乌鞘岭特长隧道软弱围岩大变形特性研究

乌鞘岭特长隧道软弱围岩大变形特性研究
乌鞘岭特长隧道软弱围岩大变形特性研究
摘要乌鞘岭特长隧道全长20050m，是我国目前正在修建的国内最长的单线铁路隧道。

隧道施工中发生了严重的围岩大变形，主要表现为隧道中部岭脊地段P4—F7断层构成的“挤压构造带”在深埋高地应力条件下的软弱围岩大变形，拱顶最大下沉及侧壁最大水平收敛变形量均达1 000mm以上，导致初期支护开裂破坏并严重侵入衬砌净空等，不得不将初期支护全部或部分拆除重做，再施作二次衬砌。

文章对隧道区域工程地质环境、软弱围岩变形力学特性及初期支护破坏规律、围岩变形的影响因素等进行了分析研究，并讨论了隧道围岩加固、初期支护预留变形量与二次衬砌施作时机等问题。

关键词乌鞘岭隧道软弱围岩变形力学特性影响因素预留变形量破坏规律
中图分类号：U451’．2 文献标识码：A
1 工程概况
我国正在修建的国内最长的乌鞘岭特长隧道全长20 050m，位于改建铁路兰新线兰武段打柴沟车站和龙沟车站之间，隧道洞身最大埋深1 lOOm。

设计为两座单线隧道，线间距40m。

两座隧道除出口段线路位于半径为1 200m的曲线上，右、左线缓和曲线分别伸人隧道68．79m、127．29m处，其余地段均为直线。

两座隧道纵坡相同，大部分为11％。

的单面下坡。

右线隧道较左线隧道高0．56—0．73 m，进、出口右线轨面设计高程分别为2 662．84 m、2 446．8 m。

由于工程艰巨，工期十分紧迫，设计采取“长隧短打”措施，增设了13个斜井、一个竖井，共14个辅助坑道，总长20 383 m，与两个单线隧道合计总长60483 m。

均设计为复合衬砌，钻爆法施工。

隧道自2003年3月开工至2004年8月底，已完成右线正洞成洞11 497 m，占设计总量的57．3％；完成左线(平导)开挖14 012 m(折合成洞8 522m)，占设计总量的70％(42．5％)；完成辅助坑道19 637 m，占设计总量的96．3％。

除7号斜井外，12个辅助坑道全部进入右、左线施工。

2 隧道32程地质环境
2．1 地形地貌
隧道地处祁连山东北部中高山区，隧道进口以南为庄浪河河谷区，出口以北为古浪河及其支流龙沟河河谷区，隧道洞身经过乌鞘岭—毛毛山中高山区。

根据山体相对高度，可进一步划分为乌鞘岭南坡低高山及梁状丘陵区、乌鞘岭中高山区和乌鞘岭北坡低高山区三个次级地貌单元。

海拔高程2 800 ～3 600m，相对高差200-800m。

2．2 地层岩性
隧道区地层岩性复杂，沉积岩、火成岩、变质岩三大岩类均有，且以沉积岩为主，其分布主要受区域断裂构造控制。

出露地层主要有第四系松散堆积层、第三系泥岩夹砾岩、白垩系砂岩夹泥岩及砾岩、三叠系砂岩夹页岩及薄层煤、志留系千枚岩夹板岩、奥陶系安山岩、加里东晚期侵入闪长岩及各断层带中的构造碎裂岩、泥砾岩等。

2．3 地质构造
隧道穿越大地构造祁连褶皱系之北祁连优地槽褶皱带和走廊过渡带两个次级构造单元，区内地块在加里东期及海西·印支期等历次地质构造运动中发生过不同程度的构造变动，致使区内褶皱、断裂及岩浆侵入活动强烈。

乌鞘岭隧道洞身中部通过长约000 m的岭脊地段，是一个由主体走向为NNW向展布的F4(隧道通过宽度约450 m，下同)、F，(宽约145 m)、F6(宽约75 m)、F，(宽约785 m)四条区域性的压扭性大断层构成的“挤压构造带”，在此带中分布的地层有奥陶系安山岩、志留系千枚岩夹板岩、三叠系砂岩夹页岩及薄层煤、加里东期闪长岩以及各断层带中的构造碎裂岩、泥砾岩等。

