软岩大变形隧道

软岩大变形隧道施工(shīgōng)技术1共四十七页乌鞘岭隧道

岭脊地段

复杂(fùzá)应力条件下的变形控制技术研究2共四十七页项目(xiàngmù)概况兰新线兰武段地理位置(dìlǐwèizhì)示意图乌鞘岭隧道位于兰新铁路兰州至武威段，是新疆和甘肃河西地区通往内地的主要铁路通道，是亚欧大陆桥的重要组成部分。3共四十七页项目(xiàngmù)概况乌鞘岭隧道是我国铁路史上首次(shǒucì)长度突破20km、工期紧、辅助坑道多、是采用钻爆法施工进度最快的一条铁路隧道。乌鞘岭隧道地理位置示意图4共四十七页项目(xiàngmù)概况乌鞘岭隧道设计为两座单线隧道，单洞长20050m，线间距为40m；最大埋深约1050m。乌鞘岭隧道岭脊F4～F7之间长约7km，分布有四条大的区域性断层，为由四条区域性大断层组成的宽大“挤压(jǐyā)构造带”，工程地质及地应力情况非常复杂，施工中发生不同程度的大变形，尤其是F7和志留系地段。F7断层

F4断层

F6断层

F5断层

5共四十七页乌鞘岭隧道于2003年3月30日开工建设(jiànshè)，2006年3月30日右线隧道开通运营，2006年8月12日全线开通运营。项目(xiàngmù)概况6共四十七页

国内外隧道工程中，所遇到的挤压大变形不良地质(dìzhì)问题较多，如奥地利的陶恩隧道、阿尔贝格隧道、日本的惠那山隧道，国内的家竹菁隧道和大寨岭隧道等，其共同特点是围岩软弱、地应力较高、压强比高、变形大、变形时间长。国内外尚未形成挤压大变形机理及复杂应力变形控制技术的理论体系。

立项(lìxiànɡ)背景

7共四十七页从2004年4月，施工进入于F7活动性断层带、岭脊志留系地层等地段，均发生了不同(bùtónɡ)程度的大变形，有的初期支护侵入二次衬砌限界，有的喷混凝土破损开裂挤入、钢架扭曲变形、甚至发生坍塌等，安全风险倍增，施工严重受阻。F7断层最大拱顶下沉和水平收敛分别达1209mm和1053mm，一般300～700mm。岭脊志留系千枚岩地层区段隧道收敛变形达500～700mm。立项(lìxiànɡ)背景

8共四十七页因此，开展“乌鞘岭隧道岭脊地段复杂应力条件下的变形控制技术研究”课题，为该区段处理对策、安全施工及设计提供技术支持具有重要现实意义，为丰富挤压变形成因、处理对策及复杂应力条件下变形控制技术理论体系具有深远意义。乌鞘岭隧道大变形与国内外典型大变形隧道相比，具以下特点：

（1）大变形区段最长(7587m)（2）围岩强度应力比最低(0.031～0.063)（3）地质条件最复杂，具复杂和极高地应力条件（4）隧道贯通工期仅2.5年（右线开通工期3年），要求(yāoqiú)快速施工。立项(lìxiànɡ)背景

9共四十七页国内外现状(xiànzhuàng)

1陶恩(Tauern)隧道(suìdào)1970～1975年修建于奥地利，为双向行驶之公路隧道(单洞)，全长6400m，埋深600～1000m。新奥法的鼻祖Rabcewicz教授亲自主持该隧道的设计并参加施工。该隧道施工中在千枚岩和绿泥石地段发生了大变形，产生了50cm(一般)及120cm(最大)的位移，最大位移速度达20cm/d，是世界上第一座知名的大变形隧道。由于在陶恩隧道设计时对挤压性围岩缺乏经验，初期支护较弱(长4m锚杆，厚25cm喷混凝土，TH36@75钢架)。在洞壁发生大变形后，Rabcewicz采用了长锚杆(6～9m)、可缩钢架以及喷层预留纵缝等加强措施(这些措施至今仍在沿用)，对洞壁已侵入模注混凝土净空部位进行了危险的扩挖作业，据说工程非常艰难，但最后仍取得了成功。10共四十七页2阿尔贝格(Arlberg)隧道(suìdào)阿尔贝格隧道也在奥地利，系公路隧道，全长13980m。该隧道是紧接着陶恩隧道之后开工的(1974～1979年)，设计时已吸收了陶恩隧道的经验教训，所以虽然也是挤压性围岩隧道，但支护变形较小，施工较为顺利。隧道最大埋深740m，原始(yuánshǐ)地应力13MPa，围岩为千枚岩、片麻岩、含糜稜岩的片岩绿泥石等，抗压强度为1.2～2.9MPa。为防止大变形，设计时采用了强大的初期支护系统：厚20～25cm喷混凝土；可缩式@75钢架；6m长的@125cm锚杆。虽然如此，在局部地质较坏(岩层走向与隧道平行且有地下水)的地段，仍产生了20～35cm的支护位移，变形初速度达到4～6cm/d，最大达11.5cm/d。在增加了9～12m的长锚杆后，使变形初速度降为5cm/d。据统计，每延米隧道锚杆用量达420m。国内外现状

