高地应力软岩隧道大变形控制技术

1. 高地应力软岩隧道大变形控制技术 乌鞘岭隧道岭脊地段变形控制技术 石家庄铁道学院

2. 第一章 乌鞘岭隧道简况

3. 乌鞘岭隧道设计为两座平行的单线隧道，两线间距40m，隧道长20.05km，基本为直线隧道；隧道洞身最大埋深1100m左右。右线隧道总工期2.5年。乌鞘岭隧道设计为两座平行的单线隧道，两线间距40m，隧道长20.05km，基本为直线隧道；隧道洞身最大埋深1100m左右。右线隧道总工期2.5年。 • 隧道最大埋深约1100m，在岭脊约7km范围分布由四条区域性大断层组成的宽大“挤压构造带”，地应力情况十分复杂。在F4和F7断层及影响带、志留系板岩夹千枚岩地层，围岩破碎，洞室自稳能力极差。

4. 隧道辅助坑道设计按工期为2.5年考虑，设置有13座斜井和1座竖井的施工方案，在施工中又结合施组安排，又增加一座竖井(主要用于通风)和一座横洞，在2004年4月F7断层，又增设左、右线迂回导坑。隧道辅助坑道设计按工期为2.5年考虑，设置有13座斜井和1座竖井的施工方案，在施工中又结合施组安排，又增加一座竖井(主要用于通风)和一座横洞，在2004年4月F7断层，又增设左、右线迂回导坑。

5. 图1-2F7断层支护变形情况 • 隧道施工进入F7工程活动性断层以后，发现初期支护变形速率加剧，初期支护出现掉块、开裂和挤压破坏等现象，隧道最大拱顶下沉和水平收敛分别达1209mm和1053mm，一般在300～700mm左右，初期变形速率一般在30～35mm/d。

6. 图1-3F7断层圆形断面 • 隧道衬砌结构采用复合式衬砌，在本隧道最大的F7活动性断层地段(宽度800m)，考虑断层活动性及岩体十分破碎，按圆形结构断面(图1-3)进行设计

7. 图1-4椭圆形断面 • 其他地段根据围岩性质隧道采用椭圆形(图1-4)。

8. 第二章 大变形机理 • 2.1 高地应力、软岩的概念 • (1)软岩 • 软岩指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著的裂隙岩体或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层，单轴抗压强度小于25MPa的岩石。

9. (2)高地应力 • 高地应力是一个相对的概念，它是相对于围岩强度(Rb)而言的。也就是说，当围岩内部的最大地应力σmax与围岩强度的比值Rb/σmax达到某一水平时，才能称为高地应力或极高应力，即： • (2-1) • 围岩强度应力比=

10. 2.2 隧道大变形的概念 • 各级围岩在正常施工条件下都会产生一定的变形，隧道施工规范、新奥法指南及衬砌标准设计等对各级围岩及各种支护结构都规定有不同的预留变形量以容纳这些变形 。 • 围岩变形量超过正常规定(20cm)的2倍(即＞40cm)时，可把围岩变形视为大变形 。

11. (1)大变形的成因 • (a)膨胀岩的作用 • 具有膨胀岩的围岩在一定条件下体积膨胀，如粘土类矿物、蒙脱石、高岭土、伊利石、绿泥石等吸水后体积可膨胀10%~20%。硬石膏遇水体积可增大60%，芒硝遇水体积增加135%。有的膨胀力可达25~45kPa。围岩膨胀使隧道周边产生大变形。

12. (b)高地应力作用下的软岩隧道挤压变形 • 研究表明，当强度应力比小于0.3~0.5时，即能产生比正常隧道开挖大一倍以上的变形。此时洞周将出现大范围的塑性区，随着开挖引起围岩质点的移动，加上塑性区的“剪胀”作用，洞周将产生很大位移。圆形隧道弹塑性解析解也表明，当强度应力比小于2时洞周将产生塑性区，强度应力比越小则塑性区越大。高地应力是大变形的一个重要原因。这又称为高地应力的挤压作用。

