新奥法中喷锚联合支护的应用（一）

姚晓峰

（山西路桥第二工程有限公司，山西 临汾 041000）

1 新奥法修建隧道的概念

锚喷联合支护是锚杆支护和喷混凝土支护二者作用原理的有机组合。在较好的围岩中，可将喷混凝土作为主要的支护手段，辅以锚杆加固；而在较差的围岩中，则以锚杆，尤其是预应力锚杆作为主要的岩体加固手段，并与喷混凝土、钢筋网喷混凝土或加钢拱的钢筋网喷混凝土配合使用。

所谓“及时”，对差的围岩是指“尽快”，对好的围岩是指“适时”。凝结后即连续地对支护喷层的变形进行检测。在临时支护基础上逐步增加支护措施，把喷层加厚，或增设长锚杆、钢筋网等。待其基本稳定后，再加做模筑混凝土“二次衬砌”。此时，原来的临时支护（锚喷支护）成为永久衬砌的一个组成部分。而“二次”衬砌基本上是不承载或承载很小的，主要是为了结构物的安全、耐久、防水和饰面的需要。

由于新奥法在施工过程中要采用光面爆破、大断面开挖，或采用隧道掘进机开挖，所以要求对围岩扰动少，围岩与喷锚支护、模注“二次”衬砌结合在一起，从根本改善了支护结构的静力工作条件；通过锚喷支护保护盒加固围岩，提高了围岩的强度和稳定性，并给围岩以主动支护力，在与围岩共同承载共同变形中承受变形压力（而不是塌方荷载），保持隧道的稳定和安全。其中围岩自身成为“承载结构”的一个主要组成部分；而锚喷支护成为一种充分利用和加强围岩自身支护能力，把围岩和支护结构组成一个统一的结构工作体系的重要支护手段。

新奥法不单纯是一种施工方法，更不能认为采用锚喷支护就是新奥法。新奥法应该是修建隧道的指导原则和积极思路。采用新奥法时，应掌握3个基本点。

（1）围岩是隧道稳定的基本部分。支护是为了与围岩共同形成能自身稳定的“承载圈”或支撑单元。因此应尽量维护围岩体的强度性能，尽量采用控制爆破或无爆破开挖，尽量采用大断面或全断面掘进。

（2）支护、衬砌要薄而具有柔性并与围岩密贴，使因产生弯矩而破坏的可能性达到最小。而需要增加支护衬砌强度时，宜采用锚杆、钢筋网、以致钢支撑等加固；而不宜大幅度增加喷层或衬砌厚度。

（3）设计施工中要正确地估计围岩特性及其随时间的变化。需要进行必要的试验和测量，以确定围岩分类、自稳时间和位移变形速率等参数，选择最适宜的支护措施和支护时间。

2 新奥法支护与围岩作用的力学原理

在新奥法中，支护结构的设计原理是围岩体和柔性支护共同变形、破坏的弹塑性理论。

当坑道开挖后，将引起一定范围内的围岩产生位移，形成松弛，同时也恶化了围岩的物理力学性质，坑道围岩将在薄弱处产生局部破坏。局部破坏的扩大，造成整个坑道的坍塌。

为了分析在新奥法施工中支护与围岩共同作用原理的力学概念，作以下假定：

（1）围岩为均质的各向同性的连续弹塑性体，围岩在弹性变形、剪切破坏的极限平衡中仍表现有剩余强度。

（2）隧道初始应力场为自重应力场，侧压力系数为1。

（3）隧道形状为圆形。

（4）隧道在一定的埋深条件下，将它看做无限体中孔洞问题。

当隧道开挖后，岩体发生变形，当内缘的二次应力小于围岩强度时，洞室仍是稳定的；当开挖后的二次应力超过围岩强度时，围岩产生塑性变形和松弛，如不加以支护，坑道将坍塌破坏。

对隧道围岩的变形、应力、周边位移、支护措施及相互关系进行研究的目的是期望对新奥法中的支护原理的力学过程有一个定性的了解。

在围岩体中，尤其是软弱的围岩，可以采用“摩尔—库伦”准则，作为“塑性判据”，见图1，当表征围岩体中的应力状态的应力圆同摩尔的滑动包络线相切时，即：

当岩体进入塑性状态并产生塑性滑移，其滑动面称摩尔滑动面，它与主应力σ1的夹角为α，滑动面上的正应力为σn，剪应力τR分别是切点B的横坐标和纵坐标。式中σ1、σ3分别是岩体中的大、小主应力。

图1 摩尔—库伦准则

进一步假定岩体进入塑性状态以后，在岩体塑性变形发展中，式（1）的关系保持不变。即岩体进入塑性状态以后，不论岩体的变形如何发展，岩体塑性区中各点都处于应力圆和破坏包络线相切的极限平衡状态而不再松弛；岩体的内摩擦角φ，黏结力c值在塑性滑移中保持不变，并且假定岩体塑性变形中，塑性区内体积保持不变，自重忽略不计。

当隧道周边的围岩压力超过弹性强度极限时，从周边到岩体深处某一范围内将出现塑性变形区。相应半径R称为塑性区半径。在它以外为弹性变形区，见图2。

图2 围岩弹塑性状态

在上述假定下，根据弹塑性理论，可导出塑性区中任一点的应力公式：

式中：σr：塑性区中任一点的径向应力；

σO：塑性区中任一点的切向应力；

r：塑性区中任一点到洞室中心的径向距离；

r0：隧道开挖半径；

pi：支护对围岩的支护力。

由式（2）可以得出，水平轴方向的应力分布曲线（见图2中的实线），与弹性变形条件下的应力分布曲线（见图2中的虚线）对比，可以见到塑性区中靠近洞室内缘的应力，因满足塑性条件而相对减少，成为应力降低区，而最大的应力集中由洞室周边处转移到围岩内弹性区与塑性区的交界面上。上述塑性条件是指围岩应力超过围岩弹性抗压强度后，岩体产生塑性变形，相应产生能量或应力释放；在塑性滑移中随着变形的增加而应力降低；为了维持力的总平衡，高应力必然向变形较小的围岩深处发展。

图2中，在静水压力条件下，弹性区的外部压力为p0，内部压力为σR，根据弹性理论中关于厚壁圆管（外半径为无穷大）的计算，可以得出弹性区任一点的应力为：

式中：σr：塑性区中任一点的径向应力；

σO：塑性区中任一点的切向应力；

r：塑性区中任一点半径。

在弹性区与塑性区的交界面上，（r=R处）应力σr与σO应符合塑性平衡条件，见式（3），和弹性平衡条件，见式（4）。令两式相等，整理后可得：

从式（5）和（6）中可以知道围岩中塑性半径R与支护力pi的关系。给与围岩内缘的支护力pi越小，则围岩体中出现的塑性区（R）越大；若让围岩体中出现的塑性区（相应的塑性半径R）越大，则围岩对支护的变形压力pa（与支护力pi相平衡）越小，这就是新奥法柔性支护理论的出发点，是设计、施工中采取支护措施时要积极利用的。以便使支护受到尽可能小的形变压力，相应减少支护工程量和降低造价。（待续）