一、隧道設計施工的兩大理論及其發(fā)展過(guò)程

　　二十世紀以來(lái)，人類(lèi)對地下空間的需求越來(lái)越多，因而對地下工程的研究有了一個(gè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在大量的地下工程實(shí)踐中，人們普遍認識到，隧道及地下洞室工程，其核心問(wèn)題，都歸結在開(kāi)挖和支護兩個(gè)關(guān)鍵工序上。即如何開(kāi)挖，才能更有利于洞室的穩定和便于支護：若需支護時(shí)，又如何支護才能更有效地保證洞室穩定和便于開(kāi)挖。這是隧道及地下工程中兩個(gè)相互促進(jìn)又相互制約的問(wèn)題。

　　在隧道及地下洞室工程中，圍繞著(zhù)以上核心問(wèn)題的實(shí)踐和研究，在不同的時(shí)期，人們提出了不同的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（或正在研究解決）了從工程認識（概念）、力學(xué)原理，工程措施到施工方法（工藝）等一系列工程問(wèn)題。

　　一種理論是二十世紀20年代提出的傳統的“松弛荷載理論”。其核心內容是：穩定的巖體有自穩能力，不產(chǎn)生荷載：不穩定的巖體則可能產(chǎn)生坍塌，需要用支護結構予以支撐。這樣，作用在支護結構上的荷載就是圍巖在一定范圍內由于松弛并可能塌落的巖體重力。這是一種傳統的理論，其代表人物有泰沙基和普氏等人。它類(lèi)似于地面工程考慮問(wèn)題的思想，至今仍被廣泛的應用著(zhù)。

　　另一種理論是二十世紀50年代提出的現代支護理論，或稱(chēng)“巖承理論”。其核心內容是：圍巖穩定顯然是巖體自身有承載自穩能力：不穩定圍巖喪失穩定是有一個(gè)過(guò)程的，如果在這個(gè)過(guò)程中提供必要的幫助或限制，則圍巖仍然能夠進(jìn)入穩定狀態(tài)。這種理論體系的代表性人物有拉布西維茲、米勒-菲切爾、芬納-塔羅勃和卡斯特奈等人。這是一種比較現代的理論，它已經(jīng)脫離了地面工程考慮問(wèn)題的思路，而更接近于地下工程實(shí)際，近半個(gè)世紀以來(lái)已被廣泛接受和推廣應用，并且表現出了廣闊的發(fā)展前景。

　　由以上可以看出，前一種理論更注意結果和對結果的處理：而后一種理論則更注意過(guò)程和對過(guò)程的控制，即對圍巖自承能力的充分利用。由于有此區別，因而兩種理論體系在過(guò)程和方法上各自表現出不同的特點(diǎn)。新奧法是巖承理論在隧道工程實(shí)踐中的代表方法。

　　二、新奧法

　　新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡(jiǎn)稱(chēng)，原文是New Austrian Tunnelling Method,簡(jiǎn)稱(chēng)為NATM。它與法國稱(chēng)收斂約束法或有些國家所稱(chēng)動(dòng)態(tài)觀(guān)測設計施工法的基本原則一致。

　　新奧法概念是奧地利學(xué)者拉布西維茲教授于二十世紀50年代提出的。它是以既有隧道工程經(jīng)驗和巖體力學(xué)的理論為基礎，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護手段的一種施工方法，經(jīng)奧地利、瑞典、意大利等國的許多實(shí)踐和理論研究，于60年代取得專(zhuān)利權并正式命名。之后這個(gè)方法在西歐、北歐、美國和日本等許多地下工程中獲得極為迅速的發(fā)展，已成為現代隧道工程新技術(shù)的標志之一。我國近40年來(lái)，鐵路等部門(mén)通過(guò)科研、設計、施工三結合，在許多隧道修建中，根據自己的特點(diǎn)成功地應用了新奧法，取得了較多的經(jīng)驗，積累了大量的數據，現已進(jìn)入推廣應用階段。但在公路部門(mén)新奧法的應用僅為50%左右。目前新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修建隧道的一種基本方法，技術(shù)經(jīng)濟效益是明顯的。新奧法的基本要點(diǎn)可歸納如下：

