隧道施工法中的“新奧法”介紹
發布時間：2010-01-14 共1頁
關鍵詞 新奧法 現代隧道工程理論 圍巖承載理論
德國隧道學家Kovari教授在1993年薩爾茨堡地質力學討論會上發表了題為《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會隧道工作組在德國Tunnel雜志1994年第二期上發表文章,對Kovari教授的觀點進行了辯駁。
對于該辯駁文章所闡述的基本觀點,相信多數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表個人看法。
本文的基本觀點是：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的工程理論還沒有一個明確且恰當的名稱。筆者認為：
a. 應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分。
b. 還應給以錨桿噴射混凝土作為基本支護手段的現代隧道工程理論提出一個明確且恰當的命名。
1 兩個不同的概念
開挖和支護是隧道及地下工程施工的兩個基本工序,也是關鍵工序。其關鍵在于二者的對立統一關系,即：如何開挖才能更有利于保持圍巖穩定和便于支護；又如何支護才能更有效地保證圍巖穩定和便于開挖。
圍繞著開挖和支護的實踐和研究,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）從工程認識到力學原理,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用和發展。
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”是開挖和支護等工序的組合,或者定義為各工程措施的實施過程及手段。
“工程理論”是人們對工程問題的認識（即概念）、力學模型的建立、工程措施的選擇原則及工藝流程的設計思想的總和或核心表述。
明確了這兩個概念以后,就可以用邏輯學的方法來得出推論：設“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：有些文獻將“新奧法”解釋為一種施工方法,而另一些文獻將它解釋為一個概念或一種理論。因此他得出了這樣的結論。這個結論在邏輯上是正確的,因為“新奧法”不可能既是A,又是B。
然而在實際工程中,“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用著,可見它是存在的。之所以出現這樣的狀況,這既不是邏輯學的錯誤,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。而且也曾經有人給它下過定義,即試圖確認它究竟是一種“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、技術總結甚至技術規范在內的許多有關文獻中,有的干脆不提“新奧法”而只提“錨噴支護”；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”,又是一系列指導設計和施工的原則（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、設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用和發展。尤其是在教師教授學生的時候,更存在雙重困難,即教師講解困難和學生理解困難。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。學生要理解一個似是而非的東西,也總抓不住要領,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的話,作為一種“施工方法”而獲得專利權是可以理解的,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域中被廣泛應用的“工程理論”主要有兩種理論。
一種是20世紀20年代提出的“松弛荷載理論”。其核心內容是：穩定圍巖顯然有自穩能力,因而不產生荷載；不穩定圍巖可能發生坍塌,因而要用支護結構來承載。作用在支護結構上的荷載是圍巖在一定范圍內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。這是一種傳統的理論,它考慮問題的思路類似于地上工程,并且已發展到了一個相當的水平,至今仍被廣泛應用著。
另一種是20世紀60年代提出的以錨桿噴射混凝土作為基本支護手段的現代隧道工程理論,或稱為“圍巖承載理論”（簡稱“巖承理論”）。其核心內容是：圍巖穩定顯然是其自身有承載自穩能力；不穩定圍巖喪失穩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,則圍巖仍然能進入穩定狀態。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。這是一種比較現代的理論,它已經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際。近半個世紀以來已被廣泛接受和推廣應用,并且表現出了廣闊的發展前景。
