软岩大变形隧道

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国内外现状 3 惠那山(Enasan)隧道 惠那山(Enasan)隧道 (Enasan)
惠那山隧道为双洞隧道，在日本中央公路的两宫线上。 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， 月建成，全长8300 8300m 是双向行驶的公路隧道。 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 年开工修建第二座隧道， 号隧道， 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8635 8635m 1985年建成 这两座隧道平行， 年建成。 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400 的长平泽断层非常软弱， 400m 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 MPa， 变质角页岩(已粘土化)，单轴抗压强度仅1.7～4.0MPa，该处埋深 400m 特别使人感兴趣的是，为通过这同一条断层， 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， 号隧道采用新奥法的柔性支护， 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。 效果对比。
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国内外现状 3 惠那山(Enasan)隧道 惠那山(Enasan)隧道 (Enasan)
号隧道采用的断面型式如图2 主洞开挖时先以0.8m 0.8m间距 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。 (H250)并辅以衬板 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， 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， H200钢架(@0.8m)。 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， 1.2m， 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。 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， 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 其特点是：采用长锚杆(设计长度为6m 施工时加长到9 6m， 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) 50cm， 30cm)； 13.5m)；预留变形量(上半部为50cm，下半部为30cm)； 钢纤维喷 混凝土( 25cm)及可缩式钢架 二次衬砌为45cm厚的素混凝土。 及可缩式钢架； 45cm厚的素混凝土 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 最终发生的初期支护位移为20 25cm,最大 20～ 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。 56cm，说明长锚杆发挥了作用。
里
程
DK172 +000 DK171 +540 +380 +250
DK177 +050
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。
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Baidu Nhomakorabea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。
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 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)
F6
LWZ-9
LWZ-6
LWZ-8
LWZ-4
F7
LWZ-3
LWZ-10
LWZ-5
EW/40°～60°N
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国内外现状 2 阿尔贝格(Arlberg)隧道 阿尔贝格(Arlberg)隧道 (Arlberg)
阿尔贝格隧道也在奥地利，系公路隧道，全长13980m。 阿尔贝格隧道也在奥地利，系公路隧道，全长13980m。该隧 13980m 道是紧接着陶恩隧道之后开工的(1974 1979年 (1974～ 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， 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。 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、 740m， 13MPa， 隧道最大埋深740m，原始地应力13MPa，围岩为千枚岩、片麻 含糜稜岩的片岩绿泥石等，抗压强度为1.2 2.9MPa。 1.2～ 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： 20～25cm喷混凝 大变形，设计时采用了强大的初期支护系统：厚20～25cm喷混凝 可缩式@75钢架；6m长的@125cm锚杆 虽然如此， @75钢架 长的@125cm锚杆。 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 20～ 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 的支护位移， 最大达11.5cm/d 11.5cm/d。 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， 的长锚杆后， 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 420m。 每延米隧道锚杆用量达420m。
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立项背景
活动性断层带、 从2004年4月，施工进入于 活动性断层带、岭脊志留系地层等地段，均发生 年 月 施工进入于F7活动性断层带 岭脊志留系地层等地段， 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、 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。 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 断层最大拱顶下沉和水平收敛分别达1209mm和1053mm，一般300～ 和 ，一般 ～ 断层最大拱顶下沉和水平收敛分别达 700mm。岭脊志留系千枚岩地层区段隧道收敛变形达500～700mm。 。岭脊志留系千枚岩地层区段隧道收敛变形达 ～ 。
Ⅲ～Ⅴ 2183 中等富水段(Ⅰ) (Ⅱ)(Ⅲ) 2183 160130 DK173 +000
Ⅳ～Ⅴ 1260 (Ⅱ) (Ⅲ) 490 460 +760 DK170 +280 DK169 +000
Ⅲ～Ⅴ 4130 弱富水段(Ⅱ) 4130 DK167 +000 DK168 +000
Ⅳ～Ⅵ 3015 弱富水段(Ⅱ)～中等富水段(Ⅰ) 3015 DK166 +150 DK165 +000 DK164 +000 DK163 +135
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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” 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， 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、 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。 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： 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： （1）大变形区段最长(7587m) 大变形区段最长(7587m) （2）围岩强度应力比最低(0.031 ～0.063) 围岩强度应力比最低(0.031 （3）地质条件最复杂，具复杂和极高地应力条件 地质条件最复杂， （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。 隧道贯通工期仅2.5年 右线开通工期3 ），要求快速施工。 2.5 要求快速施工
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国内外现状 1 陶恩(Tauern)隧道 陶恩(Tauern)隧道 (Tauern)
1970～1975年修建于奥地利，为双向行驶之公路隧道(单洞) 1970～1975年修建于奥地利，为双向行驶之公路隧道(单洞)，全 年修建于奥地利 6400m，埋深600 1000m。新奥法的鼻祖Rabcewicz 600～ Rabcewicz教授亲自主 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。 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) 120cm(最大 的位移， 50cm(一般 最大) 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 位移速度达20cm/d，是世界上第一座知名的大变形隧道。 20cm/d 陶恩隧道设计时对挤压性围岩缺乏经验，初期支护较弱( 4m锚杆 锚杆， 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， 25cm喷混凝土 TH36@75钢架 喷混凝土， 钢架) 在洞壁发生大变形后， 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)、 采用了长锚杆(6 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) 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， 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。 得了成功。
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 DK179 +000 DK178 +000 DK177 +867 DK181 +000 DK180 +000 DK183 +185
V 817
Ⅳ～Ⅴ 3175 150 弱富水段(Ⅱ) (Ⅲ) 150 3175 DK175 +000 DK176 +000 DK174 +000 +875
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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 2003年 30日 开通运营，2006年8月12日 2006年 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。