高地应力隧道施工技术-

塑性硬化区
弹性区
塑性软化区 塑性流动区
ξ
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2.3、硬岩应力场变化曲线
σ
2P
环向应力σ0
P
σ0
σrBaidu Nhomakorabea
经向应力σr
r
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Ra>2 P 理论上无需支护 Ra<2 P 可能发生岩爆
2.4、软岩高地应力的应力场变化曲线
σ
2P
环向应力σ0
P
σ0
σr
经向应力σr
r
如果Rb<<2P，必然导致围岩出现塑性变形， 甚至出现流变现象
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6、大变形隧道主要处理办法
• 加大变形预留量 • 设置长系统锚杆 • 加强初期支护 、二次衬砌 • 注浆加固围岩 • 二次初期支护
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7、F7断层支护变形特点
• 初期支护一般在第6～8天变形量达到约150mm时， 型钢表面喷射混凝土开始剥落
• 在第10～13天变形量约250mm时，出现明显裂纹 • 在第20～24天时变形量约350～400mm时彻底破坏
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
变形量(m)
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5、大变形隧道判断标准
产生大变形的必要条件： a、原始地应力及围岩软弱构成高应力比 b、支护刚度不足
大变形定义 ： 初期支护变形大于25cm（单线隧道） 50cm（双线隧道）
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，说明初期支护最大承受变形能力为400mm • 拆换后的初期支护变形速度明显减小，但约10天后
还有加速的趋势，约第45天有明显裂纹
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典型断面量测结果
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8、二次支护方法探讨
施工主要矛盾：
a、由于围岩变形量大、速度快，从施工工序的角 度来说，来不及施作二次衬砌就已经发生了大变形
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1、对地应力的初步认识
1.1、原始地应力的二个主要因素
a、自重应力σy: 与埋深和围岩容重相关 b、构造应力σt: 主要与地壳运动有关
软岩容易重新调整，构造应力一般较小
P= σy+ σt
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1.2、初始地应力场评价
指标：围岩强度比
Gn Rb Pmax
（或地应力比）
Pmax——围岩最大地应力
开挖分二步 • 第一步释放应力，待初期支护变形达到一定程度后 • 再进行第二步扩挖或拆换，施作正式支护，以降低
二次衬砌前围岩的变形速率
最佳方案 原位导坑超前，既可以起到超前释放应力的作
用，并把衬砌前围岩变形速率降到最低
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正式初期支护 小导坑初期支护
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变 形 量 (mm)
Rb——围岩抗压强度
法国隧道协会 中国分级标准 日本新奥法指南
极高地应力 <2 <4 <2
高地应力 2~4 4~7 2~6
一般地应力 >4 >7 >6
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2、软岩隧洞开挖后的应力场变化
2.1、高地应力软岩隧道围岩变化特征
塑性硬化区 弹性区
塑性软化区 塑性流动区
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2.2、软岩应力—应变曲线 σ
• 围岩与初期支护压力测点 • 初期支护应力测点 • 初期支护与二次衬砌之间压
力测点
• 二次衬砌应力测点
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初期支护下沉测点
初期支护 防水层 二次衬砌
二次衬砌下沉测点
初期支护水平收敛量测基线1 二次衬砌水平收敛量测基线
初期支护水平收敛量测基线2 隧底隆起测点
初期支护、二次衬砌变形量测点布置图
b、从二次衬砌受力的角度来说，过早施作二次衬 砌，会造成二次衬砌承受过大的压力
c、加大变形预留量 有限，变形超过40cm破坏 d、设置长系统锚杆施工速度慢，抑制变形有限 e、围岩密实，注浆加固围岩方法也不可行 f、强行快速二次衬砌，导致承受过大压力
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几个认识误区
• 二次衬砌越快越好（强支护措施）
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4.2、围岩变形量估算
u21E(P0sinCcos)ra02
变形量与原始地应力、隧洞半径、围岩强 度、支护承受压力、弹性模量等密切相关
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支护压力(MPa)
乌鞘岭隧道支护压力——变形对照表
19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
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3、支护结构承受荷载与围岩位移关系
P（支护承受压力） 水
P0 硬岩 软岩 极高地应力软岩 μ（围岩变形）
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4、高地应力软岩隧道围岩位移估算
4.1、塑性变形区半径
r0a[P 0(1Sir)n a c cC C o tcgsC ]1 t2 S S giin n
a——隧洞半径（m) P0——初始地应力（mPa） Ra ——围岩抗压强度（mPa） C——围岩粘聚力（mPa） φ——围岩内摩擦角 E——围岩弹性模量（mPa） σra——初期支护承受的围岩压力（mPa）
（过早衬砌导致二次衬砌承受过大压力）
• 等待变形速率满足规范要求时衬砌
（长时间变形速率大，变形过大导致初期支护失效）
• 强初期支护可以抑制变形
（20cm喷射混凝土承压仅约1mPa）
• 系统锚杆必须打至弹性变形区才有效
（防止初期支护弹性失稳，并提高岩性c、φ值）
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基本原理
施工原则：先放后抗，先柔后刚
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10、施工监测技术
• 目的：客观反映围岩变形 预测变形规律 及时采取措施
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10.1、监测项目
隧道变形量测
• 初期支护拱顶下沉测点 • 初期支护拱脚水平收敛测点 • 初期支护墙脚水平收敛测点 • 二次衬砌拱顶下沉测点 • 二次衬砌最大跨处水平收敛
测点
• 隧底隆起测点
结构压力、应力监测
初期支护代表性断面变形对比图
600
正 洞 +420拱 顶
500
原 位 导 坑 +388拱 顶
400
迂 回 导 坑 +060拱 顶
正 洞 拆 换 +568拱 顶 300
200
100
时间 (d)
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
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9、其他改进加强措施
• A、改善洞型，采用圆形断面可以避免出现大的弯 矩；
• B、加强二次衬砌来承受可能慢慢恢复的巨大的围 岩压力以及断层活动的影响；
• C、预留补强衬砌空间，在出现衬砌破坏时采取补 强措施；
• D、初期支护与二次衬砌之间设置可压缩性夹层， 减缓衬砌承受的压力和避免断层活动对隧道的破坏 ，并使之相对较均匀承压。