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果和對結果的處理,即被動地接受了開挖坑道后圍巖的任何變化結果。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（加固處理）。經過長期的應用、研究和充實,這兩種理論已逐步形成兩理論體系,并且在原理、措施和方法上表現出不同的特點。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 識 |
圍巖雖然有一定的承載能力，但極有可能因松弛的發展而致失穩，結果是對支護結構產生荷載作用。即視圍巖為荷載的來源。 |
圍巖雖然可能產生松馳破壞而致失穩，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，而且應當保護和增強。即視圍巖為承載的主體。 | |
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工 程 措 施 |
支 護 |
根據以往工程對圍巖穩定性的經驗判斷，進行工程類比，確定臨時支撐參數。考慮到隧道開挖后，圍巖很可能松馳坍塌，常用型鋼或木構件等剛度較的構件進行臨時支撐，盾構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。 |
根據量測數據提示的圍巖動態發展趨勢，確定初期支護參數。為了控制圍巖松弛變形的過程，維護和增強圍巖的自承載能力，常用錨桿和噴射混凝土等柔性構件組合起來對圍巖進行加固（稱為噴錨支護）。這是初期支護常用的組合形式，必要時可增加超前錨桿或鋼筋網甚至鋼拱架。初期支護與圍巖共同構成隧道的復合式承載結構體系。 |
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開挖 |
常用分部開挖，以便于構件支撐的施作。鉆爆法或中小型機械掘進。 |
常用斷面開挖，以減少對圍巖的擾動。鉆爆法或中型機械掘進。 | |
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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 缺 點 |
a. 構件臨時支撐直觀、有效，容易理解，工藝簡單，易于操作； b. 當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定性好壞的限制，因而開挖與支護之間的相互干擾較，施工速度較慢。 |
a. 錨噴初期支護按需設置，適應性強，工藝較復雜，對圍巖的動態量測要求較高； b. 當圍巖松散破碎甚至有水時，需采用輔助方法（如注漿）來支持，才能繼續施工； c. 初期支護無須拆除，施工較安全，支護結構受力狀態較好； d. 由于采用了錨噴支護，且可以超前支護，故一次開挖斷面可以加，因而減少了開挖與支護之間相互制約的程度，給快速掘進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 |
傳統礦山法；日本稱之為“背板法”。 |
新奧法；我國隧道規范現改稱為“噴錨構筑法”。 | |
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力 學 原 理 |
土力學。視圍巖為散粒體，計算其對支撐或襯砌產生荷載的小和分布狀態。 結構力學。視支撐和襯砌為承載結構，檢算其內力，并使之受力合理。 建立的是“荷載－結構”力學體系，以最不利荷載作為襯砌結構的設計荷載。但襯砌實際工作狀態很難接近其設計工作狀態。 以往據此所作的比例隧道結構—荷載模型試驗，并無多參考價值。 |
巖體力學。視圍巖為具有彈－塑性的應力巖體，分析計算圍巖在開挖坑道前后的應力－應變狀態及變化過程。 并視支護為應力巖體的邊界條件，起調節和控制圍巖的應力－應變的作用，檢驗作用的效果并使之優化。 建立的是“圍巖－支護”力學體系，以實際的應力－應變狀態作為支護的設計狀態。實際工作狀態較易接近設計工作狀態。 | |
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理 論 要 點 |
a. 開挖隧道后，圍巖產生松弛是必然的，但產生坍塌卻是偶然的，故應準確判斷各類圍巖產生坍塌的可能性小； b. 圍巖的松弛和坍塌都向支撐或襯砌施加壓力，故應準確判斷壓力的小和分布；(但以上兩種判斷的準確程度在實際中很難把握。) c. 為保證圍巖穩定，應根據荷載的小和分布，設計臨時支撐和永久襯砌作為承載結構，并使承載結構受力合理；(但實際上只能以最不利荷載作為設計荷載。) d. 盡管承載結構是按承受最不利荷載來設計的，但它是在開挖后才施作的，故為保證施工的順利進行，應盡可能地防止圍巖的松動和坍塌。 |
a. 圍巖是主要承載部分，故在施工中應盡可能地減少對圍巖的擾動，以保護其固有承載能力； b. 初期支護主要用來加固圍巖，它應既允許圍巖承載能力的充分發揮，又能防止圍巖因變形過度而產生失穩。故初期支護應先柔后剛，適時、按需提供； c. 圍巖的應力－變形動態預示著它是否能進入穩定狀態，因此以量測作為手段掌握圍巖動態，進行施工監控，或據此修改支護參數； d. 整體失穩通常是由局部破壞發展所致，故支護應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，從而使支護與圍巖共同構成一個封閉且穩定的承載環。 | |
