隧道施工法中的“新奧法”介紹
發(fā)布時間：2010-01-14 共1頁
關(guān)鍵詞 新奧法 現(xiàn)代隧道工程理論 圍巖承載理論
德國隧道學(xué)家Kovari教授在1993年薩爾茨堡地質(zhì)力學(xué)討論會上發(fā)表了題為《新奧法是否存在？——新奧法的錯誤原理》的文章。該文在隧道及地下工程界引起了一場不不小的爭議。為此,德國交通與道路工程研究協(xié)會隧道工作組在德國Tunnel雜志1994年第二期上發(fā)表文章,對Kovari教授的觀點(diǎn)進(jìn)行了辯駁。
對于該辯駁文章所闡述的基本觀點(diǎn),相信多數(shù)隧道工作者是贊同的,但是本文作者對這兩篇文章中所提出的某些問題另有看法。故就這些有爭議的問題發(fā)表個人看法。
本文的基本觀點(diǎn)是：作為一種施工方法,“新奧法”肯定存在,但是,與這種施工方法相對應(yīng)的工程理論還沒有一個明確且恰當(dāng)?shù)拿Q。筆者認(rèn)為：
a. 應(yīng)將隧道及地下工程的“施工方法”與“工程理論”作為兩個概念加以明確區(qū)分。
b. 還應(yīng)給以錨桿噴射混凝土作為基本支護(hù)手段的現(xiàn)代隧道工程理論提出一個明確且恰當(dāng)?shù)拿?nbsp;
1 兩個不同的概念
開挖和支護(hù)是隧道及地下工程施工的兩個基本工序,也是關(guān)鍵工序。其關(guān)鍵在于二者的對立統(tǒng)一關(guān)系,即：如何開挖才能更有利于保持圍巖穩(wěn)定和便于支護(hù)；又如何支護(hù)才能更有效地保證圍巖穩(wěn)定和便于開挖。
圍繞著開挖和支護(hù)的實(shí)踐和研究,在不同的時期,人們提出了不同的工程理論,并逐步建立了不同的理論體系。每一種理論體系都包含和解決了（或正在研究解決）從工程認(rèn)識到力學(xué)原理,從工程措施到施工原則等一系列工程問題,并且得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。
在多種理論并存的條件下,常難以避免地存在著概念乃至于方法上的混淆不清等問題。目前,在隧道及地下工程領(lǐng)域就一定程度地存在著“施工方法”和“工程理論”概念不清的問題。
就概念而言,“施工方法”與“工程理論”是兩個不同的概念。這兩個不同的概念可以表述如下：
“施工方法”是開挖和支護(hù)等工序的組合,或者定義為各工程措施的實(shí)施過程及手段。
“工程理論”是人們對工程問題的認(rèn)識（即概念）、力學(xué)模型的建立、工程措施的選擇原則及工藝流程的設(shè)計思想的總和或核心表述。
明確了這兩個概念以后,就可以用邏輯學(xué)的方法來得出推論：設(shè)“施工方法”=A,“工程理論”=B,顯然,A不等于B。
Kovari教授指出“新奧法不存在”的理由是：有些文獻(xiàn)將“新奧法”解釋為一種施工方法,而另一些文獻(xiàn)將它解釋為一個概念或一種理論。因此他得出了這樣的結(jié)論。這個結(jié)論在邏輯上是正確的,因?yàn)椤靶聤W法”不可能既是A,又是B。
然而在實(shí)際工程中,“新奧法”不論是作為一種施工方法,還是作為一種工程理論都已被廣泛應(yīng)用著,可見它是存在的。之所以出現(xiàn)這樣的狀況,這既不是邏輯學(xué)的錯誤,也不是“新奧法”本身的錯誤,而是長期以來沒有給它一個明確的定義所帶來的誤解。
自從“新奧法”與“錨噴支護(hù)和量測”一起被引介到中國后,“新奧法”這個名詞就很快被眾多的隧道工作者所接受。而且也曾經(jīng)有人給它下過定義,即試圖確認(rèn)它究竟是一種“施工方法”抑或是一種“工程理論”。但遺憾的是至今還沒有一個明確的和有權(quán)威的定義。
那 么,“新奧法”究竟是一種“施工方法”,還是一種“工程理論”呢？目前,我國已經(jīng)有更多的隧道工作者偏向于將其解釋為一種“施工方法”。但在包括教科書、技術(shù)總結(jié)甚至技術(shù)規(guī)范在內(nèi)的許多有關(guān)文獻(xiàn)中,有的干脆不提“新奧法”而只提“錨噴支護(hù)”；或者只言“隧道新奧法”而不解釋其含義；或者將其解釋為既是一種“施工方法”,又是一系列指導(dǎo)設(shè)計和施工的原則（意為一種理論）。這種狀況,或許是我國隧道工作者對前述問題作了一個高明的回避吧。也難怪kovari教授會得出那樣的結(jié)論,概他也是遇到了同樣的問題。