13. 国外几座典型的大变形隧道如： • 奥地利的陶恩隧道(长6400m，强度应力比 • 0.05~0.06)； • 奥地利的阿尔贝格隧道(长3980m，强度应 • 力比0.1~0.2)； • 日本的惠那山隧道II号线(长8635m，强度 • 应力比0.1~0.33)； • 我国南昆线著名的家竹箐隧道(长4990m，强度应力比0.1~0.2) • 都属于高地应力挤压性大变形。

14. (c)局部水压及气压力的作用 • 当支护和衬砌封闭较好，周边局部地下水升高或有地下气体(瓦斯等)作用时，支护也会前半生大变形。但随着支护开裂，水或气溢出，压力减小，变形也就停止，这种现象并不多见。

15. (a)纯剪切破坏 (b)弯曲破坏 (c)剪切或滑动破坏 图2-1 挤出岩体中隧道破坏类型 • (2)围岩破坏形式 • ①纯剪切破坏 • ②弯曲破坏 • ③剪切或滑动破坏

16. 2.3 大变形的基本特征 • (1)变形量大 • 最大变形可达数10cm至100cm以上。家竹箐隧道初期支护周边位移曾达210cm，一般80~100cm，拱顶下沉60~80cm，隧道隆起80cm。堡子梁隧道排架下沉120cm，边墙向下挤进30~40cm。关角隧道底鼓约100cm，边墙向内挤很大。乌鞘岭隧道岭脊段最大水平收敛达1209mm，最大拱顶下沉367mm。平均累计变形按F4、志留系板岩夹千枚岩、F7几区段分别为90~120mm、200~400mm、150~550mm。

17. (2)变形速度高 • 家竹箐隧道初期支护变形速度达3~4cm/d。奥地利的陶恩隧道最大变形速度高达20cm/d，一般也达5~10cm/d。乌鞘岭隧道岭脊段变形量测开始阶段变形速率最高达167mm/d，最大变形速率按F4、F5、志留系板岩夹千枚岩、F7几区段分别可达73mm/d、143mm/d、165mm/d、167mm/d。

18. (3)变形持续时间长 • 由于软弱围岩具有较高的流变性质和低强度，开挖后应力重分布的持续时间长。变形的收敛持续时间也较长。短者数十天，长者数百天，一般也需百多天。家竹箐隧道收敛时间在百天以上。日本惠那山隧道时间大于300天，阿尔贝格隧道收敛时间为100~150d。乌鞘岭隧道大变形区段变形持续时间达120d，一般要40~50d。

19. (4)支护破坏形式多样 • 喷层开裂、剥落；型钢拱架或格栅发生扭曲；底部隆起；支护侵限；衬砌严重开裂等。 • (5)围岩破坏范围大 • 高地应力使坑道周边围岩的塑性区增加，破坏范围增大。特别是支护不及时或结构刚度、强度不当时围岩破坏范围可达5倍洞径。

20. 2.4 大变形机理 • 2.4.1 洞室周边产生塑性区的条件 • 以圆形巷道在λ＝1.0，σv=σH时的情况进行分析，由弹性力学可知，如果处于弹性阶段，则围岩中任一点的应力σr、σθ可用下式表示: • (2-2) • 以r=R0代入(2-2)式，可得： • 所以当Rb/σv<2时，洞室周边将产生塑性变形。

21. 2.4.2 塑性区的影响因素分析 • 根据圆形均质地层塑性区半径的理论公式： • (2-3) • 由上式可知，当地应力P0增大时，塑性半径Rp也增大；当围岩抗压强度Rb=2ccosφ/(1-sinφ)减小时，塑性区半径也将增大。

22. 图2-2 塑性区半径与抗压强度及强度应力比的关系 30 25 20 Rp/m 15 10 5 0 Rb/MPa 0 5 10 15 20 25 强度应力比 0 0.5 1.0 1.5 2.0 F7断层区段 • (1)围岩抗压强度Rb及强度应力比Rb/σv • 图2-2为乌鞘岭隧道分区段塑性区半径与围岩抗压强度及强度应力比的关系，塑性区半径随围岩强度及强度应力比的增加而减小。