根据震源机制解资料分，本区的构造应力场显示主压应力方向为NNE，—M．I~2水平挤压应力为主。

由于强烈的多期构造复合挤压作用，致使本区岩体破碎，工程地质条件十分复杂(图1)。

2．4 水文地质特征
(1)地下水补给．隧道区地下水主要接受高山季节性冰雪融水及大气降水补给。

此区属中温带干旱气候区，年平均降雨量360—410mm，年平均蒸发量达1 548—1 814 mm。

由于地表荒芜，植被稀少，降雨形成的地表水流涨消排泄快，地下水补给条件较差。

(2)地下水类型．主要有第四系松散堆积层孔隙水及基岩裂隙水两大类。

基岩裂隙水主要赋存于F4—F7断层之间岭脊地段三叠系砂岩夹页岩地层中，其次为安山岩、闪长岩、千枚岩夹板岩地层及各挤压断层带中，富水性较差，地下水总体上不发育。

(3)地下水化学类型．主要有重碳酸型水及重碳酸硫酸型水两大类，局部对混凝土有弱硫酸型侵蚀。

(4)隧道涌水量．根据勘察设计阶段与施工中补充勘察及开挖揭示地下水测流分析，采用地下径流模数法与地下水动力学法计算预测，右线最大涌水量约25 000 m3／d，其中F4—F7断层岭脊地段右线最大涌水量为22 000 m3／d(F：、P6断层之间为17 000m3／d)；左线隧道最大涌水量为18000m3／。

2．5 地震与新构造运动隧道区地震动峰值加速度为0．3 g(相当于基本烈度Ⅷ度)，地震动反应谱特征周期为0．30s。

F，断层为区域性多期活动的左旋式走滑逆断层，延伸长174km，产状为N70—80E／70S，断层带宽400- 1 000m，与隧道轴线交角约53*o区域地震资料显示，全新世以来F7断层仍有活动性，平均水平滑动速率为2．08—2．50 mm／a，平均垂直滑动速率为0．06—0．027 mm／a，历史上曾发生过5次古地震，最大震级为7．5级，具有准周期性，复发周期为1 800年左右。

2．6 主要工程地质问题
隧道F4—F7断层间岭脊地段最大埋深为450 —1 100m，属高地应力区。

实测地应力最大值达33 MPa，以水平地应力为主。

勘察设计阶段预测施工中可能发生突然涌水与突泥、围岩失稳坍方及大变形、岩爆、膨胀岩等地质灾害。

根据施工中补充地质勘察报告‘’’及开挖揭示的地质情况分析，进一步认识了岭脊地段的主要工程地质问题(表1)。

从表1对比分析可知，乌鞘岭隧道施工中表现最突出的工程地质问题是F4—F7断层“挤压构造带”在深埋高地应力条件下的软弱围岩大变形地质灾害，尤其是以志留系千枚岩
夹板岩及F7活动断层挤压带地段
的变形更为突出。

3 隧道施工中软弱围岩大变形概况
3．1 F7断层泥砾带围岩大变形
(1)10号斜井工区施工的左线隧道
2003年9月17日--,2004年4月15日，在F7断层泥砾带开挖长度为458 m(DKl77+409—+867)，开挖进度为2．2 m／d。

3月初发现未衬砌段162m(DKl77+409—+571)初期支护发生大变形开裂破坏现象，至4月5日DKl77+571—+581段发生大塌方而中断正常施工。

截至2004年5月5日4个断面观测资料表明，开挖后31天，拱部最大下沉变形量达1 053 mm(DKl77+495)，下沉速率为34mm／d；边墙高1．5 m处最大水平收敛变形量达 1 034mm(DKl77+590)，拱脚最大达978mm，收敛速率为33．4mm／d。

(2)11号斜井工区施工的右线隧道
2003年10月3日-2004年4月15日，在F7断层泥砾带开挖长度为416m(DKl77+436—+852)，开挖速度为2．2m／d。