這種似A似B而又非A非B的狀況,不僅給科研、教學(xué)、設(shè)計和施工人員之間的交流帶來一些不便,而且造成概念的混淆,也在一定程度上影響了它的推廣應(yīng)用和發(fā)展。尤其是在教師教授學(xué)生的時候,更存在雙重困難,即教師講解困難和學(xué)生理解困難。教師對“新奧法”的解釋要么似是而非,要么避而不談,總不能自圓其說。學(xué)生要理解一個似是而非的東西,也總抓不住要領(lǐng),仿佛是理解一個看得見摸不 著的UFO。而要到工作中去真正透徹地理解它,概還需要不短的時間。
因此,建議將“新奧法”定義為一種“施工方法”,以區(qū)別于“工程理論”。那么勿容置疑地,“新奧法”肯定是存在的了。而且如果奧地利真地為它申請了專利權(quán)的話,作為一種“施工方法”而獲得專利權(quán)是可以理解的,但作為一種“工程理論”而申請并獲得專利則是令人難以理解和接受的。
２ 圍巖承載理論
目前,在隧道及地下工程領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用的“工程理論”主要有兩種理論。
一種是20世紀(jì)20年代提出的“松弛荷載理論”。其核心內(nèi)容是：穩(wěn)定圍巖顯然有自穩(wěn)能力,因而不產(chǎn)生荷載；不穩(wěn)定圍巖可能發(fā)生坍塌,因而要用支護(hù)結(jié)構(gòu)來承載。作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載是圍巖在一定范圍內(nèi)的松弛并可能坍塌的巖體重量。代表性的人物有泰沙基（K.Terzaghi）和普氏（М.лромобьякоиоб）等人。這是一種傳統(tǒng)的理論,它考慮問題的思路類似于地上工程,并且已發(fā)展到了一個相當(dāng)?shù)乃?至今仍被廣泛應(yīng)用著。
另一種是20世紀(jì)60年代提出的以錨桿噴射混凝土作為基本支護(hù)手段的現(xiàn)代隧道工程理論,或稱為“圍巖承載理論”（簡稱“巖承理論”）。其核心內(nèi)容是：圍巖穩(wěn)定顯然是其自身有承載自穩(wěn)能力；不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)定卻是有一個過程的,如果在這個過程中提供必要的幫助或限制,則圍巖仍然能進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。代表性的人物有臘布希維茲（K.V.Rabcewicz）、米勒-菲切爾（Miller-Fecher）、芬納-塔羅勃（Fenner-Talobre）和卡斯特耐（H.Kastener）等人。這是一種比較現(xiàn)代的理論,它已經(jīng)脫離了地上工程考慮問題的思路,而更接近于隧道及地下工程實(shí)際。近半個世紀(jì)以來已被廣泛接受和推廣應(yīng)用,并且表現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景。
由上不難看出,在解決隧道及地下工程問題時,前一種理論更注意結(jié)果和對結(jié)果的處理,即被動地接受了開挖坑道后圍巖的任何變化結(jié)果。而后一種理論更注意過程和對過程的控制,即主動地對圍巖自承能力加以充分利用和彌補(bǔ)（加固處理）。經(jīng)過長期的應(yīng)用、研究和充實(shí),這兩種理論已逐步形成兩理論體系,并且在原理、措施和方法上表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。兩理論體系的比較說明見附表1
表1 兩理論體系的比較說明
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松弛荷載理論 |
圍巖承載理論 | |
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認(rèn) 識 |
圍巖雖然有一定的承載能力，但極有可能因松弛的發(fā)展而致失穩(wěn)，結(jié)果是對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載作用。即視圍巖為荷載的來源。 |
圍巖雖然可能產(chǎn)生松馳破壞而致失穩(wěn)，但在松馳的過程中圍巖仍有一定的承載能力，具有三位一體特性。對其承載能力不僅要盡可能地利用，而且應(yīng)當(dāng)保護(hù)和增強(qiáng)。即視圍巖為承載的主體。 | |
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工 程 措 施 |