23. 图2-3 分区段塑性与地应力的关系 • (2)地应力P0 • 图2-3为乌鞘岭隧道分区段塑性区半径与地应力的关系，随地应力的增加，塑性区半径不断增加。

24. (a)λ=0.75 (b)λ=1.0 (c)λ=1.5 图2-4 F7断层区段不同侧压力系数的塑性区形状

25. 2.4.3 塑性半径与洞壁位移的关系 • 根据圆形均质地层洞壁位移的理论公式： • (2-4) • 图2-5为乌鞘岭隧道分区段洞壁位移与塑性区半径的关系，拱顶下沉与墙腰水平位移均与塑性区半径平方基本成线性关系 。 图2-5 洞壁位移与塑性区半径关系

26. 6 • 2.4.4 洞壁位移的影响因素 • (1)埋深 • 当仅考虑自重应力场时，隧道埋深与地应力成正比。 • 图2-6为各区段洞壁位移与埋深的关系，洞壁位移随埋深增加而增大， F7区段圆型隧道拱顶位移大于墙腰，其它区段马蹄型墙腰水平位移大于拱顶下沉。 图2-11 F7洞壁位移随埋深的变化规律

27. 图2-7 F7洞壁位移随强度应力比的变化规律 • (2)强度应力比 • 图2-7分别为乌鞘岭隧道分区段拱顶下沉及墙腰水平位移与强度应力比的关系曲线。

28. F4断层 影响带 主带 影响带 +290 +440 +640 +740 YDK170+250 +500 +750 YDK171+000 里程 图2-8 F4断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布 • 2.5 乌鞘岭隧道大变形规律 • 2.5.1 实测位移规律 • (1)变形沿隧道纵向分布

29. 板岩占50%~80% 千枚岩占60%~85% 兰州方向 武威方向 斜井开口 YDK175+330 变形/mm YDK174+500 YDK175+000 +500 +900 里程 图2-9 志留系板岩夹千枚岩区段右线隧道变形沿隧道纵向分布

30. F7断层 主带 影响带 影响带 变形/mm YDK176+800 YDK177+000 +200 +400 +600 +800 里程 图2-10 F7断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布

31. 2 2 • (2)分区段最大变形速率与累计变形量统计

32. 图2-11 最大变形速率与 累计变形的关系 最大变形速率/mm • (3)最大变形速率与累计变形的关系 • 在隧道工程监控量测中，除累计变形外，变形速率是另外一个进行围岩稳定性评价的重要判别指标。研究最大变形速率与累计变形的关系也是在施工初期阶段进行最终变形预测的方法之一。

33. 图2-12 F7断层围岩深部位移变化规律 • 2.5.2 计算位移规律 • (1)深部位移变化规律 • 洞周位移最大，随着围岩深度的增加，位移逐渐减少。由于地应力水平较高，围岩强度较低，大变形的围岩深度较大，基本上可达洞周10.0m左右。

34. 相对位移/% 相对位移/% F7拱顶竖向深部位移 F7水平深部位移 图2-13 各区段围岩深部位移相对变化量随深度变化规律 • (2)深部相对位移与洞室失稳形式 • 图2-13为乌鞘岭隧道各区段围岩深部位相对位移的分布规律。 • 可见，围岩内部位移和深部相邻两点相对位移沿深度变化曲线存在明显的拐点，说明围岩深部位移沿深度分布有突变发生。因此通过曲线拐点的分布规律可以判断出洞室周边围岩潜在的破坏范围。

35. 表2-3 为围岩深部位移相对变化量沿深度曲线拐点位置、塑性区范围和剪应力最大等值线范围统计 。 表2-3 曲线拐点位置、塑性区边缘和剪应力最大等值线位置距洞周距离/m