3月下旬发现未衬砌段250m (YDKl77+440—+690)初期支护发生大变形破坏，其中YDKl77+490—+520长30m段，间距为3榀／2m的120型钢拱架支撑全部扭曲，拱顶两侧各2 m钢支撑局部被剪断。

截至2004年4月6日5个断面观测资料表明，开挖后18天，拱部最大下沉量达227 mm(YDKl77+610)，下沉速率为12．6mm／d；边墙最大水平收敛量达548mm(YDKl77+590)，收敛速率为30．4mm／d。

3．2 千枚岩夹板岩段围岩大变形
2004年5月3日—8月1日，9号斜井工区右线隧道，在千枚岩夹板岩地层中(埋深约1 000m)开挖长度为220m(YDKl75+230—+450)，开挖进度为2．5 m／d。

施作的初期支护也发生了大变形及YDKl75+285-298段拱顶大坍方，坍高4-6 m。

2004年5月4 Et．~6月6日对YDKl76+275—+365段16个断面的观测资料显示，边墙最大水平收敛变形量为447mm，收敛速率为14mm／d，致使YDKI％+ 410—+415段架于拱脚部位的长6m、直径219mm的钢管横撑被压弯成三角形状或扭曲变形，拱顶间距为3榀／2m的120型钢拱架支撑也发生扭曲变形，局部已施作50cm厚的钢筋混凝土衬砌也发生了
开裂。

6月25日—8月1日施作的YDKl75+365 —+440、+230—+275试验段25个观测断面资料显示，开挖后27天隧道边墙最大收敛量为690mm，
收敛速率为26mm／d。

3．3 软弱围岩大变形造成的危害
上述F7活动断层泥砾带及千枚岩夹板岩地层围岩发生大变形地段，初期支护变形开裂破坏后均严重侵入了隧道衬砌净空(设计预留变形量为10cm)，不得不将初期支护全部或部分拆除重做。

此外，部分早期施作的50 cm厚钢筋混凝土衬砌已发生了局部开裂现象，也需要做补强加固处理。

4 软弱围岩特征及变形力学特性
4．1 软弱围岩特征
(1)F7断层带特征
隧道通过F，断层带宽约800 m，断层上盘为志留系千枚岩夹板岩，下盘为三叠系砂岩夹页岩、泥岩等。

施工开挖揭示断层带物质主要为断层泥砾岩、角砾岩、碎裂岩等，局部见糜棱岩。

原岩成分混杂，有千枚岩、板岩、砂岩、页岩、泥岩等。

围岩受挤压现象明显，次生结构面发育，有石英脉充填，开挖500m多未见地下水渗出。

断层带岩体软弱、破碎、潮湿，胶结程度差，呈散体状或碎裂状结构，施工开挖后易发生挤压性塑性变形。

(2)千枚岩夹板岩特征：隧道通过F6、F7之间的千枚岩夹板岩地段长约3 000 m，受构造影响严重，节理裂隙发育，岩体破碎呈散体状或鳞片状结构，且有囊状、窝状地下水渗出。

千枚岩岩质软弱，遇水易软化、崩解，施工开挖后围岩也易发生塑性变形破坏。

4．2 软弱围岩变形力学特性
根据现场测试资料分析，乌鞘岭隧道软弱围岩变形力学特性有以下几点：
(1)F7断层带以断层泥砾岩为主，挤压紧密，处于无水条件，有一定的自稳能力。

从力学性质上分析，F7断层带的围岩大变形应属于深埋(约450m)高地应力条件下的挤压—松弛型变形，即深埋、挤入、松弛产生了大变形，因而出现的变形量大，变形以水平地应力为主，且水平地应力大于垂直地应力。

上述围岩变形观测资料汇总于表2。

以水平地应力为主，且水平地应力大于垂直地应力。

5 隧道初期支护变形破坏规律
现场监测9号斜井工区正洞千枚岩夹板岩地段隧道初期支护体系(锚、网、喷、钢拱架)变形破坏规律表明：当变形量达150-250mm时，拱部喷混凝土开始出现微裂纹；当变形量达250—350mm时，拱部喷混凝土开始出现龟裂；当变形量达350—450 mm时，拱部喷混凝土开始出现局部掉快；当变形量达450—600mm时，工字钢架开始变形，继续发展将发生坍方。