11共四十七页3惠那山(Enasan)隧道(suìdào)惠那山隧道为双洞隧道，在日本中央公路的两宫线上。Ⅰ号隧道先修，于1975年8月建成，全长8300m，是双向行驶(xíngshǐ)的公路隧道。后由于交通量的增加，1978年开工修建第二座隧道，即Ⅱ号隧道，该隧道全长8635m，于1985年建成。这两座隧道平行，通过的地层是一样的，其中有一个长400m的长平泽断层非常软弱，为风化的变质角页岩(已粘土化)，单轴抗压强度仅1.7～4.0MPa，该处埋深约400m。特别使人感兴趣的是，为通过这同一条断层，Ⅰ号隧道采用刚性支护，而Ⅱ号隧道采用新奥法的柔性支护，从而可进行效果对比。国内外现状

12共四十七页3惠那山(Enasan)隧道(suìdào)

Ⅰ号隧道采用的断面型式如图2-6。主洞开挖时先以0.8m间距安设重型钢架(H250)并辅以衬板，先后(xiānhòu)浇注二层模筑混凝土。由于变形很快而且数值大，钢架被大量破坏，因此在浇注第二层混凝土时又补充了H200钢架(@0.8m)。值得注意的是，虽然模筑混凝土衬砌总厚1.2m，而且加入了大量的重型钢架，衬砌仍然发生了大规模的开裂，最后不得不用钢纤维加筋混凝土来反复修补。吸收了Ⅰ号隧道的教训后，Ⅱ号隧道采用新奥法柔性初期支护。其特点是：采用长锚杆(设计长度为6m，施工时加长到9～13.5m)；预留变形量(上半部为50cm，下半部为30cm)；钢纤维喷混凝土(厚25cm)及可缩式钢架；二次衬砌为45cm厚的素混凝土。隧道断面见图2-7，最终发生的初期支护位移为20～25cm,最大56cm，说明长锚杆发挥了作用。国内外现状

13共四十七页14共四十七页4家竹箐隧道(suìdào)家竹箐隧道是我国南昆铁路上的著名险洞(单线铁路隧道)，以高瓦斯、高地应力、大涌水而著称。由于煤系地段软弱(Rb=1.7MPa)，且地应力较高(16.09MPa)，在390m长的地段内产生了大变形，洞壁位移60～80cm(最大160cm)，拱顶下沉接近100cm。之所以变形这么大，与设计阶段对大变形缺乏判断有关，当时(dàngshí)国内对高地应力挤压性围岩尚缺乏认识，以为只是一般的软弱地层，故只采用了一般标准的初期支护(这一点和陶恩隧道相似)。施工中的变更设计是：国内外现状

15共四十七页4家竹箐隧道(suìdào)(1)改善洞形，加大边墙曲率；(2)将预留变形量加大为45cm(拱)及25cm(墙)；(3)系统(xìtǒng)锚杆加长为8m(后期经应力量测，隧底锚杆减为4～7m)；(4)喷混凝土加厚(初喷20cm，复喷15cm)，设三道纵缝；(5)钢架改为U29可缩式；(6)双层模注混凝土衬砌，其中外层为55cm钢纤维配筋混凝土(主要受力结构)，内层为25cm钢纤维混凝土(安全储备)，两层之间为HDPE瓦斯隔离层。国内外现状