在隧道及地下工程領域,傳統工程理論名為“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手段的現代隧道工程理論叫什么名稱呢？這實際上是提出了現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”或“現代”,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“現代”隧道工程理論,顯然還不能確切地表明其真正內涵。因此,給這個現代隧道工程理論一個更為明確和恰當的名稱就顯得非常必要。這種必要性主要表現在以下兩個方面。
2.1 現代工程理論的需要
一般而言,工程理論的名稱應該是對其核心內容和思想實質的高度概括并能充分體現人們對工程問題的基本認識。“松弛荷載理論”作為傳統工程理論的名稱,就基本符合了這些要求。
但是,對于現代隧道工程理論的命名就沒有那么明確和恰當了。有人稱之為“新奧法理論”,也有人稱之為“現代支護理論”。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,但如果以后再出現新理論,將如何稱呼呢？難道要稱之為“新現代理論”嗎？即使有“支護”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容和思想實質的高度概括,也不能體現人們對隧道及地下工程問題的基本認識。更何況現代隧道及地下工程所采用的支護手段已不只是錨桿噴射混凝土,而是包括一切能夠經濟、有效地加固圍巖和增強圍巖承載能力的手段及其組合。
此外,眾所周知：米勒(Miller)總結的22條,應該是對現代隧道工程理論的核心內容和思想實質的高度概括,并能充分體現人們對工程問題的基本認識。但我們概不能將其稱為“22條理論”吧。
至于何以有人將現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,該理論確實是以“新奧法”作為“施工方法”的。或者說,它是在錨噴支護技術的成功應用的基礎上逐步總結提出的,它與“新奧法”有著必然的聯系,因此,人們在不經意中就稱之為“新奧法理論”。但,這個名稱是不恰當的。
2.2 現代工程實踐的需要
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用和努力探索,不僅使“新奧法”作為施工方法得以推廣應用,而且使與這種施工方法相應的隧道工程理論也發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；也較好地解決了設計工作狀態與實際工作狀態的一致性問題,或者已明確了解決問題的方向；并且采用了地質力學、巖體力學、彈塑性力學等多學科的研究方法和成果來解決隧道及地下工程實際問題。
因此,有必要用一個明確且恰當的名稱來稱呼它。這樣,不僅能清晰地界定其內涵,而且能指明其研究方向和啟發研究問題的新思路、新方法,從而更有利于其進一步的發展和廣泛傳播。
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手段的現代隧道工程理論稱之為“圍巖承載理論”,簡稱“巖承理論”。
這個名稱也是恰當的。因為該理論正是在充分認識了圍巖的“三位一體特性”后才提出來的。所謂“三位一體”是指圍巖既是產生圍巖壓力的原因（巖體處于應力場中）,又是承受壓力的結構（應力巖體的自承載作用）,而且是構成這個結構的天然材料（非人工材料）。并提出了解決問題的基本原則,即“圍巖承載,支護幫助”（或者說圍巖是工程加固的對象,支護是加固的手段）。這就確立了“圍巖”作為隧道承載結構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”作為隧道結構體系的輔助承載部分且可以選擇的次要地位。這正是它與傳統松弛荷載理論的根本性區別。
根據這一原則,對于穩定圍巖,顯然無須支護,完全由圍巖承載自穩。對于不穩定圍巖,則須提供支護以幫助圍巖進入穩定狀態。提供幫助的多少（支護的強弱）主要地取決于圍巖穩定性的好壞。對穩定性好的圍巖可提供少一些、弱一些的支護；而對穩定性差的圍巖則應提供多一些、強一些的支護。但,這些都只是一個程度問題,都不能否定“圍巖”作為隧道結構體系的基本承載部分。因為對于埋深較的隧道,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構。所以說圍巖的這種存在狀態也是不可替代的。
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識,也高度概括了現代隧道工程理論的核心內容和思想實質。
Kovari教授在其文章中還指出了：不同文獻對圍巖承載理論的有關問題的不同解釋,甚至相互矛盾之處。如對“承載環”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“現代隧道工程理論”既有其實,也有其名。