支 護(hù) |
根據(jù)以往工程對圍巖穩(wěn)定性的經(jīng)驗(yàn)判斷，進(jìn)行工程類比，確定臨時支撐參數(shù)。考慮到隧道開挖后，圍巖很可能松馳坍塌，常用型鋼或木構(gòu)件等剛度較的構(gòu)件進(jìn)行臨時支撐，盾構(gòu)是臨時支撐的最佳形式。待隧道開挖成型后，逐步將臨時支撐撤換下來，而用整體式襯砌作為永久性襯砌。 |
根據(jù)量測數(shù)據(jù)提示的圍巖動態(tài)發(fā)展趨勢，確定初期支護(hù)參數(shù)。為了控制圍巖松弛變形的過程，維護(hù)和增強(qiáng)圍巖的自承載能力，常用錨桿和噴射混凝土等柔性構(gòu)件組合起來對圍巖進(jìn)行加固（稱為噴錨支護(hù)）。這是初期支護(hù)常用的組合形式，必要時可增加超前錨桿或鋼筋網(wǎng)甚至鋼拱架。初期支護(hù)與圍巖共同構(gòu)成隧道的復(fù)合式承載結(jié)構(gòu)體系。 |
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開挖 |
常用分部開挖，以便于構(gòu)件支撐的施作。鉆爆法或中小型機(jī)械掘進(jìn)。 |
常用斷面開挖，以減少對圍巖的擾動。鉆爆法或中型機(jī)械掘進(jìn)。 | |
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松弛荷載理論 |
圍巖承載理論 | |
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工 程 措 施 |
優(yōu) 缺 點(diǎn) |
a. 構(gòu)件臨時支撐直觀、有效，容易理解，工藝簡單，易于操作； b. 當(dāng)圍巖松散破碎甚至有水時，需滿鋪背材，也能奏效； c. 臨時支撐的拆除既麻煩又不安全，不能拆除時，既浪費(fèi)又使襯砌受力條件不好； d. 一般必須在開挖后再支撐，故一次開挖斷面的小受圍巖穩(wěn)定性好壞的限制，因而開挖與支護(hù)之間的相互干擾較，施工速度較慢。 |
a. 錨噴初期支護(hù)按需設(shè)置，適應(yīng)性強(qiáng)，工藝較復(fù)雜，對圍巖的動態(tài)量測要求較高； b. 當(dāng)圍巖松散破碎甚至有水時，需采用輔助方法（如注漿）來支持，才能繼續(xù)施工； c. 初期支護(hù)無須拆除，施工較安全，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較好； d. 由于采用了錨噴支護(hù)，且可以超前支護(hù)，故一次開挖斷面可以加，因而減少了開挖與支護(hù)之間相互制約的程度，給快速掘進(jìn)提供了較為便利和安全的條件，施工速度較快。 |
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方法 |
傳統(tǒng)礦山法；日本稱之為“背板法”。 |
新奧法；我國隧道規(guī)范現(xiàn)改稱為“噴錨構(gòu)筑法”。 | |
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力 學(xué) 原 理 |
土力學(xué)。視圍巖為散粒體，計算其對支撐或襯砌產(chǎn)生荷載的小和分布狀態(tài)。 結(jié)構(gòu)力學(xué)。視支撐和襯砌為承載結(jié)構(gòu)，檢算其內(nèi)力，并使之受力合理。 建立的是“荷載－結(jié)構(gòu)”力學(xué)體系，以最不利荷載作為襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載。但襯砌實(shí)際工作狀態(tài)很難接近其設(shè)計工作狀態(tài)。 以往據(jù)此所作的比例隧道結(jié)構(gòu)—荷載模型試驗(yàn)，并無多參考價值。 |
巖體力學(xué)。視圍巖為具有彈－塑性的應(yīng)力巖體，分析計算圍巖在開挖坑道前后的應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)及變化過程。 并視支護(hù)為應(yīng)力巖體的邊界條件，起調(diào)節(jié)和控制圍巖的應(yīng)力－應(yīng)變的作用，檢驗(yàn)作用的效果并使之優(yōu)化。 建立的是“圍巖－支護(hù)”力學(xué)體系，以實(shí)際的應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)作為支護(hù)的設(shè)計狀態(tài)。實(shí)際工作狀態(tài)較易接近設(shè)計工作狀態(tài)。 | |