36. 第三章 大变形分级标准 • 3.1 国内外现状 • 大变形是相对正常变形而言的。铁路隧道设计规范、公路隧道设计规范、新奥法指南及衬砌标准设计等根据多年经验及统计，对各类围岩及各种支护结构都制订有不同的预留变形量(表3-1)以容纳这些正常变形。

37. 表3-1 预留变形量(mm)

38. (1)铁二院 喻渝从预留变形量出发，取上述正常值的2倍作为大变形的下限，即：隧道施工时，如果初期支护发生了大于25cm(单线隧道)和50cm(双线隧道)的位移，则认为发生了大变形。 (2)铁二局 表3-2 铁路隧道大变形的变形量划分表

39. (3)重庆交通学院 表3-3 公路隧道围岩大变形分级方案

40. (4)张祉道 表3-4 大变形等级之现场判定

41. 3.2 乌鞘岭隧道大变形分级标准 • 综合以往的各种大变形分级的标准及方法，并考虑乌鞘岭隧道的具体特点，采用综合指标判定法确定大变形分极标准。 • (1)位移量u • 《铁路隧道设计规范》，对于单线铁路隧道VI级围岩预留变形量上限为100mm(2005年规范VI级围岩预留变形量由设计确定)，考虑到乌鞘岭隧道大变形区段为V级围岩，且洞径大于一般的单线隧道 。

42. 确定三级划分标准如表3-5所示。 表3-5 按位移量的变形等级划分表 • (2)强度应力比Rb/σv • 强度应力比大小是隧道产生大变形的最直接因素，可以不考虑的影响，得表3-6所示分级标准 。 表3-6 按强度应力比的变形等级划分表

43. (3)原始地应力σv 对于挤压性围岩其抗压强度一般小于4.0MPa，如取Rb范围1.0~4.0MPa，[Rb/σv]λ＝0.75=0.4 ，则σv范围2.5~10MPa。结合工程实例，得表3-7。 表3-7 按原始地应力的变形等级划分表

44. (4)弹性模量E 弹性模量也是影响洞壁位移的重要因素，在其他条件不变时，弹性模量减小1倍，洞壁位移基本增大1倍。结合前述工程实例，得表3-8。 表3-8 按弹性模量的变形等级划分表

45. (5)综合系数α 考虑抗压强度、地应力、弹性模量及侧压力系数多个因素，定义 并结合工程实例及上述分析，得表3-9。 表3-9 按综合系数的变形等级划分表

46. (6)综合指标判定法 表3-10 变形等级划分的综合指标判定法

47. 3.3 不同大变形等级的防治措施 表3-11 不同大变形等级的防治措施

48. 第四章 围岩的物理力学参数试验与确定 • 4.1 取样室内试验与现场原位测试 • 采用取样室内试验与现场原位测试相结合的方法，对F7断层破碎带及志留系板岩夹千枚岩物理力学参数进行了综合测试。

49. 4.2 地应力测试 • 采用水压致裂法进行地应力测试，并取样进行岩石的物理力学试验。 • 4.3 围岩参数的位移反演 • 分别采用位移联图反分析法、典型类比分析法和有限元位移正反分析法不同的反分析法。

50. 4 - 1 表 围岩物理力学参数综合分析 (MPa) 地应力 重度 粘聚力 内摩擦 弹性模量 泊松比 区段 确定方法及依据 侧压力系数 3 (kN/m ) (kPa) ( ) (MPa) 角 ° 竖直 水平 17~20 50~200 20~27 0.35~0.45 1000~2000 0.30~0.50 《规范》建议值 24.79 60 25 0.33 11.0 0.493 室内和原位试验 11.2 地应力测试 F7 0.995 围岩压力测试 断层区段 687.5 15.78 0.883 位移反分析 17.5 1.14 地应力场模拟分析 24.7 9 60 25 0.33 1100 11.2 1.0 建议采用值 • 4.4 围岩物理力学参数的综合分析