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摘要：压气新奥法隧道施工具有解决地下水问题、减小地面沉陷、减低施工成本等优点，同时压气新奥法隧道施工必须准确掌握渗流场的分布与变化规律、施工环节的补气量及对地下水分布的影响，以提高气压的稳定性及施工的安全性。
关键词：压气新奥法隧道施工；渗流；施工原理；
一、概述
1.在存在地下水的不良岩土体中开挖隧道时，需要解决地下水的问题。第一，通过灌浆等方法改变岩土体的渗透系数；第二，通过井点排水等方法使地下水位低于工作面。此外还有冻结法和压缩空气法等。第一种方法主要是向岩土体中注入各种黏结剂来减小岩土体的渗透系数，以此达到防水的目的。由于注入的化学黏结剂一般会对环境造成各种影响，随着环境保护意识的增强，现在这种方法受到限制。第二种方法也是比较常用的一种方法，即采用排水井点抽取地下水以降低工作面附近的地下水位。但这种方法会扰动降水井点附近地下水的运动状态，一方面可能会使附近污染物的运动活跃，另一方面，由于大量抽取地下水，引起地下水位下降，造成河流、泉水枯竭，破坏城市景观，同时还会引起较大面积的地面沉降，危及已有建筑物的安全。过海、过江隧道遇到漏水严重的情况时，由于水流渗透梯度方向指向洞内，极易危及隧道的稳定和安全。
2.在欧美、中东及澳大利亚等地区，许多主要的隧道及沉箱工程作业中都使用了压气技术。根据文字纪录，英国于1851年最早使用压气隧道施工技术。压气隧道施工技术从发明到现在，在岩土工程的很多领域得到了成功应用。1979年德国慕尼黑地铁隧道施工中，使用了喷射混凝土与压缩空气相、结合的方法，并获得了成功。由于比较高的空气压力会危害工人的健康，压气隧道施工法在各国的应用逐渐受到了限制。许多国家对压气隧道施工的工作气压力大小作了规定，合法的工作气压一般为（3.0～3.5）x 105 Pa，大致与3.0～3.5个大气压相当。在这之后，压缩空气隧道施工技术沉寂了相当长一段时间。后来，压缩空气作为止水和减小地面沉降的一种手段，同新奥法结合之后又重新焕发出活力，到上个世纪末，已经有多个成功使用的案例。这种将压缩空气隧道施工技术与新奥法相结合的方法称为压气新奥法隧道施工技术。另外，压气式盾构法施工中也利用了与压气新奥法隧道施工技术类似的原理。由于两者利用压缩空气的重点原理类似，就目前的情况来看，文中只对压气新奥法施工技术中的渗流问题进行分析。无论是压气新奥法或压气盾构法施工技术，在城市隧道水下施工以及跨海、过江隧道施工中都是一种可行的选择。
3.随着我国经济飞速发展，城市交通面临着严峻压力，在这种情况下，各大中城市纷纷规划或上马了一系列的地铁或城铁工程。另外，一些跨海、过江隧道也在规划或开始施工，这也为隧道施工技术的发展提供了良好的平台。从技术的观点来看，现代工程师已经采用了各种各样的方法来解决隧道施工中遇到的各种难题。但对于浅埋、同时对岩土一环境方面要求严格的城铁或地铁等隧道施工来说，这些问题仍然很棘手，而压气隧道施工技术则可以很好地解决这些问题。例如，2017年6月底至7月初，沪昆高铁贵州段连续发生多起危及行车安全，干扰运输秩序，影响运输效率和效益的质量问题。“原设计时速300km/h的中国高铁最大跨度桥梁——北盘江特大桥两侧隧道渗水严重，动车至此必须限速至70km/h低速通过；此前，沪昆高铁湖南段也曾被媒体曝光大量使用不合格设备材料，后被上级部门勒令进行整改。”经过铁路总公司组成专项检查组，对沪昆高铁贵州段部分隧道质量问题进行调查，发现个别隧道存在偷工减料、内业资料弄虚作假等严重质量问题。
