、挂钢筋网、喷射15厘米厚的混凝土，二次混凝土衬砌厚度30厘米；对隧洞进出口与岩石破碎地带，二次钢筋混凝土衬砌厚度30厘米。
三、隧洞施工
1、施工方法是随围岩类别变化而不断进行调整的。
①当围岩为稳定-基本稳定-稳定性较差的一至三类对，均采用全断面光爆法，然后排烟，清除危岩，视具体情况进行局部或顶拱锚杆喷混凝土，再出渣。
②当围岩为稳定性差的四类时，围岩处于不稳定状态，需采用超前锚杆上导坑松动爆破、排烟、清除危岩，架设钢拱架挂网，喷混凝土后出渣，再进行下导坑爆破，作侧墙锚杆喷混凝土。
③当围岩为很不稳定的五类围岩时，采用加长加密超前锚杆，上导坑开挖喷混凝土，架设钢拱架挂网再喷混凝土，必要时采用注浆导管封堵流土、流砂，然后出渣。对下导坑开挖作侧墙锚杆挂网喷混凝土、引排渗水、封堵流土流砂。
2、“新奥法”适用的围岩条件是具有粘性、塑性、弹性的连续介质，而对于那些粘性较差、非塑性、非弹性的松散体，用“新奥法”理论就值得研究。必须根据具体情况，采取一些特殊施工工艺，才能满足工程要求。
3、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、钢拱架封底问题。按设计要求凡是有钢拱架支护的地段为使拱墙支撑稳定，必须及时在洞底加设底钢架支撑喷混凝土封底，形成封闭圈，保证安全施工。这样却带来了一些施工问题：其一是初期支护封底后，需要喷射的混凝土初凝后才能作业，这样会影响工期；其二是出碴运输车辆长期在洞底来回辗压，会破坏封底结构，甚至会导致侧墙钢支撑的松动；其三是如果封底结构破坏，底撑锈蚀，将会给处理带来麻烦。鉴于上述情况，在侧墙底部采取加强措施，即在侧墙底部钢支撑处打垂直锚杆，并用混凝土封闭，临时替代底撑的作用，这样就解决了上述三个问题。经过实践该办法是成功的，也未发现墙底变位的情况。如5号洞k23-090～k23-065段由于右侧围岩的水平压力过大、使侧墙1米以上鼓出0.3～0.5米，拱顶也有一些下沉，但墙底却未动。
五、“新奥法”隧洞施工的几点体会
1、做好地质勘探，查清洞体围岩类别，这是应用“新奥法”的前提。
2、“新奥法”的原理可以概括为：保持岩石原有的性能，充分发挥岩体承载作用，对变形加以控制，锚喷支护，根据实际情况分析确定最终支护，支护越适时越好。最重要的是设计人员、施工人员和监测人员互通情况，及时采取适当的措施。其中最主要的是必须掌握被称为“新奥法”三大支柱的锚杆支护、喷射混凝土支护和现场量测的内容。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。
3、在特殊情况下，要具体问题具体分析。如对粘性土用注浆法作为临时初期支护手段是难以凑效的，必须加强超前支护。当隧洞穿越软塑或膨胀性土或洞顶壁应力集中和偏压过大时，钢筋花拱架支护对安全不能保证时，必须及时进行衬砌，才能使岩体不致于破坏。而当遇到一些围岩为极软弱的松散体时，只靠锚喷支护还不足以控制围岩变形，可增加一定数量的钢拱架，满足工程要求。因此在采用“新奥法”施工中，要做到灵活应用。
4、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。