乌鞘岭隧道F4断层区段监控量测综合分析
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2 工程概况
乌鞘岭隧道位于兰新线兰州西—武威南段，全 长 20 050 m，是国内最长的单线铁路隧道，最大埋 深 1 100 m，设计为左、右 2 条单线隧道，右线正洞 先贯通，左线前期为平导，后期扩挖为正洞，两线 间距 40 m。隧道工程在大地构造单元上位于祁连褶 皱带内，由 F4～F7 共 4 条区域性大断层为骨架构成 的宽大“挤压构造带”所组成，呈 NWW 向展开， 带内的次级断层发育，由于构造作用，切割的古生 界、中新生界及加里东岩体被推覆于上新地层之 上，地应力条件十分复杂[17，18]。
断层主带采用 3 榀/(2 m) I18 钢架，φ 22 mm 砂 浆锚杆长 4 m，喷射混凝土厚 20 cm，预留变形量 25 cm，二次衬砌钢筋混凝土 50 cm。断层影响带采 用 1 榀/m 格栅钢架，φ 22 mm 砂浆锚杆长 3 m，喷 射混凝土厚 15 cm，预留变形量 15 cm，二次衬砌素 混凝土厚 40 cm。
采用三台阶超短台阶法施工，超前预支护采用
φ 42 mm 小导管或自进式锚杆注浆支护。上、中台 阶长 5 m，仰拱距下台阶 15～20 m，二次衬砌距仰 拱端头不大于 50 m，各工序间距如图 1 所示。
5m 5m
衬砌
65～70 m
15～20 m
仰拱
图 1 断层带施工工序 Fig.1 Construction procedure of regional faults
收稿日期：2005–03–11；修回日期：2005–06–14 基金项目：铁道部科技开发计划项目(2004G043–A) 作者简介：刘志春(1973–)，男，硕士，1996 年毕业于石家庄铁道学院交通工程系交通土建专业，现为讲师，主要从事地下工程方面的教学与研究工 作。E-mail：liuzhch01@163.com
21.406
68.8
墙腰水平收敛 192.442
35.150
71.7
拱顶下沉
15.000
3.000
80.0
B 拱脚水平收敛 92.445
20.351
88.0
墙腰水平收敛 126.230
26.817
88.4
二
上
台
250
阶 开
挖
200
下测
仰
台点
拱
阶埋
封
开设
闭
挖
u = 233.265exp(－3.040 4/t)
挂 防 水 板
次 衬 砌 浇 注
R2 = 0.987 8
150 拱顶下沉
100
拱脚收敛 墙腰收敛
u = 121.627exp(－3.594/t) R2 =0.986 2
u = 32.395exp(－5.134/t)
50
R2 = 0.980 3
78.5 kN 2.7 m
76.4 kN 2.1 m 80.6 kN
表 1 A，B 两断面位移量测结果 Table 1 Measured results of displacement of sections A and B
断面
量测项目 拱顶下沉
累计变形 最大变形
仰拱封闭时收敛
/mm 速率/(mm·d－1) 占累计收敛比例/%
24.000
3.000
66.7
Байду номын сангаас
A 拱脚水平收敛 96.913
·1504·
岩石力学与工程学报
2006 年
砌收敛量测断面间距 10～20 m，量测时间段为二次 衬砌后至收敛稳定。A，B 两断面的位移量测结果如 表 1 及图 3 所示。初期支护位移值损失了喷射混凝 土前的位移和二次衬砌后的位移，实测净空位移墙 腰处最大，其次为拱脚和拱顶。最大日收敛均出现 在仰拱开挖时，说明埋设测点后的开挖工序均对位 移产生较大影响。仰拱封闭时位移占实测位移的比 例大都在 70%以上。实测二次衬砌收敛均小于 4 mm。
LIU Zhichun，LI Wenjiang，SUN Minglei，ZHU Yongquan
(School of Civil Engineering，Shijiazhuang Railway Institute，Shijiazhuang，Hebei 050043，China)
Abstract：Wuqiaoling tunnel，the longest single-track railway tunnel in China，is the key project of Lanzhou— Urumchi Railway. It goes through four regional faults，and its geological and geostress conditions are complicated. According to the characteristics of soft rock and large deformation under the complicated stress