16共四十七页5木栅(mùshān)隧道木栅隧道位于台湾北部第二高速公路上，隧道穿越台北市南郊的木栅山区，全长1875m，为三车道公路隧道(断面150m2)。该隧道在通过潭湾大断层时，发生了大变形，拱顶下沉150cm以上，边墙(biānqiánɡ)内挤70cm。潭湾断层带宽75m，与隧道斜交，大变形地段长205m。由于初期仅采用常规的锚喷支护，故产生了严重的大变形。该隧道变形整治有一个特色，即应用了长大预应力锚索(图2-8)。锚索长15～17m，预拉力50t，但隧底采用长为9m之一般锚杆。通过锚索孔及锚杆孔向地层注浆加固围岩，而强大的锚索及锚杆使隧道趋于稳定。国内外现状

17共四十七页图2-8台湾木栅隧道(suìdào)预应力锚索示意5木栅(mùshān)隧道国内外现状

18共四十七页19共四十七页国内外现状(xiànzhuàng)

(1)先行导坑法，概念上是通过导坑发生先行位移，结果是推迟了支护结构的设置时间，从而减轻了作用在支护结构上的地压。(2)多重支护方法，在掌子面先设置第一层支护，而后在距掌子面后方3.0D以上的位置设置第二层支护，使隧道稳定的方法，基本上是不进行顶替的方法。本方法的概念是一次支护发生屈服，但因设置二次支护，地压和支护反力得到平衡。(3)可缩式支护方法，隧道开挖后及时施作支护，防止围岩松弛，隧道围岩压力增大，通过可缩式锚杆、可缩钢架等支护体系可形成更大的变形，释放围岩压力，保持(bǎochí)支护结构完整的围岩压力与支护抗力平衡。(4)分阶段综合控制法,系统锚杆和补强锚杆围岩加固，用锚杆分阶段控制围岩部分位移。同时钢架、分层喷射混凝土支护，分层施作二次衬砌。6隧道大变形控制设计理念3、柔性结构设计理念

20共四十七页国内外现状(xiànzhuàng)

(1)大刚度支护和衬砌结构采用掌子面超前长大锚杆和周边系统(xìtǒng)长大锚杆、大型钢架和大厚度喷射混凝土支护。该方法采用刚性更大的支护结构，来控制位移。也有在掌子面附近3m左右，浇注仰拱，甚至模筑混凝土结构到达早期闭合的工例。(2)大范围围岩加固法采用超前注浆或旋喷支护，深孔大范围注浆加固补强隧道周边和掌子面前方的围岩，力求在减轻支护土压的同时，使掌子面附近早期闭合而控制位移的方法。6隧道大变形控制设计理念3、刚性结构设计理念

21共四十七页总体(zǒngtǐ)思路

工程(gōngchéng)勘察、初步设计大变形机理分析高地应力软岩大变形控制技术地应力场研究围岩工程特性大变形控制快速施工技术大变形控制设计支护结构地应力场拓展分析地应力测试位移反分析围岩物理力学性质试验围岩流变特性分析选择试验结构形式支护结构受力分析常规变形测试支护压力、应力测试施工力学行为分析耐久性评价结构安全性、可靠性、大变形、支护侵限、施工严重受阻理论分析现场试验技术路线图22共四十七页主要技术(jìshù)内容及创新点

1.掌握(zhǎngwò)了区段复杂地应力场的形态与特点

乌鞘岭隧道F4～F7断层区段应力状态复杂，属于复杂（高）地应力区段。1主要技术内容23共四十七页主要技术(jìshù)内容及创新点

2.提出了复杂（高）地应力区段软弱软弱围岩物理(wùlǐ)力学指标1主要技术内容24共四十七页主要技术内容(nèiróng)及创新点

2.提出了复杂（高）地应力区段软弱软弱围岩物理力学(lìxué)指标1主要技术内容25共四十七页主要技术内容(nèiróng)及创新点

3.确定(quèdìng)了复杂（高）地应力区段隧道断面形式和支护、结构参数

F7工程活动性断层地段推荐采用圆形断面形式、中长锚杆、大刚度的多层支护，分期施作，合理预留每层变形量，先让后抗，钢筋混凝土二次衬砌；岭脊志留系千枚岩地层采用椭圆形断面形式、初期支护采用大刚度型钢支护、加大预留变形量，二次衬砌采用钢筋混凝土结构，并适当提前施做。1主要技术内容26共四十七页主要技术内容(nèiróng)及创新点

