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1、高地应力软岩隧道大变形控制技术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乌鞘岭隧道岭脊地段变形控制技术 石家庄铁道学院石家庄铁道学院 第一章第一章 乌鞘岭隧道简况乌鞘岭隧道简况 乌鞘岭隧道设计为两座平行的单线隧道，两乌鞘岭隧道设计为两座平行的单线隧道，两 线间距线间距40m40m，隧道长，隧道长20.05km20.05km，基本为直线隧道，基本为直线隧道 ；隧道洞身最大埋深；隧道洞身最大埋深1100m1100m左右。右线隧道总工左右。右线隧道总工 期期2.52.5年。年。 隧道最大埋深约隧道最大埋深约1100m1100m，在岭脊约，在岭脊约7km7km范围范围 分布由四条区
2、域性大断层组成的宽大分布由四条区域性大断层组成的宽大“ “挤压构造挤压构造 带带” ”，地应力情况十分复杂。在，地应力情况十分复杂。在F4F4和和F7F7断层及影断层及影 响带、志留系板岩夹千枚岩地层，围岩破碎，洞响带、志留系板岩夹千枚岩地层，围岩破碎，洞 室自稳能力极差。室自稳能力极差。 隧道辅助坑道设计按工期为隧道辅助坑道设计按工期为2.52.5年考虑，设置年考虑，设置 有有1313座斜井和座斜井和1 1座竖井的施工方案，在施工中又结座竖井的施工方案，在施工中又结 合施组安排，又增加一座竖井合施组安排，又增加一座竖井( (主要用于通风主要用于通风) )和和 一座横洞，在一座横洞，在2004
3、2004年年4 4月月F7F7断层，又增设左、右线断层，又增设左、右线 迂回导坑。迂回导坑。 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3035mm/d 。 图1-2 F7断层支护变形情况 隧道衬砌结构隧道衬砌结构 采用复合式衬采用复合式衬 砌，在本隧道砌，在本隧道 最大的最大的F7F7活动活动 性断层地段性断层地段( (宽宽 度度800m800m) )，考，考 虑断层活动性虑断层活动性 及岩体十分破及岩体十分破 碎，按圆
4、形结碎，按圆形结 构断面构断面( (图图1-31-3) ) 进行设计进行设计 图1-3 F7断层圆形断面 其他地段根据围岩性质隧道采用椭圆形其他地段根据围岩性质隧道采用椭圆形( (图图1-41-4) ) 。 图1-4 椭圆形断面 第二章第二章 大变形机理大变形机理 软岩指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造软岩指强度低、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，单轴抗压胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层，单轴抗压 强度小于强度小于25MPa25MPa的岩石。的岩石。 2.1 2.1 高地应
5、力、软岩的概念高地应力、软岩的概念 (1)(1)软岩软岩 高地应力是一个相对的概念，它是相对于围岩强高地应力是一个相对的概念，它是相对于围岩强 度度( (R R b b ) )而言的。也就是说，当围岩内部的最大地而言的。也就是说，当围岩内部的最大地 应力应力 max max与围岩强度的比值 与围岩强度的比值R R b b/ / maxmax达到某一水平 达到某一水平 时，才能称为高地应力或极高应力，即：时，才能称为高地应力或极高应力，即： (2)(2)高地应力高地应力 围岩强度应力比围岩强度应力比= = (2-1)(2-1) 各级围岩在正常施工条件下都会产生一定的变形各级围岩在正常施工条件下都
6、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，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 容纳这些变形容纳这些变形 。 2.2 2.2 隧道大变形的概念隧道大变形的概念 围岩变形量超过正常规定围岩变形量超过正常规定(20cm)(20cm)的的2 2倍倍( (即即 40cm)40cm)时，可把围岩变形视为大变形时，可把围岩变形视为大变形 。 (a)(a)膨胀岩的作用膨胀岩的作用 (1)(1)大变形的成因大变形的成因 具有膨胀岩的围岩在一定条件下体积膨胀，具有膨胀岩的围岩在一定条件下
7、体积膨胀， 如粘土类矿物、蒙脱石、高岭土、伊利石、绿泥如粘土类矿物、蒙脱石、高岭土、伊利石、绿泥 石等吸水后体积可膨胀石等吸水后体积可膨胀10%20%10%20%。硬石膏遇水。硬石膏遇水 体积可增大体积可增大60%60%，芒硝遇水体积增加，芒硝遇水体积增加135%135%。有。有 的膨胀力可达的膨胀力可达2545kPa2545kPa。围岩膨胀使隧道周边产。围岩膨胀使隧道周边产 生大变形。生大变形。 (b)(b)高地应力作用下的软岩隧道挤压变形高地应力作用下的软岩隧道挤压变形 研究表明，当强度应力比小于研究表明，当强度应力比小于0.30.5 0.30.5时，即时，即 能产生比正常隧道开挖大一倍以
8、上的变形。此时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，加上塑性区的质点的移动，加上塑性区的“ “剪胀剪胀” ”作用，洞周将作用，洞周将 产生很大位移。圆形隧道弹塑性解析解也表明，产生很大位移。圆形隧道弹塑性解析解也表明， 当强度应力比小于当强度应力比小于2 2时洞周将产生塑性区，强度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。一个重要原因。这又称为高地应力的挤压作用。 国外几座典型的大