二、压气新奥法隧道施工的原理
压气新奥法隧道施工是指隧道内部以施加超压Pr来规避地下水向隧道渗流的问题，以保持气压与水压间的动态平衡，并最终达到止水的目的。研究证实，压气新奥法隧道施工所用的材料不属腐蚀性的化学材料，同时对周围的地下水环境亦无任何改变性作用，此外若周围环境具有较高的施工要求，那么压气新奥法隧道施工方法的应用具有可行性。上述研究内容可知，压气新奥法隧道施工方法具有诸多优点，即改变土体的有效应力状态；减小地面沉降量；降低土的比重及减小隧道荷载；对隧道掌子面起支撑作用等，因此压气新奥法已被全面应用到城市隧道施工领域。压气新奥法隧道施工过程，隧道内压缩空气的超压作用可使隧道内的空气经喷射混凝土衬砌及隧道掌子面泄露至外部空间。实际施工过程，若要使隧道内压力与工作要求的压力相符，那么必须准确确定出隧道内的供气量及超压大小，此乃压气新奥法隧道施工技术被成功使用的前提，同时此类问题的解决方法尚无定数。若从实际工程方面而言，压气新奥法隧道施工技术可被看作科学与艺术协调发展的产物，同时实际设计方面压力及耗气量的确定尚无可靠的方法，因此解答与压气新奥法隧道施工技术有关的问题同样存有难度，而此尬尴局面主要因未全面了解隧道四周水及气体的渗漏场所致。但需注意并非实际施工过程，压气新奥法隧道施工技术的经验性能够直接消除对隧道稳定性及排水的正确理解。
三、压气新奥法隧道施工的研究现状
压气新奥法的使用时间已相当长，因此实际施工方面所积累的经验十分丰富。压气新奥法隧道施工的影响因素相当多，因此必须高度重视所应当考虑的问题，同时因为压气新奥法隧道施工涉及到压缩空气问题，所以必须着重考虑压缩空气的影响。针对压气新奥法隧道施工所涉及的诸多影响因素，具体包括漏气量的准确确定、压缩空气影响区域的确定两大关键性问题，其中对漏气量的准确确定可实现对工作气压及供气装置的确定；对压缩空气影响区域的确定可实现对施工段沿线建筑物被影响程度的掌握。实际施工过程目前已积累众多有关漏气量估算的经验公式，若从压气新奥法而言，工程师必须如期完成相关准备工作，即确定出漏气量的最大值；确定出正常工作压被维持所需的供气设施，其中施工过程气闸、管道接头、管路等属主要的漏气地方，具体以掌子面尤甚。
四、数值模拟
压气新奥法隧道施工物理方面极具复杂性，外加采用经典气体定律来分析土体内气体的运动尚存有较大困难，所以最好采用数值模拟的方法来解答上述问题。本章节主要介绍数值模拟的控制方程式及工作气压、漏气量的计算。
2.工作气压及漏气量的计算，研究证实，漏气量的正确估算对压气新奥法隧道施工技术的有效应用至关重要。主要用来估算隧道正常工作所需的补气量，因此表现出计算简单便捷的优点，但却难以有效反映出压缩空气的影响区域及衬砌、土体的性质。不同经验公式的估算值间存有较大差异，其中隧道底拱距地下水位的距离与不同经验公式间的差异呈正相关。若隧道底拱距地下水位的距离＜13m，那么两种经验公式的估算值均较有限元解小；若隧道底拱距地下水位的距离＞13m，那么两种经验公式与有限元解间必定存有较大的差异，可见W•Schenck等提出的经验公式的估算值更接近数值解。
参考文献：
[1]张锦.浅谈新奥法在隧道施工中的应用.2016.
[2]刘毅敏.用新奥法理论解析隧道施工中的几种错误看法.2017.
论文作者:冀荷黎
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/9
标签：隧道论文; 新奥论文; 压缩空气论文; 施工技术论文; 地下水论文; 气压论文; 岩土论文; 《基层建设》2018年第15期论文;