3.确定了复杂（高）地应力区段隧道断面(duànmiàn)形式和支护、结构参数F7断层圆形断面岭脊志留系椭圆形断面1主要技术内容27共四十七页主要(zhǔyào)技术内容及创新点

4.掌握了乌鞘岭隧道岭脊地段施工(shīgōng)大变形的机理和成因处于高及极高地应力场中的薄层破碎、软弱围岩在高地应力作用下（强度应力比0.031～0.063），围岩挤压紧密，开挖时挤入变形是导致隧道产生大变形的主要原因。根据实测变形时态曲线和围岩压力时态曲线，应用蠕变模型反演岩石流变参数，高地应力软岩区段具有显著的流变特性。隧道施工变形大、变形速率快、收敛持续长。1主要技术内容28共四十七页主要(zhǔyào)技术内容及创新点

5.建立了大变形(biànxíng)隧道的位移控制基准，提出了以综合系数为标准的大变形(biànxíng)分级标准及对应的防治措施1主要技术内容29共四十七页主要技术内容(nèiróng)及创新点

5.建立了大变形(biànxíng)隧道的位移控制基准，提出了以综合系数为标准的大变形(biànxíng)分级标准及对应的防治措施大变形的等级ⅠⅡⅢ相对变形(%)3～55～8＞8强度应力比0.5～0.250.25～0.15＜0.15原始地应力(MPa)5～1010～15＞15弹性模量(MPa)2000～15001500～1000＜1000综合系数α60～3030～15＜15围岩及支护特征开挖后洞壁围岩位移较大，持续时间较长；一般支护开裂或破损较严重开挖后围岩位移大，持续时间长；一般支护开裂或破损严重开挖后围岩位移很大，持续时间很长；一般支护开裂或破损很严重1主要技术内容30共四十七页主要技术内容(nèiróng)及创新点

5.建立了大变形隧道的位移控制基准，提出了以综合系数(xìshù)为标准的大变形分级标准及对应的防治措施

施工变形控制基准及防治措施位移管理基准

项目变形管理等级ⅠⅡⅢ变形管理变形速率比例<5%5%～10%＞10%施工状态可正常施工应加强支护或二次衬砌停工，并及时采取加固措施1主要技术内容31共四十七页主要(zhǔyào)技术内容及创新点

5.建立(jiànlì)了大变形隧道的位移控制基准，提出了以综合系数为标准的大变形分级标准及对应的防治措施措施内容大变形的等级ⅠⅡⅢ设计改善洞室形状—可采用采用初期支护锚杆、钢架、网、喷联合支护采用采用采用喷砼中掺钢纤维—必要时采用必要时采用补强长锚杆—可采用可采用H型钢——可采用预留变形量(mm)150～250250～350350～400多重、分次支护－可采用可采用二次衬砌钢筋混凝土采用采用采用施工加强监控量测采用采用采用短台阶、弱爆破、早封闭采用采用采用循环进尺(m)2～2.51～20.5～11主要技术内容32共四十七页主要技术内容(nèiróng)及创新点

6.形成了复杂（高）应力(yìnglì)条件下控制隧道大变形的快速施工方法1利用导坑进行应力释放

在埋深最大DK175+503～DK176+898地段，利用左线隧道位置的平行导坑释放应力。平行导坑的收敛变形为100～150mm，扩挖的收敛变形为250～300mm。为采用台阶法一次建成收敛变形的70～75%。

1主要技术内容33共四十七页主要(zhǔyào)技术内容及创新点

6.形成了复杂（高）应力(yìnglì)条件下控制隧道大变形的快速施工方法2多重支护控制应力释放

F7断层施工前期，隧道变形一般为500～700mm，最大日变形量为40mm/d左右，并发生侵限现象。采用多重支护法施工，边让边抗，隧道变形为150～350mm，最大日变形为20mm/d左右，初期支护变形得到有效控制。1主要技术内容34共四十七页主要(zhǔyào)技术内容及创新点