6 隧道围岩大变形的影响因素分析
乌鞘岭隧道的围岩大变形与高地应力、围·岩强度、支护措施及施工方法等因素有关。

6．1 地应力场对隧道变形的影响
根据中国地震局地壳应力研究所《乌鞘岭特长隧道水压致裂地应力测量报告扩6)资料分析，隧道区地应力场具有如下特征：
(1)地应力状态
从表3所列地应力与埋深关系上看，地应力的大小随隧道埋深增大而增大。

在同一区域背景条件下，埋深小，地应力表现为以水平应力为主；埋深大，地应力表现为以垂直应力为主。

如隧道埋深小于600m的LWZ—1钻孔、LWZ—3钻孔及5号、6号斜井，水平应力一般大于垂直应力；而埋深大于800m 的7、8号斜井，则垂直应力大于水平应力。

由此说明，600—800m之间存在某一临界深度(最大水平主应力=垂直主应力)，也说明F4—F7断层“挤压构造带”呈现出水平、垂直应力共同作用的复杂应力状态。

出现这种复杂应力状态的
原因，以构造变形理论（7）的观点解释，可能与“地壳运动导致的区域构造应力(水平力)随着深度增大而递减弱化”的规律有密切关系，有待进一步研究与探索。

(2)地应力大小
从地应力实测值中可看出，在隧道标高为2 550 —2 600 m附近最大水平主应力口H 达32．84 MPa，(一般为15—25 MPa)。

隧道区岩石饱和单轴抗压强度只，为30～170MPa(据铁一院试验资料)，其应力比R／o'H值一般为1．2—11．3，最小为0．91。

根据GB／50218—94《工程岩体分类标准扩…判据：R／口H<4时为极高地应力；
(3)地应力场的方向
根据地应力测试资料分析，隧道区实测最大水平主应力方向为N10o—36 o E，平均为N22‘E；两组三维测点的最大水平主应力方向为N22 o E。

这一结果符合本区震源机制解得出的挤压应力场方向，同时与中国大陆地壳应力图所反映的区域构造应力场方向一致。

(4)地应力场与隧道变形的关系
乌鞘岭隧道洞轴线方向为N17 o W，最大水平主，应力SH的方向(N22 o E)与隧道洞轴线方向的夹角为39 o。

现以隧道埋深标高为2 552 m的一组地应力数据(回归统计值)为例，讨论地应力方向对隧道变形的影响：
可以看出，由于SH的方向与隧道洞轴线方向的夹角为39可以看出，由于SH的方向与隧道洞轴线方向的夹角为39*，致使作用在隧道侧壁上的压应力比二者平行时增大了1／3。

因此，乌鞘岭隧道通过易变形的千枚岩夹板岩、F7断层泥砾带等软弱围岩地段时，隧道侧壁压应力较大，致使隧道发生了严重的挤压变形。

6．2 围岩强度对隧道变形的影响
乌鞘岭隧道中部穿过长约8 000 m的岭脊地段(埋深450—1 lOOm)，是由F4—F7四条区域性压性大断层构成的“挤压构造带”，在此带中分布的地层有奥陶系安山岩、三叠系砂岩夹页岩、志留系千枚岩夹板岩、加里东期闪长岩及各断层带中的构造碎裂岩、泥砾岩等。

试验表明，各种岩石的抗压强度差异较大，开挖后围岩的变形程度也明显不同。

根据岩石(岩体)变形破坏理论l（7），当围岩压力超过某种岩石(岩体)的极限抗压强度时，岩石(岩体)将发生变形破坏。

从表4中可看出，由于千枚岩夹板岩的抗压强度远低于三叠系砂岩、粉砂岩、奥陶系安山岩、闪长岩的抗压强度，属软弱围岩，施工，致使作用在隧道侧壁上的压应力比二者平行时增大了1／3。