　　1．巖體是隧道結構體系中的主要承載單元，在施工中必須充分保護巖體，盡量減少對它的擾動(dòng)，避免過(guò)度破壞巖體的強度。為此，施工中斷面分塊不宜過(guò)多，開(kāi)挖應當采用光面爆破、預裂爆破或機械掘進(jìn)。

　　2．為了充分發(fā)揮巖體的承載能力，應允許并控制巖體的變形。一方面允許變形，使圍巖中能形成承載環(huán)；另一方面又必須限制它，使巖體不致過(guò)度松弛而喪失或大大降低承載能力。在施工中應采用能與圍巖密貼、及時(shí)筑砌又能隨時(shí)加強的柔性支護結構，例如，錨噴支護等。這樣，就能通過(guò)調整支護結構的強度、剛度和它參加工作的時(shí)間（包括閉合時(shí)間）來(lái)控制巖體的變形。

　　3．為了改善支護結構的受力性能，施工中應盡快閉合，而成為封閉的筒形結構。另外，隧道斷面形狀應盡可能圓順，以避免拐角處的應力集中。

　　4．通過(guò)施工中對圍巖和支護的動(dòng)態(tài)觀(guān)察、量測，合理安排施工程序、進(jìn)行設計變更及日常的施工管理。

　　5．為了敷設防水層，或為了承受由于錨桿銹蝕，圍巖性質(zhì)惡化、流變、膨脹所引起的后續荷載，可采用復合式襯砌。

　　6．二次襯砌原則上是在圍巖與初期支護變形基本穩定的條件下修筑的，圍巖和支護結構形成一個(gè)整體，因而提高了支護體系的安全度。

　　上述新奧法的基本要點(diǎn)可扼要的概括為：“少擾動(dòng)、早噴錨，勤量測、緊封閉”。

　　三、用一個(gè)彈簧來(lái)理解新奧法原理

　　1．洞室邊緣某一點(diǎn)A在開(kāi)挖前具有原始應力（自重應力和構造應力）處于一個(gè)平衡狀態(tài)。如同一根彈性剛度為K的彈簧，在P0作用下處于壓縮平衡狀態(tài)。

　　2．洞室開(kāi)挖后，A點(diǎn)在臨空面失去約束，原始應力狀態(tài)要調整，如果圍巖的強度足夠大，那么經(jīng)過(guò)應力調整，洞室可處于穩定狀態(tài)（不需支護）。然而大多數的地質(zhì)情況是較差的，即洞室經(jīng)過(guò)應力調整后，如不支護，就會(huì )產(chǎn)生收斂變形，甚至失穩（塌方），所以必須提供支護力PE，才能防止塌方失穩。等同于彈簧產(chǎn)生了變形u后，在PE作用又處于平衡狀態(tài)。

　　3．由力學(xué)平衡方程可知，彈簧在P0作用時(shí)處于平衡狀態(tài)；彈簧在發(fā)生變形u后，在PE的作用下又處于平衡狀態(tài)，假設彈簧的彈性系數為K，則有：

　　P0=PE+Ku

　　討論：（1）當u=0時(shí)，P0=PE 即不允許圍巖變形，采用剛性支護，不經(jīng)濟；

　�。�2）當u↑時(shí)，PE↓；當u↓時(shí)，PE↑。即圍巖發(fā)生變形，可釋放一定的荷載（卸荷作用），所以要允許圍巖產(chǎn)生一定的變形，以充分發(fā)揮圍巖的自承能力。是一種經(jīng)濟的支護措施，圍巖的自穩能力P=P0-PE=Ku；

　�。�3）當u=umax時(shí)，發(fā)生塌方，產(chǎn)生松馳荷載，不安全。

　　四、要點(diǎn)

　　1．圍巖是受洞室開(kāi)挖影響的那一部分巖（土）體，圍巖是三位一體的即：產(chǎn)生荷載、承載結構、建筑材料。

　　2．隧道是修筑在應力巖體中的，具有特殊的建筑環(huán)境，不能等同于地面建筑。

　　3．隧道結構體系=圍巖+支護體系。