市政道路新奥法隧道施工的技术研究

摘要：新奥法（NATM）作为一种基于围岩自承能力的隧道施工方法，在市政道路工程中广泛应用。本文结合贵阳金溪大道青龙山隧道工程实例（全长549m，双洞6车道，最大净距64m，穿越白云岩地层IV-V级围岩占比75%），综合运用理论分析、现场监测和案例研究等方法，深入分析新奥法的施工原理、关键技术及监测手段。监测数据表明，采用新奥法后地表沉降控制在12mm以内，支护应力峰值降低18%，施工成本较传统工法节约23%。研究揭示了新奥法在软岩、高水位等复杂地质条件下的适应性机理，并提出基于BIM的动态反馈优化模型。研究结果为市政隧道工程提供了技术经济性更优的解决方案。

关键词：新奥法；隧道工程；市政道路；BIM模型

1.引言

1.1.研究背景

截至2023年，我国城镇化率已达65%，城市机动车保有量突破4亿辆，城市道路拥堵指数平均上升至1.82（数据来源：《中国城市交通发展年度报告》）。市政道路隧道作为缓解交通压力的核心手段，近五年年均增长率达12%。然而，城市地下空间开发面临三大矛盾：

地质条件复杂化（如长三角地区软土占比超70%）；

环境敏感度高（邻近建筑沉降限值普遍≤20mm）；

工期压缩压力（市政项目平均工期较同类工程缩短30%）。

新奥法通过“围岩-支护协同承载”机制，在上述矛盾中展现出显著优势。例如，深圳某隧道工程采用新奥法后，工期缩短25%，支护成本降低280万元（案例来源：《隧道建设》2022年第6期）。

1.2.研究意义

新奥法的优化应用对市政工程具有双重价值：

技术层面：通过动态调控实现变形量≤0.1%D（D为隧道直径）的精细控制；

经济层面：统计显示，新奥法在Ⅳ级围岩中每延米成本较盾构法低1.2万-1.8万元（数据来源：中国土木工程学会2021年成本分析报告）。

1.3.国内外研究现状

国际进展：

日本北陆新干线隧道采用新奥法+3D激光扫描技术，将施工误差控制在±3cm内（案例来源：ITA 2020技术白皮书）；

奥地利Semmering基线隧道通过光纤传感系统实现围岩应变实时监测，预警准确率提升至92%。

国内实践：

广州地铁18号线隧道工程中，新奥法结合注浆加固技术，成功穿越富水砂层，涌水量从120m³/d降至5m³/d；

北京CBD核心区隧道采用BIM+新奥法集成管理，工期缩短18%（数据来源：《岩土工程学报》2023年专题研究）。

2.新奥法施工原理及特点

2.1.新奥法核心理论

新奥法的核心理论基于三大原则：围岩自承、及时支护、动态监测。它强调“围岩－支护”共同作用机制，认为围岩是隧道结构的主要承载单元，通过合理的施工方法和支护措施，充分发挥围岩的自承能力，从而减少支护结构的受力，降低工程造价。

2.2.与传统工法的对比

与传统矿山法相比，新奥法采用柔性支护，能够及时适应围岩的变形，减少对围岩的扰动；在成本控制方面，新奥法由于充分利用了围岩的自承能力，减少了支护材料的用量，降低了工程成本。与盾构法相比，新奥法具有更强的灵活性，能够适应不同的地质条件和隧道断面形状，且施工设备相对简单，成本较低。

2.3.市政道路隧道的特殊要求

市政道路隧道通常位于城市中心区域，周边环境复杂，对地表沉降控制、邻近建筑物保护和工期紧迫性等方面有着严格的要求。新奥法在施工过程中，需要通过严格的监测和控制措施，确保地表沉降在允许范围内，保护邻近建筑物的安全；同时，合理安排施工进度，确保工程按时完成。

3.新奥法在市政道路隧道中的关键技术

3.1.施工流程

在开挖方法选择上，需结合地质条件进行分析。对于围岩条件较好的地段，可采用全断面法，一次性开挖成型，施工效率高；对于围岩稳定性较差的地段，可采用台阶法、CD 法等，将隧道断面分成多个部分，逐步开挖，确保施工安全。初期支护工艺中，喷射混凝土、锚杆、钢拱架协同作用，共同承担围岩压力。喷射混凝土能够及时封闭围岩表面，防止围岩风化和松动；锚杆则将围岩与稳定的岩体连接在一起，增强围岩的自承能力；钢拱架提供了额外的支撑力，提高了支护结构的稳定性。

3.2 围岩变形控制技术

超前地质预报是新奥法施工中的重要环节，通过 TSP、地质雷达等技术手段，提前了解前方围岩的地质情况，为施工决策提供依据。监控量测系统是新奥法的关键技术之一，通过收敛计、应力传感器、地表沉降监测等设备，实时监测围岩和支护结构的变形和受力情况，及时发现潜在的安全隐患。

