乌鞘岭隧道软岩大变形防治技术问题探讨2005323111356983

12 乌鞘岭隧道软岩大变形防治技术问题探讨铁道第二勘察设计院卿三惠黄润秋摘要我国正在修建中国隧道之冠的乌鞘岭特长铁路隧道全长20050m，隧道中部通过祁连山断褶带内F4～F7断层“挤压构造带”长约8000m的岭脊地段，在深埋高地应力的作用下，施工中于F7活动断层泥砾带及千枚岩夹板岩等软岩地段发生了严重的围岩大变形，最大变形量达1000mm以上，致使强大的初期支护遭受破坏并严重侵入隧道衬砌净空，不得不将初期支护全部或部分折除重做。

文章分析了隧道围岩发生大变形原因，指出了隧道设计与施工中存在的问题，探讨了隧道大变形防治技术措施，并对乌鞘岭隧道的建设提出了建议，供有关部门决策及工程技术人员参考。

关键词深埋隧道高地应力软岩变形防治措施建议1 前言[1]～[3]我国正在修建的乌鞘岭特长铁路隧道全长20050m，位于改建铁路兰（州）新（疆）线打柴沟车站和龙沟车站之间，隧道洞身最大埋深1100m。

设计为左、右两个单线隧道，线间距40m。

由于工期紧迫，设计采取“长隧短打”措施，增设了13个斜井、一个竖井共14个辅助坑道，均采用复合衬砌，钻爆法施工。

该隧道地处祁连山断褶带高地应力区，其中部通过长约8000m的岭脊地段，是一个由主体走向为北北西向展布的F4～F7四条区域性压性大断层构成的“挤压构造带”。

在此带中分布的地层为奥陶系安山岩、志留系千枚岩夹板岩、三叠系砂岩夹页岩及薄层煤、加里东期侵入闪长岩及各断层带中的构造碎裂岩、泥砾岩等，工程地质条件复杂（见图1）。

在深埋（450～1100m）高地应力（15～33MPa）作用下，围岩压力大，特别是隧道通过F7活动断层泥砾带及千枚岩夹板岩等软弱围岩地段发生了严重的大变形，最大变形量达1000mm以上（见表1），致使初期支护破坏并严重侵入隧道衬砌净空，不得不将初期支护全部或部分拆除重做，工程进度严重受阻。

因此，分析隧道围岩大变形原因，探讨研究隧道大变形防治技术，对隧道设计与施工具有重要意义。

2 乌鞘岭隧道工程地质纵图1 乌鞘岭隧道工程地质断面示意图13乌鞘岭隧道软弱围岩变形观测资料 表12 隧道软岩大变形原因分析 2.1 地应力场对隧道变形的影响根据中国地震局地壳应力研究所《乌鞘岭特长隧道水压致裂地应力测量报告》[4]资料统计分析，在隧道标高（2550～2600m ）附近最大水平主应力σH 达32.84MPa ，一般为15～25MPa 。

按照GB/50218-94《工程岩体分类标准》[5]判据（R c /σH ＜4 时为极高地应力；4＜R c /σH ＜7时为高地应力；7＜Rc/σH 时为低地应力﹚，根据统计分析结果判定隧道处于高地应力区。

地应力场最大水平主应力S H 的方向（N220E ）与隧道洞轴线方向（N170W ）的夹角为390，致使作用在隧道侧壁上的压应力比二者平行时增大了1/3。

因此，乌鞘岭隧道通过易变形的千枚岩夹板岩、F7断层泥砾等软弱围岩地段，隧道侧壁压应力较大，致使隧道发生了严重的挤压性变形破坏。

2.2 围岩强度对隧道变形的影响乌鞘岭隧道中部穿过长约8000m 的岭脊地段（埋深450～1100m ），是由F4～F7四条区域性压性大断层构成的“挤压构造带”，在此带中分布的地层有奥陶系安山岩、三叠系砂岩夹页岩、志留系千枚岩夹板岩、加里东期闪长岩及各断层带中的构造碎裂岩、泥砾岩等。