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理 論 要 點(diǎn) |
a. 開挖隧道后，圍巖產(chǎn)生松弛是必然的，但產(chǎn)生坍塌卻是偶然的，故應(yīng)準(zhǔn)確判斷各類圍巖產(chǎn)生坍塌的可能性小； b. 圍巖的松弛和坍塌都向支撐或襯砌施加壓力，故應(yīng)準(zhǔn)確判斷壓力的小和分布；(但以上兩種判斷的準(zhǔn)確程度在實(shí)際中很難把握。) c. 為保證圍巖穩(wěn)定，應(yīng)根據(jù)荷載的小和分布，設(shè)計臨時支撐和永久襯砌作為承載結(jié)構(gòu)，并使承載結(jié)構(gòu)受力合理；(但實(shí)際上只能以最不利荷載作為設(shè)計荷載。) d. 盡管承載結(jié)構(gòu)是按承受最不利荷載來設(shè)計的，但它是在開挖后才施作的，故為保證施工的順利進(jìn)行，應(yīng)盡可能地防止圍巖的松動和坍塌。 |
a. 圍巖是主要承載部分，故在施工中應(yīng)盡可能地減少對圍巖的擾動，以保護(hù)其固有承載能力； b. 初期支護(hù)主要用來加固圍巖，它應(yīng)既允許圍巖承載能力的充分發(fā)揮，又能防止圍巖因變形過度而產(chǎn)生失穩(wěn)。故初期支護(hù)應(yīng)先柔后剛，適時、按需提供； c. 圍巖的應(yīng)力－變形動態(tài)預(yù)示著它是否能進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，因此以量測作為手段掌握圍巖動態(tài)，進(jìn)行施工監(jiān)控，或據(jù)此修改支護(hù)參數(shù)； d. 整體失穩(wěn)通常是由局部破壞發(fā)展所致，故支護(hù)應(yīng)該能夠既加固局部以防止局部破壞，又全面約束圍巖以防止整體失穩(wěn)，從而使支護(hù)與圍巖共同構(gòu)成一個封閉且穩(wěn)定的承載環(huán)。 | |
在隧道及地下工程領(lǐng)域,傳統(tǒng)工程理論名為“松弛荷載理論”。這是眾所周知的。那么,以錨桿噴射混凝土作為基本支護(hù)手段的現(xiàn)代隧道工程理論叫什么名稱呢？這實(shí)際上是提出了現(xiàn)代隧道工程理論的命名問題。
就工程理論而言,通常人們講“傳統(tǒng)”或“現(xiàn)代”,是表明提出該理論的相對時間。前述第二種理論的提出時間較晚。但若僅僅稱之為“現(xiàn)代”隧道工程理論,顯然還不能確切地表明其真正內(nèi)涵。因此,給這個現(xiàn)代隧道工程理論一個更為明確和恰當(dāng)?shù)拿Q就顯得非常必要。這種必要性主要表現(xiàn)在以下兩個方面。
2.1 現(xiàn)代工程理論的需要
一般而言,工程理論的名稱應(yīng)該是對其核心內(nèi)容和思想實(shí)質(zhì)的高度概括并能充分體現(xiàn)人們對工程問題的基本認(rèn)識。“松弛荷載理論”作為傳統(tǒng)工程理論的名稱,就基本符合了這些要求。
但是,對于現(xiàn)代隧道工程理論的命名就沒有那么明確和恰當(dāng)了。有人稱之為“新奧法理論”,也有人稱之為“現(xiàn)代支護(hù)理論”。這些名稱都不確切。前者是以方法給理論命名,它很容易造成概念上的混淆不清并導(dǎo)致理解困難。后者雖然表明了提出該理論的相對時間,但如果以后再出現(xiàn)新理論,將如何稱呼呢？難道要稱之為“新現(xiàn)代理論”嗎？即使有“支護(hù)”一詞,也只表明了解決問題的基本手段之一,而不是對該理論的核心內(nèi)容和思想實(shí)質(zhì)的高度概括,也不能體現(xiàn)人們對隧道及地下工程問題的基本認(rèn)識。更何況現(xiàn)代隧道及地下工程所采用的支護(hù)手段已不只是錨桿噴射混凝土,而是包括一切能夠經(jīng)濟(jì)、有效地加固圍巖和增強(qiáng)圍巖承載能力的手段及其組合。
此外,眾所周知：米勒(Miller)總結(jié)的22條,應(yīng)該是對現(xiàn)代隧道工程理論的核心內(nèi)容和思想實(shí)質(zhì)的高度概括,并能充分體現(xiàn)人們對工程問題的基本認(rèn)識。但我們概不能將其稱為“22條理論”吧。
