高地应力软岩隧道大变形控制技术(-80)

(3)最大变形速率与累计变形的关系
在隧道工程监控
量测中，除累计变形 外，变形速率是另外 一个进行围岩稳定性 评价的重要判别指标。 研究最大变形速率与 累计变形的关系也是 在施工初期阶段进行 最终变形预测的方法 之一。
u1 E P 0tc a n R R 0 p 1 2 s si in n 1 P i R R 0 p 1 2 s si in n R R 0 p 2
(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 。
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
一点的应力σr、σθ可用下式表示:
rV (R 0/r)2 V θV (R 0/r)2 V
以r=R0代入(2-2)式，可得：
(2-2)
θ 2V
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：
1sin
RP(P 0cP iccoc )t1 (o stin )2sinR0
(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
(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。
3300 2255
2200
Rp/ m
R p/m
1155
1100
55
00
0
0
0
5
0.5
0.5
10
15
1
强度1应.0 力比
20
1.5
1.5
25 Rb/MPa
2
2.0 强度应力比
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。
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。
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
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/mm
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200
0
0
拱顶竖向位移 墙腰水平位移
200 400 600 800 1000 1200
R
2 p
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
(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。
YDK170+250
影响带
F4断层 主带
+440
+500
YDK170+500
影响带
+640
+740
里里程程
+750
YDK170+750
拱脚水平收敛 墙腰水平收敛 拱顶下沉
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
1000
800
变形
/mm 600
400
兰州方向
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)
＜2
2~4
我国工程岩体分级基准
＜4
4~7
日本新奥法指南(1996)
＜2
4~6
日本仲野分级
＜2
2~4
(2-1)
一般地应力 ＞4 ＞7 ＞6 ＞4
2.2 隧道大变形的概念
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 。
(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：
围岩强度应力比= Rb/ max
表 2-1 围岩强度应力比的分级基准
标准类别
极高地应力
高地应力
法国隧道协会
移与埋深的关系，洞 1.5
墙腰
位移值/m
壁位移随埋深增加而 1.2
拱顶
0.9
增大， F7区段圆型隧 0.6
道拱顶位移大于墙腰， 0.3
其它区段马蹄型墙腰
0 0
250
500
750
1000
水平位移大于拱顶下 沉。
埋深/m
图2-161 F7洞壁位移随埋深的变化规律
(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。
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
716.12 310.51 1209.38 367.03
353.54 124.87 831.01 195.60
153.21 79.65 167.53 81.61
70.24 30.76 87.54 35.90
YDK177+505 拱腰 YDK177+370 墙脚 DK177+535 拱腰 DK177+290 拱顶
(b)弯曲破坏
(c)剪切或滑动破坏
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。
板岩占50%~80%
拱顶下沉 拱脚水平收敛 墙脚水平收敛
千枚岩占60%~85%
斜井开口 YDK175+330
武威方向
变形/mm
200
0
YDK174+500
YDK175+000
+500
+900
YDK174+500
YDK175+000 里程
YDK175+500
里程
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
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 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。
1
0.8
0.6
拱顶
墙腰 0.4
位移值 /m
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
强度应力比
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
(1)变形沿隧道纵向分布
变形 /mm
900
800
700
600
+290
500
400
300
2Leabharlann Baidu0
100
0
YDK170+250
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。
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
(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。
图2-10 F7断层区段右里线程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
表 2-29 乌鞘岭隧道岭脊段分区段变形量测技术指标统计表
区段
左右线
位置
累计变形/mm 最大变形速率/mm 最大值 平均值 最大值 平均值
最大变形 发生位置
F4 断层
右线隧道
主带 影响带
324.31 125.12 73.46 343.10 91.87 58.58
800
影响带
F7断层 主带
影响带
变形/mm
700
600
变形 /mm
500
400
300
拱顶下沉 拱脚水平收敛 墙脚水平收敛
200 100
YDK0176+800
YDK177+000
+200
+400
+600
+800
YDK176+800 YDK177+000 YDK177+20里0程 YDK177+400 YDK177+600 YDK177+800
(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
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。
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
塑性区半径/m
30
25
20
15
F4断层
10
岭脊段
5
F7断层
0
0
5
10
15
20
25
30
地应力/MPa
塑性区与地应力的关系
图2-3 分区段塑性与地应力的关系
(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：
25.62 YDK170+495 墙腰 19.55 YDK170+410 墙腰
志留系板岩夹千枚岩 右线隧道
千枚岩为主 板岩为主
932.45 422.97 165.33 473.91 211.25 122.05
80.65 38.72
YDK175+650 拱腰 YDK174+555 拱腰
F7 断层
右线隧道 左线隧道