因此，乌鞘岭隧道通过易变形的千枚岩夹板岩、F7断层泥砾带等软弱围岩地段时，隧道侧壁压应力较大，致使隧道发生了严重的挤压变形。

6．2 围岩强度对隧道变形的影响
乌鞘岭隧道中部穿过长约8 000 m的岭脊地段(埋深450—1 lOOm)，是由F4—F7四条区域性压性大断层构成的“挤压构造带”，在此带中分布的地层有奥陶系安山岩、三叠系砂岩夹页岩、志留系千枚岩夹板岩、加里东期闪长岩及各断层带中的构造碎裂岩、泥砾岩等。

试验表明，各种岩石的抗压强度差异较大，开挖后围岩的变形程度也明显不同。

根据岩石(岩体)变形破坏理论（7），当围岩压力超过某种岩石(岩体)的极限抗压强度时，岩石(岩体)将发生变形破坏。

从表4中可看出，由于千枚岩夹板岩的抗压强度远低于三叠系砂岩、粉砂岩、奥陶系安山岩、闪长岩的抗压强度，属软弱围岩，施工开挖后围岩易松弛而发生塑性大变形；F7断层带以泥砾岩为主，同样属软弱围岩，施工开挖后围岩也容易发生塑性大变形。

而其它抗压强度较高的岩石(岩体)，如三叠系砂岩、粉砂岩、奥陶系安山岩、闪长岩等围岩变形量确较小。

由此可知，软弱围岩是乌鞘岭隧道发生大变形的主要物质因素。

6．3 围岩初期支护措施对隧道变形的影响
隧道发生大变形后，采用地震折射层分析法对隧道通过的F4、F7断层带及千枚岩夹板岩地段进行围岩松动圈(塑性变形区，下同)的测试，其测试资料(表5)表明，千枚岩夹板岩地段的围岩松动圈厚度最大值为3。

1 m，F4断层带围岩松动圈厚度最大值为4．5 m，F7断层带围岩松动圈厚度最大范围值为4．8—7．9 m。

此外，9号斜井工区右线正洞千枚岩夹板岩地层中YDKl75+285—298段拱顶坍方高度也达4—6m(应属松动圈范围)。

而从隧道修改预设计加固V、Ⅵ级围岩的拱墙锚杆长度分别只有3 m、4m长的情况分析可判断，该隧道设计通过V、Ⅵ级软弱围岩地段的加固力度不足，拱墙锚杆的长度偏短，大部分锚杆未能打人松动圈外稳定岩层中以形成围岩加固圈，对控制V、Ⅵ级围岩的松弛变形范围不利。

同时，设计预留变形量(8—10 cm)也显偏小。

尽管V、Ⅵ级围岩地段设置的工20拱墙刚架间距达1榀／m—3榀／2 m，也不足以抵抗巨大的围岩压力，因而使位于高地应力区的F7断层泥砾带及千枚岩夹板岩地段(V、Ⅵ级围岩)的初期支护发生大变形而严重侵入了隧道衬砌净空。

6．4 施工方法对隧道变形的影响
隧道围岩变形量的大小除与客观地质条件及控制变形的初期支护措施有关外，也与施工手段有关。

该隧道施工期间，由于工期紧迫，施工急于赶工作业，盲目追求施工开挖进度，对软弱围岩的特性认识不足，预防软岩变形措施力度不够，再加上锚喷支护体系不配套或未及时施作到位、变形监测不规范或不及时、衬砌滞后掌子面距离太远等施工行为，对F7断层带及千枚岩夹板岩地段围岩的大变形有直接影响。

如前述表2所列10号斜井工区施工的左线隧道及11号斜井工区施工的右线隧道，同样位于F7断层泥砾带内，但变形确差异较大，前者变形量“及变形速率均大于后者。

分析原因可能与左线较右线提前17天开挖、进度相对超前近40 m有关。

一是左线先施工预防软岩变形的经验与措施不足，二是左线开挖后围岩释放地应力的时间较长，三是左线地应力的先期释放可能对相距40m的右线围岩的变形控制有利，四是右线施工锚喷支护施作相对较好，故右线拱部下沉与边墙收敛变形量及变形速率均小于左线。