condition，the comprehensive monitoring is executed during the construction in F4 section. Based on the measured results of the vault settlement，the horizontal convergency，the axial force of rock bolt，the surrounding rock pressure，the steel liner plate stress，the concrete stress of preliminary support，the stress and pressure of the secondary lining，the synthetical factors of the relation between measurement and construction procedure，the relation between surrounding rock pressure and displacement ， the forecast of measurement ， the developmental rule of multi-measurement items，the longitudinal distribution rule of displacement，the coefficient of lateral pressure， the shared ratio of secondary lining，the time of secondary lining construction，etc. are analysed. And the information is fed back to the construction in time. The structure stability is analysed and the corresponding measures are adopted，which can provide references for data simulation and theoretical analysis. The practice proves that the effect is reliable，the surrounding rock is steady and the structure is in good condition，which can provide a reliable technology reference for the perforation of the section. Key words：tunnelling engineering；Wuqiaoling tunnel；monitoring and measurement；surrounding rock pressure；displacement；structures stability；comprehensive analysis
第 25 卷 第 7 期
刘志春等. 乌鞘岭隧道 F4 断层区段监控量测综合分析
• 1503 •
1引言
隧道工程所遇到的地质条件千变万化，围岩与 支护相互作用十分复杂，因此，监控量测对于隧道 工程设计施工显得尤为重要。一方面是为掌握围岩 动态和支护结构的工作状态，利用量测结果修改设 计、指导施工，并预见事故险情，以便及时采取措 施；另一方面是积累资料，为以后设计提供类比依 据[1～9]，对于软岩大变形隧道更是如此。现行隧道 设计施工规范[10，11]对软岩大变形隧道没有一套有针 对性的合理可行的设计施工方法[12]，使其在设计思 想、变形控制、二次衬砌施作时机等问题上与现行 规范有许多冲突之处。国内外积累了一些软岩大变 形隧道的设计施工经验，也开展了一些针对软岩问 题的研究[13～16]，但相应的系统量测资料并不多。
支护围岩压力、初期支护钢架应力、初期支护混凝土应力、二次衬砌接触压力、二次衬砌混凝土应力数据为依托，
进行实测数据与施工工序的关系、围岩压力与位移的关系、量测项目稳定值的预测、多量测项目发展趋势相互关
系规律、位移的纵向分布规律、荷载侧压力系数、二次衬砌分担围岩压力比例、二次衬砌施作时机等多项综合分
析，及时将处理信息反馈给施工，对开挖后的结构稳定性作出分析判断及采取相应措施。实践证明效果可靠，围
3 监控量测实施情况
在断层主带的 A 断面(YDK170+610)和断层影 响带的 B 断面(YDK170+715)分别进行了锚杆轴力、 初期支护围岩压力、初期支护钢架应力、初期支护 混凝土应力、二次衬砌接触压力、二次衬砌混凝土 应力监控量测，在断层带沿纵向每隔 5 m 布置测点 进行了初期支护拱顶下沉、拱脚水平收敛及墙腰水 平收敛及二次衬砌收敛量测。测点布置见图 2[12]。