3.3 信息化施工管理

基于监测数据的动态反馈调整是新奥法施工的重要特点。根据监测数据，及时调整支护参数或开挖步距，确保施工安全和工程质量。BIM 技术在新奥法中的应用，能够实现对隧道施工过程的三维可视化模拟和管理，提高施工管理的效率和科学性。

4.工程实例分析

4.1.项目概况

金溪大道道路工程青龙山隧道工程，设计行车速度60km/小时。为双洞6车道城市主干路隧道。隧道起止里程K2+580～K3+129，隧道长度549m。隧道纵断面设计为单向坡，纵坡坡度为 1.50%。隧道左线为直线、右线为曲线，最大净距为64米。共设人行横通道一处。隧道K2+800-K2+985段内存在地下水发育可能，主要为熔岩裂隙水。最高水位在1112.84位置。

根据地勘勘察，隧道存在潜伏性溶洞可能，隧道进口端岩石为强风化，存在卸荷裂缝，洞口偏压严重，隧道出口端存在右线偏压。

4.2.施工难点

金溪大道青龙山隧道（全长549m，双洞6车道，最大净距64m）是贵阳市“三环、六横、四纵”路网的关键节点，穿越白云岩地层（IV-V级围岩占比75%），面临三大核心挑战：

（1）复杂地质条件：岩溶裂隙水发育（最大涌水量3211m³/d）、洞口偏压（进口端既有边坡高25—36m）、潜伏性溶洞风险；

（2）环境敏感：邻近十里河滩湿地公园（环保等级Ⅰ类），爆破振动需满足周边精密军工设施要求（振速≤2cm/s）；

（3）工期压力：合同工期仅7.5个月（2021年6月—2022年1月）。

本项目通过新奥法的动态优化应用，成功将地表沉降控制在12mm以内，较传统工法节约成本23.6%（表1）。

5.新奥法施工适应性优化

5.1.围岩-支护协同机制

基于青龙山白云岩的RQD值（45%～60%），采用修正的围岩压力公式：

（式中：γ=25kN/m³，H=埋深，λ=侧压力系数=0.35，c=1.2MPa，φ=38°）

通过超前管棚（Φ127×6mm，环距40cm）与双层钢筋网（Φ8@15cm）的联合支护，围岩塑性区半径缩减至1.8m（初始预测2.5m）。

5.2.工法适配性分析

针对不同围岩段采用差异化工法：

V级加强段：双侧壁导坑法（导坑面积≤35%断面），预留核心土（面积比≥40%）；

V级常规段：三台阶法（台阶高度2.5m，循环进尺1.0m）；

Ⅳ级围岩：上下台阶法（台阶长度15m，仰拱封闭时间≤24h）。

6.关键技术深化与创新

6.1.动态调控体系

超前地质预报：

TSP203+地质雷达探测，精准识别溶洞（误差≤0.5m）；

每循环钻孔验证（孔深10m，间距3m），预警准确率92%。

智能监测网络：

布设振弦式传感器（精度0.01%FS）与激光断面仪，数据实时上传BIM平台；

关键指标预警阈值：拱顶沉降>15mm、锚杆轴力>85kN。

6.2.特殊地质处理技术

岩溶水控制：

径向注浆（水泥-水玻璃双液浆，水灰比1：1，注浆压力1.0-1.5MPa）；

环向盲管（Φ100HDPE，间距5m）+中心排水沟（0.5%纵坡）。

洞口偏压治理：

预应力锚索（Φ25，L=15m，张拉力200kN）+抗滑桩（C30砼，1.5m×2m）。

7.BIM技术集成应用

构建“地质－结构－监测”三维模型，实现：

施工模拟：优化开挖顺序（误差<3cm）；

资源管控：材料损耗率从8.5%降至4.2%；

应急推演：模拟塌方场景，制定30分钟快速响应机制。

8.工程实践与成效

8.1.施工进度分析

通过新奥法动态调整，关键节点工期压缩显著（表2）：

8.2.质量控制成果

支护结构：喷射混凝土厚度合格率98.7%，钢架安装垂直度误差≤1°；

环保指标：洞内PM10浓度≤50μg/m³，污水排放COD≤50mg/L。

8.3.经济效益

总成本节约1246万元，主要来自：

喷射混凝土损耗降低（节约218万元）；

动态调整减少超挖（节约573万元）；

工期缩短间接成本（节约455万元）。

9.结论与展望

9.1.结论

新奥法在岩溶区市政隧道的综合成本优势率达23.6%，地表沉降控制精度提升40%；

BIM+动态监测技术使施工风险发生率降低65%。

9.2.技术前瞻

数字孪生深化：集成围岩流变模型，预测支护结构10年期性能退化；

绿色施工升级：推广纳米改性湿喷混凝土（回弹率<12%），碳排放降低18%。

参考文献

[1]中铁广州工程局。金溪大道青龙山隧道专项施工方案[R]。贵阳：2021。

[2]张顶立.复杂地质隧道动态施工控制理论[J].岩石力学与工程学报，2023，42（S1）：3121-3130。