至于何以有人將現(xiàn)代隧道工程理論稱為“新奧法理論”,分析起來,原因有二：其一,是從臘布希維茲教授提出“新奧法”至今的所有研究者,都沒有重視“施工方法”與“工程理論”在概念上的區(qū)別,因此,沒有給這個理論提出一個明確的名稱。其二,該理論確實(shí)是以“新奧法”作為“施工方法”的。或者說,它是在錨噴支護(hù)技術(shù)的成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上逐步總結(jié)提出的,它與“新奧法”有著必然的聯(lián)系,因此,人們在不經(jīng)意中就稱之為“新奧法理論”。但,這個名稱是不恰當(dāng)?shù)摹?nbsp;
2.2 現(xiàn)代工程實(shí)踐的需要
自從臘布希維茲教授正式提出“新奧法”至今,由于眾多的隧道工作者的不斷應(yīng)用和努力探索,不僅使“新奧法”作為施工方法得以推廣應(yīng)用,而且使與這種施工方法相應(yīng)的隧道工程理論也發(fā)展成為一個較為完整的理論體系。它不僅已初步解決了從工程概念和力學(xué)原理到工程措施和施工原則中的主要問題；也較好地解決了設(shè)計工作狀態(tài)與實(shí)際工作狀態(tài)的一致性問題,或者已明確了解決問題的方向；并且采用了地質(zhì)力學(xué)、巖體力學(xué)、彈塑性力學(xué)等多學(xué)科的研究方法和成果來解決隧道及地下工程實(shí)際問題。
因此,有必要用一個明確且恰當(dāng)?shù)拿Q來稱呼它。這樣,不僅能清晰地界定其內(nèi)涵,而且能指明其研究方向和啟發(fā)研究問題的新思路、新方法,從而更有利于其進(jìn)一步的發(fā)展和廣泛傳播。
分析了以上兩個方面的必要性以后,主張將以錨桿噴射混凝土作為基本支護(hù)手段的現(xiàn)代隧道工程理論稱之為“圍巖承載理論”,簡稱“巖承理論”。
這個名稱也是恰當(dāng)?shù)摹Ｒ驗(yàn)樵摾碚撜窃诔浞终J(rèn)識了圍巖的“三位一體特性”后才提出來的。所謂“三位一體”是指圍巖既是產(chǎn)生圍巖壓力的原因（巖體處于應(yīng)力場中）,又是承受壓力的結(jié)構(gòu)（應(yīng)力巖體的自承載作用）,而且是構(gòu)成這個結(jié)構(gòu)的天然材料（非人工材料）。并提出了解決問題的基本原則,即“圍巖承載,支護(hù)幫助”（或者說圍巖是工程加固的對象,支護(hù)是加固的手段）。這就確立了“圍巖”作為隧道承載結(jié)構(gòu)體系的基本承載部分且不可替代的主體地位,同時也確立了“支護(hù)”作為隧道結(jié)構(gòu)體系的輔助承載部分且可以選擇的次要地位。這正是它與傳統(tǒng)松弛荷載理論的根本性區(qū)別。
根據(jù)這一原則,對于穩(wěn)定圍巖,顯然無須支護(hù),完全由圍巖承載自穩(wěn)。對于不穩(wěn)定圍巖,則須提供支護(hù)以幫助圍巖進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。提供幫助的多少（支護(hù)的強(qiáng)弱）主要地取決于圍巖穩(wěn)定性的好壞。對穩(wěn)定性好的圍巖可提供少一些、弱一些的支護(hù)；而對穩(wěn)定性差的圍巖則應(yīng)提供多一些、強(qiáng)一些的支護(hù)。但,這些都只是一個程度問題,都不能否定“圍巖”作為隧道結(jié)構(gòu)體系的基本承載部分。因?yàn)閷τ诼裆钶^的隧道,采用“明挖法”施工將是難以想象和不能接受的,或者是我們不便于將圍巖挖除而代之以人工結(jié)構(gòu)。所以說圍巖的這種存在狀態(tài)也是不可替代的。
因此,用“圍巖承載理論”一詞不僅表明了人們對隧道及地下工程問題的基本認(rèn)識,也高度概括了現(xiàn)代隧道工程理論的核心內(nèi)容和思想實(shí)質(zhì)。
Kovari教授在其文章中還指出了：不同文獻(xiàn)對圍巖承載理論的有關(guān)問題的不同解釋,甚至相互矛盾之處。如對“承載環(huán)”的描述。對此,人們并不感到奇怪。站在歷史的角度來看,人們在探索真理的過程中,都不可避免地會出現(xiàn)這樣或那樣的理解、解釋,甚至是錯誤。但有道是：“浪淘沙真金在”。隨著研究的深入,正確的認(rèn)識終究會被保留下來,而誤解也終究會被摒棄。人們對工程理論的探索也同樣如此。
至此,可以說：不僅“新奧法”作為“施工方法”是客觀存在的,而且“現(xiàn)代隧道工程理論”既有其實(shí),也有其名。