各种岩石的抗压强度差异较大，开挖后围岩的变形程度也明显不同。

根据岩石（岩体）变形破坏理论[6]，当围岩压力超过某种岩石（岩体）的极限抗压强度时，岩石（岩体）将发生变形破坏。

由于千枚岩及F7断层带受构造影响严重，节理裂隙发育，岩体破碎呈散体状结构，其抗压强度（2.5～3 MPa ）远低于三叠系砂岩、粉砂岩、奥陶系安山岩、闪长岩的抗压强度（80～170MPa ），属软弱围岩，施工开挖后围岩易松弛而发生塑性变形。

由此可知，软弱围岩是乌鞘岭隧道发生大变形的主要物质因素。

2.3 围岩加固措施对隧道变形的影响 隧道发生大变形后，采用地震折射层分析法对隧道通过的F4、F7断层带及千枚岩夹板岩地段进行围岩松动圈（塑性变形区，下同）的测试资料[2]表明，千枚岩夹板岩地段的围岩松动圈厚度最大值为3.1m ；F4断层带围岩松动圈厚度最大值为4.5m ；F7断层带围岩松动圈厚度最大范围值为 4.8～7.9m 。

而从隧道修改预设计加固Ⅴ、Ⅵ级围岩的拱墙锚杆长度分别只有3m 、4m 长的情况分析可判断，该隧道设计通过Ⅴ～Ⅵ级软弱围岩地段的加固力度不足，拱墙锚杆的长度偏短，大部分锚杆未打入松动圈外稳定岩层中形成围岩加固圈，对控制围岩的松弛变形范围不利。

同时，设计预留变形量8～10cm 也显偏小。

尽管Ⅴ、Ⅵ级围岩地段设置工20拱墙刚架间距达1榀/m ～3榀/2m ，也不足以抵抗巨大的围岩压力，因而使位于高地应力区的F7断层泥砾带及千枚岩夹板岩地段（属Ⅴ～Ⅵ级围岩）的初期支护发生大变形而严重侵入了隧道衬砌净空。

2.4 施工方法对隧道变形的影响隧道围岩变形量的大小除与客观地质条件及控制变形的初期支护措施有关外，也与施工手段有关。

该隧道施工期间，由于工期紧迫，施工急于赶工作业，盲目追求施工开挖进度，对软弱围岩的特性认识不足，预防软岩变形措施力度不够，锚喷支护体系不配套或未及时施作到位，变形监测不规范或不及时，衬砌滞后掌子面距离太远等施工行为，对F7断层带及千枚岩夹板岩地段围岩14的大变形有直接影响。

综上所述，深埋高地应力及软弱围岩是隧道产生大变形的内因，初期支护力度不足及施工方法不当等因素是外因，二者共同作用产生了隧道围岩大变形。

3 隧道变形与初期支护变形破坏规律 （1）F7断层带以断层泥砾岩为主，已开挖500 m 多段未见地下水，有一定的自稳能力。

根据有关变形观测资料[7][8]，从力学性质上分析，F7断层带的围岩大变形表现为深埋高地应力条件下的挤压-松弛型变形，即深埋、挤入、松弛产生了大变形，变形量较大，变形速率初期小，随着时间的推移而逐渐增大，而后又变小再趋于稳定。

千枚岩夹板岩地段有囊状、窝状地下水，围岩大变形表现为深埋高地应力条件下的松弛-挤压型变形，即深埋、松弛、挤入产生了变形，变形量比F7断层带的变形量小；变形速率初期大，随着时间的推移而逐渐减小，而后趋于稳定。

（2）F7断层带与千枚岩夹板岩地段，隧道侧壁水平收敛量一般大于拱顶下沉量，说明隧道区总体上以水平地应力为主，且水平地应力大于垂直地应力。

（3）现场监测9号斜井工区正洞千枚岩夹板岩地段隧道初期支护体系（锚、网、喷、钢拱架）变形破坏规律表明：当变形量达150～250mm 时，拱部喷射混凝土开始出现微裂纹；当变形量达250～350mm 时，拱部喷射混凝土开始出现龟裂；当变形量达350～450mm 时，拱部喷射混凝土开始出现局部掉快；当变形量达450～600mm 时，工字钢架开始变形，继续发展将发生坍方。