第 25 卷 第 7 期 2006 年 7 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.25 No.7 July，2006
乌鞘岭隧道 F4 断层区段监控量测综合分析
刘志春，李文江，孙明磊，朱永全
(石家庄铁道学院 土木工程分院，河北 石家庄 050043)
97.4 kN
50.3 kN
2.7 m 82.9 kN 2.1 m 28.3 kN
2.1 m 68.6 kN
1.4 m 40.4 kN
37.2 kN
摘要：乌鞘岭隧道是兰新线重点控制工程，是国内最长的单线铁路隧道。该隧道穿越 4 条区域性大断层，地质及
地应力条件十分复杂，围岩软弱破碎，变形大。针对复杂应力条件下的软岩大变形隧道特点，在 F4 断层区段施工
过程中，严格进行系统、全面、长期的监控量测指导设计施工，以实测的拱顶下沉、水平收敛、锚杆轴力、初期
初期支护混凝土 及钢架应力
拱顶下沉 初期支护 围岩压力
初期支护收敛
二次衬砌收敛
二次衬砌 接触压力
锚杆轴力
图 2 测点布置图 Fig.2 Arrangement of observation point
4 量测结果
4.1 位移量测 位移量测是围岩及支护应力形态变化最直观的
反映，能为地下洞室稳定性提供可靠直接的信息， 且易测取[7，8]。位移量测项目包括初期支护的拱脚 水平收敛、墙腰水平收敛、拱顶下沉，以及二次衬 砌收敛量测，初期支护位移量测断面间距为 5 m， 量测时间段为喷射混凝土后至二次衬砌前；二次衬
F4 断层破碎带(YDK170+290～YDK170+740) 位于乌鞘岭岭南地段，其中 YDK170+440～YDK 170+640 段为断层主带，两侧为断层影响带，本段 埋深 440 m。断层主带围岩以断层泥砾、角砾为主， 岩质软弱破碎，呈块状、碎块状，开挖后易掉块、 塌落。无明显地下水出露，局部有少量渗水，V 级 围岩。
岩稳定，结构完好，为保证该区段顺利贯通提供可靠的技术保证。
关键词：隧道工程；乌鞘岭隧道；监控量测；围岩压力；位移；结构稳定性；综合分析
中图分类号：U 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2006)07–1502–10
MONITORING AND COMPREHENSIVE ANALYSIS IN F4 SECTION OF WUQIAOLING TUNNEL
乌鞘岭隧道位于兰新线兰州西—武威南段，全 长 20 050 m，是国内最长的单线铁路隧道，最大埋 深 1 100 m，设计为左、右 2 条单线隧道，右线正洞 先贯通，左线前期为平导，后期扩挖为正洞，两线 间距 40 m。隧道工程在大地构造单元上位于祁连褶 皱带内，由 F4～F7 共 4 条区域性大断层为骨架构成 的宽大“挤压构造带”所组成，呈 NWW 向展开， 带内的次级断层发育，由于构造作用，切割的古生 界、中新生界及加里东岩体被推覆于上新地层之 上，地应力条件十分复杂[17，18]。
断层主带采用 3 榀/(2 m) I18 钢架，φ 22 mm 砂 浆锚杆长 4 m，喷射混凝土厚 20 cm，预留变形量 25 cm，二次衬砌钢筋混凝土 50 cm。断层影响带采 用 1 榀/m 格栅钢架，φ 22 mm 砂浆锚杆长 3 m，喷 射混凝土厚 15 cm，预留变形量 15 cm，二次衬砌素 混凝土厚 40 cm。
采用三台阶超短台阶法施工，超前预支护采用
φ 42 mm 小导管或自进式锚杆注浆支护。上、中台 阶长 5 m，仰拱距下台阶 15～20 m，二次衬砌距仰 拱端头不大于 50 m，各工序间距如图 1 所示。
5m 5m
衬砌
65～70 m
15～20 m
仰拱
图 1 断层带施工工序 Fig.1 Construction procedure of regional faults
收稿日期：2005–03–11；修回日期：2005–06–14 基金项目：铁道部科技开发计划项目(2004G043–A) 作者简介：刘志春(1973–)，男，硕士，1996 年毕业于石家庄铁道学院交通工程系交通土建专业，现为讲师，主要从事地下工程方面的教学与研究工 作。E-mail：liuzhch01@163.com
21.406
68.8
墙腰水平收敛 192.442
35.150
71.7
拱顶下沉
15.000
3.000
80.0
B 拱脚水平收敛 92.445
20.351
88.0
墙腰水平收敛 126.230
26.817
88.4
二
上
台
250
阶 开
挖
200
下测
仰
台点
拱
阶埋
封
开设
闭
挖
u = 233.265exp(－3.040 4/t)
挂 防 水 板
次 衬 砌 浇 注
R2 = 0.987 8
150 拱顶下沉
100