9、变形隧道如：国外几座典型的大变形隧道如： 奥地利的陶恩隧道奥地利的陶恩隧道( (长长6400m6400m，强度应力比，强度应力比 0.050.06)0.050.06)； 奥地利的阿尔贝格隧道奥地利的阿尔贝格隧道( (长长3980m3980m，强度应，强度应 力比力比0.10.2)0.10.2)； 日本的惠那山隧道日本的惠那山隧道IIII号线号线( (长长8635m8635m，强度，强度 应力比应力比0.10.33)0.10.33)； 我国南昆线著名的家竹箐隧道我国南昆线著名的家竹箐隧道( (长长4990m4990m ，强度应力比，强度应力比0.10.2)0.10.2) 都属于高地应力挤压性大变
10、形。都属于高地应力挤压性大变形。 (c) (c)局部水压及气压力的作用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 高或有地下气体高或有地下气体( (瓦斯等瓦斯等) )作用时，支护也会前半作用时，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。减小，变形也就停止，这种现象并不多见。 纯剪切破坏纯剪切破坏 (2)(2)围岩破坏形式围岩破坏形式 弯曲破坏弯曲破坏 剪切或滑动破坏剪切或滑动破坏 图2-1 挤出岩体中隧道破坏类型 (a)纯剪切破坏 (b)弯曲
11、破坏(c)剪切或滑动破坏 最大变形可达数最大变形可达数10cm10cm至至100cm100cm以上。家竹箐隧道以上。家竹箐隧道 初期支护周边位移曾达初期支护周边位移曾达210cm210cm，一般，一般80100cm80100cm，拱，拱 顶下沉顶下沉6080cm6080cm，隧道隆起，隧道隆起80cm80cm。堡子梁隧道排架。堡子梁隧道排架 下沉下沉120cm120cm，边墙向下挤进，边墙向下挤进3040cm3040cm。关角隧道底鼓。关角隧道底鼓 约约100cm100cm，边墙向内挤很大。乌鞘岭隧道岭脊段最大，边墙向内挤很大。乌鞘岭隧道岭脊段最大 水平收敛达水平收敛达1209mm1209mm
12、，最大拱顶下沉，最大拱顶下沉367mm367mm。平均累。平均累 计变形按计变形按F4F4、志留系板岩夹千枚岩、志留系板岩夹千枚岩、F7F7几区段分别几区段分别 为为90120mm90120mm、200400mm200400mm、150550mm150550mm。 2.3 2.3 大变形的基本特征大变形的基本特征 (1)(1)变形量大变形量大 家竹箐隧道初期支护变形速度达家竹箐隧道初期支护变形速度达34cm/d 34cm/d。 奥地利的陶恩隧道最大变形速度高达奥地利的陶恩隧道最大变形速度高达20cm/d20cm/d，一，一 般也达般也达510cm/d510cm/d。乌鞘岭隧道岭脊段变形量测开。
13、乌鞘岭隧道岭脊段变形量测开 始阶段变形速率最高达始阶段变形速率最高达167mm/d167mm/d，最大变形速率，最大变形速率 按按F4F4、F5F5、志留系板岩夹千枚岩、志留系板岩夹千枚岩、F7F7几区段分别几区段分别 可达可达73mm/d73mm/d、143mm/d143mm/d、165mm/d165mm/d、167mm/d167mm/d 。 (2)(2)变形速度高变形速度高 由于软弱围岩具有较高的流变性质和低强度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，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，一持续时间也较
14、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。日本惠那山隧道时间大于300300天，阿尔贝格隧天，阿尔贝格隧 道收敛时间为道收敛时间为100150d100150d。乌鞘岭隧道大变形区段。乌鞘岭隧道大变形区段 变形持续时间达变形持续时间达120d120d，一般要，一般要4050d4050d。 (3)(3)变形持续时间长变形持续时间长 喷层开裂、剥落；型钢拱架或格栅发生扭曲；底喷层开裂、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。部隆起；支护侵限；衬砌严重开裂等。 (4)(4)
15、支护破坏形式多样支护破坏形式多样 高地应力使坑道周边围岩的塑性区增加，破坏范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 围岩破坏范围可达围岩破坏范围可达5 5倍洞径。倍洞径。 (5)(5)围岩破坏范围大围岩破坏范围大 以圆形巷道在以圆形巷道在 1.01.0， v v = = HH 时的情况进行分析， 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 点的应力点的应力 r r 、 可用下式表示可用下式表示: : 2.4 2.4 大变形机理大变形机理 2.4.1 2.4.1 洞室周边产生塑性区的条件洞室周边产生塑性区的条件 (2-2)(2-2) 以以r r= =R R 0 0 代入代入(2-2)(2-2)式
