一、隧道設(shè)計施工的兩大理論及其發(fā)展過程

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

　　在隧道及地下洞室工程中，圍繞著以上核心問題的實踐和研究，在不同的時期，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）、力學原理，工程措施到施工方法（工藝）等一系列工程問題。

　　一種理論是二十世紀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，需要用支護結(jié)構(gòu)予以支撐。這樣，作用在支護結(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50年代提出的現(xiàn)代支護理論，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，則圍巖仍然能夠進入穩(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題的思路，而更接近于地下工程實際，近半個世紀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。

　　由以上可以看出，前一種理論更注意結(jié)果和對結(jié)果的處理：而后一種理論則更注意過程和對過程的控制，即對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程和方法上各自表現(xiàn)出不同的特點。新奧法是巖承理論在隧道工程實踐中的代表方法。

　　二、新奧法

　　新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，原文是New Austrian Tunnelling Method,簡稱為NATM。它與法國稱收斂約束法或有些國家所稱動態(tài)觀測設(shè)計施工法的基本原則一致。

　　新奧法概念是奧地利學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(xiàn)代隧道工程新技術(shù)的標志之一。我國近40年來，鐵路等部門通過科研、設(shè)計、施工三結(jié)合，在許多隧道修建中，根據(jù)自己的特點成功地應(yīng)用了新奧法，取得了較多的經(jīng)驗，積累了大量的數(shù)據(jù)，現(xiàn)已進入推廣應(yīng)用階段。但在公路部門新奧法的應(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)濟效益是明顯的。新奧法的基本要點可歸納如下：

　　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巖體，盡量減少對它的擾動，避免過度破壞巖體的強度。為此，施工中斷面分塊不宜過多，開挖應(yīng)當采用光面爆破、預(yù)裂爆破或機械掘進。

　　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、及時筑砌又能隨時加強的柔性支護結(jié)構(gòu)，例如，錨噴支護等。這樣，就能通過調(diào)整支護結(jié)構(gòu)的強度、剛度和它參加工作的時間（包括閉合時間）來控制巖體的變形。

　　3．為了改善支護結(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．通過施工中對圍巖和支護的動態(tài)觀察、量測，合理安排施工程序、進行設(shè)計變更及日常的施工管理。

　　5．為了敷設(shè)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(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變形基本穩(wěn)定的條件下修筑的，圍巖和支護結(jié)構(gòu)形成一個整體，因而提高了支護體系的安全度。

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

　　三、用一個彈簧來理解新奧法原理

　　1．洞室邊緣某一點A在開挖前具有原始應(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)。

　　2．洞室開挖后，A點在臨空面失去約束，原始應(yīng)力狀態(tài)要調(diào)整，如果圍巖的強度足夠大，那么經(jīng)過應(yīng)力調(diào)整，洞室可處于穩(wěn)定狀態(tài)（不需支護）。然而大多數(shù)的地質(zhì)情況是較差的，即洞室經(jīng)過應(yīng)力調(diào)整后，如不支護，就會產(chǎn)生收斂變形，甚至失穩(wěn)（塌方），所以必須提供支護力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．由力學平衡方程可知，彈簧在P0作用時處于平衡狀態(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u=0時，P0=PE 即不允許圍巖變形，采用剛性支護，不經(jīng)濟；

　�。�2）當u↑時，PE↓；當u↓時，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(wěn)能力P=P0-PE=Ku；

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

　　四、要點

　　1．圍巖是受洞室開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+支護體系。