综上所述，深埋高地应力及软弱围岩是隧道产生大变形的内因，初期支护力度不足及施工方法不当等是外因，两者共同作用产生了隧道围岩大变形。

7 隧道围岩加固、预留变形量与二次衬砌施作时机的讨论
7．1 主动控制围岩变形的加固措施问题
深埋高地应力及软弱围岩是隧道产生大变形的内在原因，地应力客观存在无法改变，但围岩可采取措施加固。

国内外软弱围岩典型挤压性变形隧道(奥地利陶恩隧道、阿尔贝格隧道、日本惠那山隧道及我国家竹箐隧道等)的成功治理经验证明，长锚杆是主动控制软弱围岩大变形的主要手段。

应按照锚杆打人围岩松动圈外稳定岩层中不小于2m”的原则确定锚
杆长度，以使其形成较厚的围岩加固圈，从而控制围岩松弛变形范围，减少变形量及作用于被动控制变形的支护衬砌结构上的荷载，节省工程投资。

7．2 预留变形量与二次衬砌施作时机问题
基于前述软弱围岩变形力学特性及隧道初期支护变形破坏规律，为保证乌鞘岭隧道施工／顷利进行，对深埋高地应力条件下F7断层带及千枚岩夹板岩等软弱围岩地段，确定开挖轮廓及初期支护预留变形量应控制在35—45 cm为宜(尽管拱部初期支护喷混凝土开始出现龟裂或局部掉快现象，支护体系仍有一定的支撑能力)，以释放地应力后再设置刚性支护。

当初期支护变形量达到此限值时，应尽快施作二次衬砌，防止支护体系变形过大而发生隧道塌方。

这样的观点，与现行《铁路隧道设计规范》规定“二次支护应在围岩和初期支护变形基本稳定、并具备下列条件时施作：(1)隧道周边的位移速率有明显的减缓趋势；(2)水平收敛速率小于0．2mm／d或拱顶位移速率小于0．15 m山d；(3)施作二次衬砌的收敛量已达总收敛量的80％以上；(4)初期支护没有再发展的明显裂隙”有一定相悖之处。

乌鞘岭隧道施工中围岩和初期支护变形破坏反映出采的问题是还未等到满足“四个条件”时，围岩塌方就发生了，这可能与高地应力的持续作用与围岩及初期支护有限的承受能力有关。

因此，笔者根据前述初期支护变形破坏规律，仅就乌鞘岭隧道而言，提出“当初期支护变形量达到35～45 cm时，应尽快施作二次衬砌”的观点，供同行讨论与参考。

8结论与建议
(1)乌鞘岭隧道工程地质条件复杂，F4—F7断层间岭脊地段最大埋深为450—1 100 m，属高地应力区。

(2)乌鞘岭隧道最突出的问题是F4—F7断层“挤压构造带”在深埋高地应力条件下的软弱围岩大变形地质灾害，尤以志留系千枚岩夹板岩及F7活动断层挤压带的变形更为突出。

(3)不同软弱围岩变形的力学特性不同。

乌鞘岭隧道通过F7断层泥砾带的围岩大变形属深埋高地应力条件下的挤压—松弛型变形，千枚岩夹板岩地段的围岩大变形属深埋高地应力条件下的松弛—挤压型变形。

(4)隧道围岩大变形与高地应力、软弱围岩、支护措施与施工方法等因素密切相关。

乌鞘岭隧道的深埋、高地应力与软弱围岩客观自然条件无法改变，但支护措施与施工方法是可以人为控制的。

设计、施工中应加强初期支护措施，并讲究科学合理的施工方法，以防止软
弱围岩大变形灾害。

(5)乌鞘岭隧道软弱围岩变形与初期支护破坏具有规律性。

建议采用长锚杆作为主动控制围岩变形的主要手段，按照“锚杆打人围岩松动圈外稳定岩层中不小于2m”的原则确定锚杆长度，以使其形成较厚的围岩加固圈，控制围岩变形；隧道开挖轮廓及初期支护预留变形量控制在35—45 cm宜于释放地应力，当初期支护变形量达到此限值时，应尽快施作二次衬砌，以防止变形过大发生隧道塌方。

(6)高地应力条件下的软弱围岩变形与隧道初期支护、预留变形量、二次衬砌施作时机等，是一个复杂的岩石力学与工程问题，有待深入研究与探索。