油气管道隧道穿越新奥法施工技术研究与应用

   目前油气输送管道隧道穿越工程施工技术经过几十年的发展越来越成熟,油气管道的普遍特点就是断面比较小,施工坡度不等,尤其是天然气管道,坡度较大,施工难度较大,施工的工序较复杂,有管墩支墩,踏步,电缆支架,排水系统,只能系统等。采用新技术新方法施工克服施工难题,加快施工进度是迫切求。采用新奥法(原文是New Austrian Tunnelling Method,简称NATM)施工的方法几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法。下面仅对新奥法施工作一简叙述。 
  关键词新奥法; 喷锚支护; 稳定性 
  我们组建了以技术骨干力量和现场的施工队伍组成了攻关小组,明确攻关目标,以及计划实施的步骤,根据小组成员的自身特点和优势进行任务分工,进行隧道新奥法施工的理论及实践研究。 
  1.新奥法施工特点 
  1.1及时性 
  新奥法施工采用喷锚支护为主手段,可以最大限度地紧跟开挖作业面施工,因此可以利用开挖施工面的时空效应,以限制支护前的变形发展,阻止围岩进入松动的状态,在必的情况下可以进行超前支护,加之喷射混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性,减轻支护的承载,增强了岩层的稳定性。 
  1.2封闭性 
  由于喷锚支护能及时施工,而且是全面密粘的支护,因此能及时有效地防止因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落,制止膨胀岩体的潮解和膨胀,保护原有岩体强度。 
  1.3粘结性 
  喷锚支护同围岩能全面粘结,防止造成较大范围的冒顶或片帮。从而保持围岩的稳定性。同时与围岩形成了一个共同工作的力学系统,具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用,从根本上改变了支架消极承担的弱点。提高围岩的粘结力C和内摩擦角,也就是提高了围岩的强度。 
  1.4柔性 
  喷锚支护属于柔性薄性支护,能够和围岩紧粘在一起共同作用,由于喷锚支护具有一定柔性,可以和围岩共同产生变形,在围岩中形成一定范围的非弹性变形区,并能有效控制允许围岩塑性区有适度的发展,使围岩的自承能力得以充分发挥。另一方面,喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩,对围岩产生越来越大的支护反力,能够抑制围岩产生过大变形,防止围岩发生松动破坏。 
  2.新奥法理论点及施工点 
  2.1新奥法与传统施工方法的区别传统方法认为巷道围岩是一种荷载,应用厚壁混凝土加以支护保护围岩。而新奥法认为围岩是一种承载机构,构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构(以喷射混凝土、锚杆为主手段)并使围岩与支护结构共同形成支撑环,来承受压力,并最大限度地保持围岩稳定,而不致松动破坏。 
  2.2保护巷道围岩自身的承载能力 
  新奥法施工在巷道开挖后采取了一系列综合性措施构筑防水层、围岩巷道排水;选择合理的断面形状尺寸;给支护留变形余量;开巷后及时做好支护、封闭围岩等,都是为保护巷道围岩的自身承载能力,使围岩的扰动影响控制在最小范围内,提高围岩强度。 
  2.3允许围岩由一定量的变形,以利于发挥围岩的固有强度。同时巷道的支护结构,也应具有预定的可缩量,以缓和巷道压力。 
  2.4新奥法施工过程中量测工作的特殊性。 
  由于岩体生成条件与地质作用的复杂性,施工条件的复杂性,以及对工程设计参数的精确求,得通过许多量测手段,在施工过程中对围岩动态和支护结构工作状态和支护结构工作状态进行监测。并用监测结果修改初步设计,指导施工。 
  2.5质量控制标准 
  2.5.1开挖壁面岩石的完整性用岩壁上炮孔痕迹率来衡量,炮孔痕迹率也称半孔率,为开挖壁面上的炮孔痕迹总长与炮孔总长的百分比率。对节理裂隙极发育的岩体,一般应使炮孔痕迹率达到10%~50%;节理裂隙中等发育者应达50%~80%;节理裂隙不发育者应达80%以上。围岩壁面不应有明显的爆生裂隙。 
  2.5.2围岩壁面平整度的允许误差为±15cm。 
  2.5.3在临空面上,由于岩石属于花岗岩,石头的强度较高坚硬的岩石,预裂缝宽度难以达到1cm。控制在1cm左右的范围,但是较软的岩石,通过实验(隧道洞口岩石为风化岩,石质较软)宽度有时控制在2cm以上。 
  2.6爆破点 
  装药结构 
  ①堵塞段 
  堵塞段的作用是延长爆生气体的作用时间,且保证孔口段只产生裂缝而不出现爆破漏斗,对深孔爆破该段长一般取0.5~1.5m。 
  ②孔底加强段 
  段长大体等于堵塞段。由于孔底受岩石夹持作用,故需用较大的线装药密度。 
  ③均匀装药段 
  该段一般为轴向间隔不偶合装药,并求沿孔轴线方向均匀分布。轴向间隔装药须用导爆索串联各药卷起爆。为保证孔壁不被粉碎,药卷应尽量置于孔的中心。国外一般用炮孔中心定位器定位,国内一般是将药卷及导爆索绑于竹片进行药卷定位。 
  ④起爆,为保证同时起爆,预裂爆破和光面爆破一般都用导爆索起爆,并通常采用分段并联法。由于光面爆破孔是最后起爆,导爆索有可能遭受超前破坏。为保证周边孔准爆,对光面爆破孔可采用高段延期雷管与导爆索的双重起爆法。 
  由上所述,新奥法的支护原则是围岩不仅是载物体,而且是承载结构;围岩承载圈和支护体组成巷道的统一体,是一个力学体系;巷道的开挖和支护都是为保持改善与提高围岩的自身支撑能力服务。 
  3.新奥法的主支护手段与施工顺序 
  新奥法是以喷射混凝土、锚杆支护为主支护手段,因锚杆喷射混凝土支护能够形成柔性薄层,与围岩紧密粘结的可缩性支护结构,允许围岩有一定的协调变形,而不使支护结构承受过大的压力。 
  施工顺序可以概括为开挖→初次支护→二次支护。 
  4.新奥法的缺点主有 
  4.1 实施不仅求有良好的施工组织和管理,也求技术人员和量测人员都十分熟练,没有这一点就易于发生错误; 
  4.2开挖暴露出的地质会立即改变其状态,因此求施工技术人员亲临现场,以便发现问题; 
  4.3监控量测需的时间和空间,往往给施工带来不便; 
  新奥法施工是从实际经验中总结出来的,又在不断实践经验中得以丰富其内容和进一步发展,新澳法施工推广以来,经过这么多年的运用,取得了较大的成就。 
  结论该施工方法不仅加快了工期和节约了费用,还有助于我单位工程管理、技术人员在类似工程建设中更好的实现技术管理和施工保证,为今后工程项目的质量、工期、效益提供了很好的参考价值。当然,新奥法也存在不少缺点,不过经过工程技术人员和科技工作者的共同努力一定可以把新奥法不断完善,在隧道工程施工中发挥更加重的作用。 
  参考文献 
  1 公路隧道施工技术规范.JTJF60-2009 
  2 爆破安全规程.(GB 6722-2011) 
  3 油气输送管道穿越工程施工规范.GB50424-2007