6.形成了复杂（高）应力条件下控制隧道大变形的快速施工(shīgōng)方法3适时施作二衬控制应力释放乌鞘岭隧道岭脊千枚岩地段、F7工程活动断层地段衬砌前的初期支护收敛变形速率平均为3～6mm，此时二次衬砌承担围岩压力25%～45%，二次衬砌的收敛变形为2～21mm，隧道结构均加强为钢筋混凝土衬砌。目前衬砌结构稳定，运营正常。

1主要技术内容35共四十七页主要技术内容(nèiróng)及创新点

6.形成了复杂（高）应力条件下控制隧道大变形(biànxíng)的快速施工方法4控制大变形的施工方法针对乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩变形的实际情况，提出了“短开挖、快封闭、强支护、快速成环、二衬适时紧跟”施工原则。首先选择合理的断面形状，留足预留变形量，超前支护，中等长度系统锚杆和少量补强锚杆加固围岩，多重支护或一次大刚度支护，适当提高衬砌刚度和提前施作衬砌。采用小导坑释放应力、快开挖、快支护和快封闭的挤压大变形综合控制技术。

1主要技术内容36共四十七页主要技术(jìshù)内容及创新点

7、首次开展了高地应力软弱(ruǎnruò)围岩施工动态管理1主要技术内容37共四十七页主要(zhǔyào)技术内容及创新点

8、首次在国内隧道开展了系统三维位移(wèiyí)测试及分析采用在三维测试断面相距前方开挖面约1.0倍洞室跨度时的纵向位移和竖直位移量测值，来计算各断面位于拱部测点处的位移向量方位角α并作出随断面里程的隧道位移向量方位趋势线，分别呈现出F7断层后期施工地段和板岩夹千枚岩地段在开挖前后的地层反应特性和变形特征，反映了测试地段岩体刚度的变化状况，并通过与隧道开挖揭露出的围岩地质状况进行对比分析。1主要技术内容38共四十七页主要技术内容(nèiróng)及创新点

9.对衬砌结构安全性、可靠性和耐久性进行(jìnxíng)了系统研究分析经隧道位移反分析成果、实测荷载的结构安全性分析和考虑时间效应的结构安全性分析，衬砌结构安全、洞室稳定，衬砌结构耐久性满足设计使用寿命。1主要技术内容39共四十七页主要(zhǔyào)技术内容及创新点

在线路方案合理比选范围内，越岭隧道无法绕避F7活动性断层的情况下，通过反复优化线路位置，尽量缩短了隧道通过活动性断层的长度，并委托国内最具权威的机构，从定性、定量上查明了该断层的活动性要素。在此基础上，选择抗震能力高的圆形断面结构；通过采用预留变形(biànxíng)量、分段吸收活动性断层变形(biànxíng)和释放地震潜能结构形式、预留补强空间和可调整的整体道床轨下结构设计理念，大幅提高了隧道结构的抗震能力，创造了以隧道穿越国内外罕遇的、长达827m的长大活动性断层的工程范例。2创新点1、创造了重大工程穿越国内外罕遇的工程活动性断层的工程范例40共四十七页主要(zhǔyào)技术内容及创新点

通过(tōngguò)地应力实测和拓展分析，掌握了岭脊地段复杂地应力场的形态和特征，通过(tōngguò)室内实验、原位测试和位移反演分析等手段，提出了岭脊软弱破碎围岩物理力学指标。据此，确定了岭脊复杂应力状态下的断面形式和结构支护参数；提出了复杂（高）地应力条件下控制大变形的快速施工方法，有效控制了岭脊地段大变形；提出了以综合系数为标准的大变形分级标准和位移控制基准；形成以理论分析、设计、大变形分级和位移控制基准、复杂（高）应力条件下控制大变形快速施工方法的系统技术。2创新点2、有效控制了岭脊地段长大段落软弱围岩大变形，形成了复杂（高）地应力条件下的软弱围岩控制大变形的系统技术41共四十七页主要(zhǔyào)技术内容及创新点

提出隧道总变形、实测变形、弹性(tánxìng)变形、前期丢失位移和极限位移的确定方法，给出了位移和位移速率控制的二次衬砌时机和位移