一、隧道設(shè)計(jì)施工的兩大理論及其發(fā)展過(guò)程

　　二十世紀(jì)以來(lái)，人類對(duì)地下空間的需求越來(lái)越多，因而對(duì)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(rèn)識(shí)到，隧道及地下洞室工程，其核心問(wèn)題，都?xì)w結(jié)在開(kāi)挖和支護(hù)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(wěn)定和便于支護(hù)：若需支護(hù)時(shí)，又如何支護(hù)才能更有效地保證洞室穩(wěn)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(rèn)識(shí)（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(jì)20年代提出的傳統(tǒng)的“松弛荷載理論”。其核心內(nèi)容是：穩(wěn)定的巖體有自穩(wěn)能力，不產(chǎn)生荷載：不穩(wěn)定的巖體則可能產(chǎn)生坍塌，需要用支護(hù)結(jié)構(gòu)予以支撐。這樣，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載就是圍巖在一定范圍內(nèi)由于松弛并可能塌落的巖體重力。這是一種傳統(tǒng)的理論，其代表人物有泰沙基和普氏等人。它類似于地面工程考慮問(wèn)題的思想，至今仍被廣泛的應(yīng)用著。

　　另一種理論是二十世紀(jì)50年代提出的現(xiàn)代支護(hù)理論，或稱“巖承理論”。其核心內(nèi)容是：圍巖穩(wěn)定顯然是巖體自身有承載自穩(wěn)能力：不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)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(wěn)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(xiàn)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(jì)以來(lái)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。

　　由以上可以看出，前一種理論更注意結(jié)果和對(duì)結(jié)果的處理：而后一種理論則更注意過(guò)程和對(duì)過(guò)程的控制，即對(duì)圍巖自承能力的充分利用。由于有此區(qū)別，因而兩種理論體系在過(guò)程和方法上各自表現(xiàn)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，原文是New Austrian Tunnelling Method,簡(jiǎn)稱為NATM。它與法國(guó)稱收斂約束法或有些國(guó)家所稱動(dòng)態(tài)觀測(cè)設(shè)計(jì)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(jì)50年代提出的。它是以既有隧道工程經(jīng)驗(yàn)和巖體力學(xué)的理論為基礎(chǔ)，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護(hù)手段的一種施工方法，經(jīng)奧地利、瑞典、意大利等國(guó)的許多實(shí)踐和理論研究，于60年代取得專利權(quán)并正式命名。之后這個(gè)方法在西歐、北歐、美國(guó)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(xiàn)代隧道工程新技術(shù)的標(biāo)志之一。我國(guó)近40年來(lái)，鐵路等部門(mén)通過(guò)科研、設(shè)計(jì)、施工三結(jié)合，在許多隧道修建中，根據(jù)自己的特點(diǎn)成功地應(yīng)用了新奧法，取得了較多的經(jīng)驗(yàn)，積累了大量的數(shù)據(jù)，現(xiàn)已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。但在公路部門(mén)新奧法的應(yīng)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(jì)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(jié)構(gòu)體系中的主要承載單元，在施工中必須充分保護(hù)巖體，盡量減少對(duì)它的擾動(dòng)，避免過(guò)度破壞巖體的強(qiáng)度。為此，施工中斷面分塊不宜過(guò)多，開(kāi)挖應(yīng)當(dāng)采用光面爆破、預(yù)裂爆破或機(jī)械掘進(jìn)。

　　2．為了充分發(fā)揮巖體的承載能力，應(yīng)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(yīng)采用能與圍巖密貼、及時(shí)筑砌又能隨時(shí)加強(qiáng)的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，例如，錨噴支護(hù)等。這樣，就能通過(guò)調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能，施工中應(yīng)盡快閉合，而成為封閉的筒形結(jié)構(gòu)。另外，隧道斷面形狀應(yīng)盡可能圓順，以避免拐角處的應(yīng)力集中。

　　4．通過(guò)施工中對(duì)圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài)觀察、量測(cè)，合理安排施工程序、進(jìn)行設(shè)計(jì)變更及日常的施工管理。

　　5．為了敷設(shè)防水層，或?yàn)榱顺惺苡捎阱^桿銹蝕，圍巖性質(zhì)惡化、流變、膨脹所引起的后續(xù)荷載，可采用復(fù)合式襯砌。

　　6．二次襯砌原則上是在圍巖與初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的條件下修筑的，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，因而提高了支護(hù)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(cè)、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(yīng)力（自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)要調(diào)整，如果圍巖的強(qiáng)度足夠大，那么經(jīng)過(guò)應(yīng)力調(diào)整，洞室可處于穩(wěn)定狀態(tài)（不需支護(hù)）。然而大多數(shù)的地質(zhì)情況是較差的，即洞室經(jīng)過(guò)應(yīng)力調(diào)整后，如不支護(hù)，就會(huì)產(chǎn)生收斂變形，甚至失穩(wěn)（塌方），所以必須提供支護(hù)力PE，才能防止塌方失穩(wěn)。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(shè)彈簧的彈性系數(shù)為K，則有：

　　P0=PE+Ku

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

　　（2）當(dāng)u↑時(shí)，PE↓；當(dāng)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(jì)的支護(hù)措施，圍巖的自穩(wěn)能力P=P0-PE=Ku；

　�。�3）當(dāng)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(jié)構(gòu)、建筑材料。

　　2．隧道是修筑在應(yīng)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(jié)構(gòu)體系=圍巖+支護(hù)體系。