4 乌鞘岭隧道设计与施工有关问题的思考4.1 软弱破碎围岩物理力学参数取值问题乌鞘岭隧道经过F7活动大断裂及千枚岩夹板岩地段，属挤压性围岩大变形段。

因岩质软弱破碎，现场取样和室内制样都十分困难，目前取得物理力学参数资料甚少，对隧道结构检算缺乏可靠的地质参数，仅取经验值计算存在一定安全风险。

4.2 软弱破碎围岩地应力问题目前乌鞘岭隧道围岩地应力测试仅见8号斜井内志留系板岩为主的一处水压致裂法测试资料，其它5处地应力均是在三叠系、白垩系砂岩为主的地层中测试的，而发生大变形的F7活动断层泥砾带及千枚岩地层中却无地应力测试资料。

原因是现今国际上通用的地应力测试方法（如水压致裂法、应力解除法、应力恢复法、声发射法等）都要求岩石有较好的完整性，在软弱破碎围岩中测试地应力十分困难。

因此，如何考虑F7活动断层泥砾带、千枚岩等软弱岩层中的地应力问题值得探索研究。

4.3 地应力与衬砌结构相互作用问题 复杂地应力与支护衬砌结构相互作用荷载计算，是乌鞘岭隧道目前遇到的关键技术难题。

由于复杂地应力与支护衬砌结构相互作用机理，目前国内外研究甚少，还未找到合适的荷载计算方法。

为此，建设单位邀请有关专家多次论证后，决定通过开展软弱破碎围岩物理力学参数的原位测试及工程试验段支护衬砌结构应力应变的测试，反演分析计算支护参数及衬砌结构强度，评价隧道结构的安全性，目前正在进行测试研究工作。

在预设计本隧道结构计算分析中，按现行《隧道设计规范》规定考虑地应力影响，将Ⅳ～Ⅴ级围岩降为Ⅴ～Ⅵ级围岩计算，而未考虑高应力比条件下的侧压力系数λ等因素的影响，有待进一步研究。

4.4 围岩加固问题如前分析，该隧道修改预设计对Ⅴ、Ⅵ级围岩的加固力度不足，拱墙锚杆的长度偏短（分别只有3m 、4m ），大部分锚杆未打入松动圈外稳定岩层中形成围岩加固圈，对控制围岩的松弛变形范围不利。

因此，应将加固围岩作为主动控制变形的主要手段，适当加大拱墙锚杆长度，控制软弱围岩松弛变形范围，减少作用于被动控制变形的初期支15护及衬砌结构上的荷载，以节省工程投资。

4.5 预留变形量与衬砌结构安全问题 目前为赶工期节省施工时间，对Ⅴ、Ⅵ级围岩地段，变更设计预留变形量10～25cm 仍然偏小，不足以释放深埋高地应力条件下的围岩挤入变形。

施工中采取衬砌紧跟掌子面及时“强支硬顶”措施，对防止围岩大变形或塌方有有利的一面，但衬砌结构早期受力较大，存在衬砌未来开裂风险。

如9号斜井工区正洞千枚岩夹板岩地层中局部施作的50cm 厚的钢筋混凝土衬砌发生开裂，F5断层带YDK170+294～+528已发生5处50cm 厚钢筋混凝土衬砌开裂等事实，充分说明了这一点。

因此，应适当加大预留变形量，释放地应力。

4.6 衬砌结构断面形式问题目前设计采用的圆形及椭圆形衬砌断面形式值得商讨。

圆形断面虽在理论上受力条件较好，但开挖断面最大，对围岩稳定不利，施工工艺难做，尤其是开挖下半断面时容易发生拱部下沉变形或塌方；椭圆形断面受力条件最好，但高跨比较大，施工工艺也较难做，开挖下半断面时也容易发生拱部下沉及边墙围岩挤入变形；马蹄形与圆形、椭圆形衬砌断面比较，开挖断面最小，对围岩稳定有利，施工工艺简单易做，圬工省，造价少，对节省投资也有利。

因此，应实施马蹄形曲墙仰拱衬砌断面工程试验，与已实施的圆形、椭圆形衬砌断面试验进行技术经济比较。

4.7 隧道施工工序问题截止2004年9月，乌鞘岭隧道进出口段开挖已完成左线、右线各14km ，占隧道全长70%。

但隧道衬砌仅完成14km （其中左线9k ，右线5km ），占隧道全长35%；衬砌滞后掌子面距离太远（左、右线分别滞后5km 、9km ），特别是右线正洞断面较大，存在第三系、白垩系、三叠系等砂泥岩夹页岩地层未衬砌段的初期支护可能发生累进性变形破坏或塌方问题，应加快衬砌施工进度，防止大变形或塌方灾害。