拱脚收敛 墙腰收敛
u = 121.627exp(－3.594/t) R2 =0.986 2
u = 32.395exp(－5.134/t)
50
R2 = 0.980 3
78.5 kN 2.7 m
76.4 kN 2.1 m 80.6 kN
表 1 A，B 两断面位移量测结果 Table 1 Measured results of displacement of sections A and B
断面
量测项目 拱顶下沉
累计变形 最大变形
仰拱封闭时收敛
/mm 速率/(mm·d－1) 占累计收敛比例/%
24.000
3.000
66.7
Байду номын сангаас
A 拱脚水平收敛 96.913
·1504·
岩石力学与工程学报
2006 年
砌收敛量测断面间距 10～20 m，量测时间段为二次 衬砌后至收敛稳定。A，B 两断面的位移量测结果如 表 1 及图 3 所示。初期支护位移值损失了喷射混凝 土前的位移和二次衬砌后的位移，实测净空位移墙 腰处最大，其次为拱脚和拱顶。最大日收敛均出现 在仰拱开挖时，说明埋设测点后的开挖工序均对位 移产生较大影响。仰拱封闭时位移占实测位移的比 例大都在 70%以上。实测二次衬砌收敛均小于 4 mm。
LIU Zhichun，LI Wenjiang，SUN Minglei，ZHU Yongquan
(School of Civil Engineering，Shijiazhuang Railway Institute，Shijiazhuang，Hebei 050043，China)
Abstract：Wuqiaoling tunnel，the longest single-track railway tunnel in China，is the key project of Lanzhou— Urumchi Railway. It goes through four regional faults，and its geological and geostress conditions are complicated. According to the characteristics of soft rock and large deformation under the complicated stress condition，the comprehensive monitoring is executed during the construction in F4 section. Based on the measured results of the vault settlement，the horizontal convergency，the axial force of rock bolt，the surrounding rock pressure，the steel liner plate stress，the concrete stress of preliminary support，the stress and pressure of the secondary lining，the synthetical factors of the relation between measurement and construction procedure，the relation between surrounding rock pressure and displacement ， the forecast of measurement ， the developmental rule of multi-measurement items，the longitudinal distribution rule of displacement，the coefficient of lateral pressure， the shared ratio of secondary lining，the time of secondary lining construction，etc. are analysed. And the information is fed back to the construction in time. The structure stability is analysed and the corresponding measures are adopted，which can provide references for data simulation and theoretical analysis. The practice proves that the effect is reliable，the surrounding rock is steady and the structure is in good condition，which can provide a reliable technology reference for the perforation of the section. Key words：tunnelling engineering；Wuqiaoling tunnel；monitoring and measurement；surrounding rock pressure；displacement；structures stability；comprehensive analysis
