乌鞘岭软岩大变形隧道

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国内外现状 5
木栅隧道
图2-8
台湾木栅隧道预应力锚索示意
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表 2-2
项目 国别 隧道长度(m) 开挖断面(m 2) 陶恩 Tauern 奥地利 Austria 6400 90~105 (宽 11.8×高 10.75) 公路隧道 1970~1975 500~1000
国内外典型挤压性围岩隧道


（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），要求快速施工。
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国内外现状 1
陶恩(Tauern)隧道
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。
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DK168 +000
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DK163 +135
兰州端洞口DK163+135
LWZ-1
F5
F4
项目概况
乌鞘岭隧道于2003年3月30日开工建设，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。
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立项背景
国内外隧道工程中，所遇到的挤压大变形不良地质问题较多，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。
阿尔贝格 Arlberg 奥地利 13980 90~103 (宽 10.8×高 11.20) 公路隧道
150
用途 施工年份 埋深 围岩(大变形 地段) 抗压强度 Rb (MPa) 内摩擦角φ ( °) 粘聚力/MPa 原始地应力 (MPa) 侧压力系数 强度应力比 原设 计 初期 支护 改变 设计
公路隧道
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国内外现状 4
家竹箐隧道
(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。
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国内外现状 3
惠那山(Enasan)隧道
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。
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国内外现状 3
惠那山(Enasan)隧道
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。
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国内外现状 5
木栅隧道
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。
煤系地层
1.7 30 0.5 8.57( σ x)16.09( σ y) 1.88 0.1~0.2 喷 12cm，模 注混凝土 18cm，锚杆 长 3m，有钢 架
喷 25cm， 喷 25cm， 喷 20~25cm， TH36 钢架 MU-29 可缩 可缩钢架， 锚 @75， 锚杆长 钢架@100， 杆长 6m 4m 锚杆长 6m 喷 25cm， TH21 钢架 @100，锚杆 长 6~9m 一般 5~10cm/d， 最大 20cm/d
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国内外现状 2
阿尔贝格(Arlberg)隧道
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。
喷 15~20cm， 锚杆长 3~4m，有钢 架
除锚杆加长 除锚杆加长 喷 35cm， U29 到 9~12m， 其 至 9~13m， 其 可缩钢架， 锚 余同前 余同前 杆长 8m
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wk.baidu.com 2-6
惠那山Ⅰ号隧道刚性支护示意(单位:cm
图 2-6
惠那山Ⅰ号隧道刚性支护示意(单位:cm)
图 2-7
惠那山Ⅱ号隧道初期柔性支护示意
国内外现状 4
家竹箐隧道
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：
软岩大变形隧道施工技术
1
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
2
项目概况
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。
兰新线兰武段地理位置示意图
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项目概况
乌鞘岭隧道是我国铁路史上首次 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。
公路隧道 1996
1974~1979 1978~1985 平均 350，最 400~450 大 740 千枚岩、 片麻 风化花岗岩 绿泥石、 绢云 岩、 局部为含 组成的断层 母、千枚岩 糜棱岩的片 破碎带， 局部 岩、绿泥岩 为粘土 0.4~1.6 20~22 — 16~27 近似 1 0.05~0.06 1.2~2.9 28 0.15 13 — 0.1~0.2 1.7~4.0 35 0.5 10~11 近似 1 0.1~0.33
乌鞘岭隧道地理位置示意图
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项目概况
F6断层 F5断层
高程(m)
3600
F6
LWZ-9
武威端洞口DK183+185
3400 3200 3000 2800 2600 2400
围岩级别 长度(m) 富水性 长度(m)
LWZ-6
LWZ-8
LWZ-4
F7
LWZ-3
LWZ-10
LWZ-5
EW/40°～60°N
DK177 +050
DK176 +000
DK174 +000 +875
DK167 +000
DK164 +000
DK169 +000
DK181 +000
DK180 +000
里
程
DK183 +185
+760 DK170 +280
F7断层
F4断层
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。
隧道名称 惠那山 家竹箐 (Enasan) 日本 8635 宽 12.0 ×高 10.5 中国 4990 82.5 (宽 9.34×高 10.47) 单线铁路隧 道 1993~1996 400 木栅 中国台湾 1875 乌鞘岭 中国 20050 72.0 或 84.3 (椭圆形宽 7.8 ×高 11.1 或圆形直径 10.36) 单线铁路隧 道 2003~2005 450~1100 板岩夹千枚 岩、断层泥 砾、 角砾、 碎 裂岩 0.2 12.7~39.2 3.6 3.6 0.735 25 0.2 9.15~20.5 近似 1 0.031～0.040
Ⅲ～Ⅴ 4130 弱富水段(Ⅱ) 4130
Ⅳ～Ⅵ 3015 弱富水段(Ⅱ)～中等富水段(Ⅰ) 3015
DK175 +000
DK173 +000
DK172 +000 DK171 +540 +380 +250
DK166 +150
DK165 +000
DK179 +000
DK178 +000 DK177 +867
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立项背景
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～
Q4
设计路肩线
N70°W/70°S N85°W/80°N N85°W/70°S
al3
Ⅲ～Ⅵ 5318 贫水段(Ⅲ) 6135
V 817
Ⅳ～Ⅴ 150 3175 弱富水段(Ⅱ) (Ⅲ) 150 3175
Ⅲ～Ⅴ 2183 中等富水段(Ⅰ) (Ⅱ)(Ⅲ) 2183 160130
Ⅳ～Ⅴ 1260 (Ⅱ) (Ⅲ) 490 460
700mm。岭脊志留系千枚岩地层区段隧道收敛变形达500～700mm。
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立项背景
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：