高地应力软岩隧道大变形控制技术(PPT-80)

+750
YDK171+000
YDK171+000
图2-8 F4断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布
板岩占50%~80%
千枚岩占60%~85%
1000 800
变形 /mm
兰州方向
武威方向
变形/mm
600 400 200 0 YDK174+500
YDK174+500
拱顶下沉 拱脚水平收敛 墙脚水平收敛
斜井开口 YDK175+330
r V (R0 / r) 2 V
θ V (R0 / r) 2 V
(2-2)
θ 2 V
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。
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：
1 sin 2 sin
(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。
(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。
拱顶竖向位移 墙腰水平位移
位移 /mm
200
400
600 R p2
800
1000
1200
图2-5 洞壁位移与塑性区半径关系
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 1.8 墙腰 移与埋深的关系，洞 1.5 1.2 拱顶 壁位移随埋深增加而 0.9 增大， F7区段圆型隧 0.6 道拱顶位移大于墙腰， 0.3 0 0 250 500 750 1000 其它区段马蹄型墙腰 埋深/m 水平位移大于拱顶下 图2-11 6 F7洞壁位移随埋深的变化规律 沉。
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
第一章 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 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。
位移值/m
(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。
1 0.8
位移值/m
0.6 0.4 0.2 0 0 0.5 1 1.5 强度应力比 2
拱顶 墙腰
2.5
3
图2-7 F7洞壁位移随强度应力比的变化规律
2.5 乌鞘岭隧道大变形规律
2.5.1 实测位移规律
(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。
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:
YDK175+000
YDK175+000
里程
YDK175+500
+500
+900
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
里程
F7断层 影响带
主带
影响带
800 700 600
变形/mm
变形 /mm
500 400 300 200 100
YDK176+800
拱顶下沉 拱脚水平收敛 墙脚水平收敛
围岩强度应力比= Rb / max
表 2-1
标准类别 法国隧道协会 我国工程岩体分级基准 日本新奥法指南(1996) 日本仲野分级
(2-1)
高地应力 2~4 4~7 4~6 2~4 一般地应力 ＞4 ＞7 ＞6 ＞4
围岩强度应力比的分级基准
极高地应力 ＜2 ＜4 ＜2 ＜2
2.2 隧道大变形的概念
图2-1 挤出岩体中隧道破坏类型
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。
图1-2
F7断层支护变形情况
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
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 ( 图 1-4) 。
图1-4
(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。
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。
30 30 25 25 20 20
Rp/ 15 m 15
R p /m
10 10 5 5 0 0
0
0
0
5
0.5
0.5
10
1
1.0
15
1.5
1.5
20
25
2
Rb/MPa 强度应力比
区段 F4 断层 左右线 右线隧道 位置 主带 影响带 千枚岩为主 板岩为主 F7 断层 右线隧道 左线隧道 进入断层初期 设计施工改进后 进入断层初期 设计施工改进后 累计变形/mm 最大值 324.31 343.10 932.45 473.91 716.12 310.51 1209.38 367.03 平均值 125.12 91.87 422.97 211.25 353.54 124.87 831.01 195.60 最大变形速率/mm 最大值 73.46 58.58 165.33 122.05 153.21 79.65 167.53 81.61 平均值 25.62 19.55 80.65 38.72 70.24 30.76 87.54 35.90 最大变形 发生位置 YDK170+495 墙腰 YDK170+410 墙腰 YDK175+650 拱腰 YDK174+555 拱腰 YDK177+505 拱腰 YDK177+370 墙脚 DK177+535 拱腰 DK177+290 拱顶
2 sin 1sin
Rp 1 Pi R 0
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

2 sin 1sin
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2 Rp R0
(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 。
( P c cot )(1 sin ) RP 0 P c cot i
R0
(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。
(1)围岩抗压强度Rb及强度应力比Rb/σv
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。
(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。
(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
(a)纯剪切破坏
(b)弯曲破坏
(c)剪切或滑动破坏
椭圆形断面
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。
(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：
图2-3 分区段塑性与地应力的关系
塑性区与地应力的关系
(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
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：
1 c R p u P0 E tan R0
强度应力比
2.0
F7断层区段 图2-2 塑性区半径与抗压强度及强度应力比的关系
(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。
30 25
塑性区半径/m
20 15 10 5 0 0 5 10 15 地应力/MPa 20 25 30 F4断层 岭脊段 F7断层
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。
0
YDK177+000
+200
+400
+600
+800
里程 YDK177+400 YDK177+600 YDK177+800 YDK176+800 YDK177+000 YDK177+200
里程 图2-10 F7断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布
2
(2)分区段最大变形速率与累计变形量统计
2 乌鞘岭隧道岭脊段分区段变形量测技术指标统计表 表 2-9
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 。
(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。
(1)变形沿隧道纵向分布
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
F4断层 影响带
+290 +440
拱脚水平收敛
影响带
主带
墙腰水平收敛 拱顶下沉
变形/mm
+640
+740
YDK170+250
YDK170+250
YDK170+500
里程 里程
+500
YDK170+750