高地应力软岩隧道施工技术

初期支护下沉测点
初期支护 防 水 层 二次衬砌
围岩压力测点 初支应力测点 二衬压力测点 二次应力测点 拱顶测点 拱腰测点
初期支护 防 水 层 二次衬砌
二次衬砌下沉测点
拱腰测点
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 墙腰测点 墙腰测点
初期支护水平收敛量测基线2 隧底隆起测点 墙脚测点 墙脚测点
P（支护承受压力） P0 水 硬岩 软岩
极高地应力软岩
μ（围岩变形）
4、高地应力软岩隧道围岩位移估算
4.1、塑性变形区半径
P0 (1 Sin ) cCos cCtg r0 a[ ] ra cCtg
1 Sin 2 Sin
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）
ξ
2.3、硬岩应力场变化曲线
σ
2P P
σ0
环向应力σ0
经向应力σr
r σr
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 P
σ0
环向应力σ0
经向应力σr
r σr
如果Rb<<2P，必然导致围岩出现塑性变形， 甚至出现流变现象
3、支护结构承受荷载与围岩位移关系
Rb——围岩抗压强度
极高地应力 法国隧道协会 中国分级标准 日本新奥法指南 <2 <4 <2 高地应力 2~4 4~7 2~6 一般地应力 >4 >7 >6
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 塑性软化区
弹性区 塑性流动区
2.2、软岩应力—应变曲线 σ
塑性硬化区 弹性区 塑性软化区 塑性流动区
4.2、围岩变形量估算
r0 1 u ( P0 sin C cos ) 2E a
2
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
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 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 变形量(m) 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
初期支护、二次衬砌变形量测点布置图
DK177＋568断面压力、应力测点布置图
10.2、监测布置、频率
初期支护拱顶下沉及水平收敛测点间距10m， 量测频率2次/d； 二次衬砌拱顶下沉及水平收敛测点间距20— 30m，量测频率1次/3d； 隧底隆起测点间距30—50m，量测频率1次 /7d。 结构压力、应力监测读数频率1次/d
600 正洞+420拱顶 500 原位导坑+388拱顶 迂回导坑+060拱顶 正洞拆换+568拱顶 300 200 100
变形量(mm)
400
时间(d)
0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
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。
几个认识误区
二次衬砌越快越好（强支护措施）
（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）
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
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
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
支护压力(MPa)
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）
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
基本原理
施工原则：先放后抗，先柔后刚
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
正式初期支护
小导坑初期支护
初期支护代表性断面变形对比图
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， 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
高地应力软岩隧道施工技术
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、Leabharlann Baidu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
1.2、初始地应力场评价
指标：围岩强度比 Gn
（或地应力比）
Rb Pmax
Pmax——围岩最大地应力
典型断面量测结果
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 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