第 25 卷 第 7 期
刘志春等. 乌鞘岭隧道 F4 断层区段监控量测综合分析
• 1503 •
1引言
隧道工程所遇到的地质条件千变万化，围岩与 支护相互作用十分复杂，因此，监控量测对于隧道 工程设计施工显得尤为重要。一方面是为掌握围岩 动态和支护结构的工作状态，利用量测结果修改设 计、指导施工，并预见事故险情，以便及时采取措 施；另一方面是积累资料，为以后设计提供类比依 据[1～9]，对于软岩大变形隧道更是如此。现行隧道 设计施工规范[10，11]对软岩大变形隧道没有一套有针 对性的合理可行的设计施工方法[12]，使其在设计思 想、变形控制、二次衬砌施作时机等问题上与现行 规范有许多冲突之处。国内外积累了一些软岩大变 形隧道的设计施工经验，也开展了一些针对软岩问 题的研究[13～16]，但相应的系统量测资料并不多。
支护围岩压力、初期支护钢架应力、初期支护混凝土应力、二次衬砌接触压力、二次衬砌混凝土应力数据为依托，
进行实测数据与施工工序的关系、围岩压力与位移的关系、量测项目稳定值的预测、多量测项目发展趋势相互关
系规律、位移的纵向分布规律、荷载侧压力系数、二次衬砌分担围岩压力比例、二次衬砌施作时机等多项综合分
析，及时将处理信息反馈给施工，对开挖后的结构稳定性作出分析判断及采取相应措施。实践证明效果可靠，围
3 监控量测实施情况
在断层主带的 A 断面(YDK170+610)和断层影 响带的 B 断面(YDK170+715)分别进行了锚杆轴力、 初期支护围岩压力、初期支护钢架应力、初期支护 混凝土应力、二次衬砌接触压力、二次衬砌混凝土 应力监控量测，在断层带沿纵向每隔 5 m 布置测点 进行了初期支护拱顶下沉、拱脚水平收敛及墙腰水 平收敛及二次衬砌收敛量测。测点布置见图 2[12]。
第 25 卷 第 7 期 2006 年 7 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.25 No.7 July，2006
乌鞘岭隧道 F4 断层区段监控量测综合分析
刘志春，李文江，孙明磊，朱永全
(石家庄铁道学院 土木工程分院，河北 石家庄 050043)
97.4 kN
50.3 kN
2.7 m 82.9 kN 2.1 m 28.3 kN
2.1 m 68.6 kN
1.4 m 40.4 kN
37.2 kN
摘要：乌鞘岭隧道是兰新线重点控制工程，是国内最长的单线铁路隧道。该隧道穿越 4 条区域性大断层，地质及
地应力条件十分复杂，围岩软弱破碎，变形大。针对复杂应力条件下的软岩大变形隧道特点，在 F4 断层区段施工
过程中，严格进行系统、全面、长期的监控量测指导设计施工，以实测的拱顶下沉、水平收敛、锚杆轴力、初期
初期支护混凝土 及钢架应力
拱顶下沉 初期支护 围岩压力
初期支护收敛
二次衬砌收敛
二次衬砌 接触压力
锚杆轴力
图 2 测点布置图 Fig.2 Arrangement of observation point
4 量测结果
4.1 位移量测 位移量测是围岩及支护应力形态变化最直观的
反映，能为地下洞室稳定性提供可靠直接的信息， 且易测取[7，8]。位移量测项目包括初期支护的拱脚 水平收敛、墙腰水平收敛、拱顶下沉，以及二次衬 砌收敛量测，初期支护位移量测断面间距为 5 m， 量测时间段为喷射混凝土后至二次衬砌前；二次衬
F4 断层破碎带(YDK170+290～YDK170+740) 位于乌鞘岭岭南地段，其中 YDK170+440～YDK 170+640 段为断层主带，两侧为断层影响带，本段 埋深 440 m。断层主带围岩以断层泥砾、角砾为主， 岩质软弱破碎，呈块状、碎块状，开挖后易掉块、 塌落。无明显地下水出露，局部有少量渗水，V 级 围岩。
岩稳定，结构完好，为保证该区段顺利贯通提供可靠的技术保证。
关键词：隧道工程；乌鞘岭隧道；监控量测；围岩压力；位移；结构稳定性；综合分析
中图分类号：U 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2006)07–1502–10
MONITORING AND COMPREHENSIVE ANALYSIS IN F4 SECTION OF WUQIAOLING TUNNEL