专题十一高地应力软岩隧道大变形控制技术乌鞘岭隧道岭脊...

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1、图图1-1 F7断层圆形断面断层圆形断面图图1-2 椭圆形断面椭圆形断面max/bR 图图2-1 挤出岩体中隧道破坏类型挤出岩体中隧道破坏类型(a)纯剪切破坏纯剪切破坏(b)弯曲破坏弯曲破坏(c)剪切或滑动破坏剪切或滑动破坏 V20Vr)/(rRV20V)/(rRV20sin2sin10cot)sin1)(cot(RcPcPRiPRb/MPa强度应力比强度应力比051015202500.51.01.52.00510152025F7断层区段断层区段05101520253000.511.52强度应力比Rp/m30Rp/m图图2-6 塑性区半径与抗压强度及强度应力比的关系塑性区半径与抗压强度及强度应

2、力比的关系051015202530051015202530地应力/MPa塑性区半径/mF4断层岭脊段F7断层图图2-7 分区段塑性与地应力的关系分区段塑性与地应力的关系图图2-8 F7断层区段不同侧压力系数的塑性区形状断层区段不同侧压力系数的塑性区形状(a)=0.75(b)=1.0(c)=1.502sin1sin20sin1sin2001tan1RRRRPRRcPEuppip02004006008001000120014001600020040060080010001200Rp2位移/mm拱顶竖向位移墙腰水平位移图图2-9 洞壁位移与塑性区半径关系洞壁位移与塑性区半径关系图图2-11 F7洞壁

3、位移随埋深的变化规律洞壁位移随埋深的变化规律00.30.60.91.21.51.802505007501000埋深/m位移值/m墙腰拱顶00.20.40.60.8100.511.522.53强度应力比位移值/m拱顶墙腰图图2-18 F7洞壁位移随强度应力比的变化规律洞壁位移随强度应力比的变化规律图图2-19 F4断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布0100200300400500600700800900YDK170+250YDK170+500YDK170+750YDK171+000变形/mm拱脚水平收敛墙腰水平收敛拱顶下沉YDK170+250+500+750YD

4、K171+000F4断层+290+440+640+740主带影响带影响带里程02004006008001000YDK174+500YDK175+000YDK175+500拱顶下沉拱脚水平收敛墙脚水平收敛YDK174+500YDK175+000+500+900变形/mm斜井开口YDK175+330板岩占50%80%千枚岩占60%85%兰州方向武威方向里程图图2-20 志留系板岩夹千枚岩区段右线隧道变形沿隧道纵向分布志留系板岩夹千枚岩区段右线隧道变形沿隧道纵向分布F7断层0100200300400500600700800YDK176+800 YDK177+000 YDK177+200 YDK177

5、+400 YDK177+600 YDK177+800里程变形/mm拱顶下沉拱脚水平收敛墙脚水平收敛YDK176+800+200+400+600+800YDK177+000变形/mm影响带主带影响带里程图图2-21 F7断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布图图2-23 最大变形速率与最大变形速率与累计变形的关系累计变形的关系umax=4.2923upmaxR2=0.58821101001000100001101001000最大变形速率upmax/mm累计变形umax/mm最大变形速率/mm00.10.20.30.40.50.60.70.80.90102030405

6、0围岩深度/m位移值/m拱顶墙腰图图2-25 F7断层围岩深部位移变化规律断层围岩深部位移变化规律00.040.080.120.160.20.240.2801020304050距洞周距离/m00.040.080.120.160.20.240.2801020304050距洞周距离/m F7水平深部位移水平深部位移F7拱顶竖向深部位移拱顶竖向深部位移图图2-27 各区段围岩深部位移相对变化量随深度变化规律各区段围岩深部位移相对变化量随深度变化规律相对位移/%相对位移/%表表2-11 曲线拐点位置、塑性区边缘和剪应力最大等值线位置距洞周距离曲线拐点位置、塑性区边缘和剪应力最大等值线位置距洞周距离/m

7、区段区段曲线拐点曲线拐点最大塑性区范围最大塑性区范围剪应力最大等值线范围剪应力最大等值线范围F4竖向竖向6.5水平水平15.517.515.5F7竖向竖向10.816.510.8水平水平10.817.010.8志留系板岩志留系板岩夹千枚岩夹千枚岩竖向竖向8.3水平水平18.122.318.1 表表3-1 预留变形量预留变形量(mm)规范或标准名称规范或标准名称围岩级别围岩级别铁路单线铁路单线(公路双车道公路双车道)铁路双线铁路双线(公路三车道公路三车道)IIIIVVVIIIIIVVVI铁路隧道设计规范铁路隧道设计规范TB10003-2001103030505070701003050507070

8、100设计确定设计确定铁路隧道设计规范铁路隧道设计规范TB10003-2005103030505080设计设计确定确定3050508080120设计确定设计确定公路隧道设计规范公路隧道设计规范JTG D70-20042050508080120现场量现场量测确定测确定508080120120150现场量现场量测确定测确定新奥法指南新奥法指南30505070507070100日本新奥法指南日本新奥法指南257575150150(膨胀岩膨胀岩)50150150300300(膨胀岩膨胀岩)标准设计标准设计(专隧专隧0014)204080120表表3-2 铁路隧道大变形的变形量划分表铁路隧道大变形的变形

9、量划分表单线隧道单线隧道(cm)2550507070双线隧道双线隧道(cm)407070100100大变形的等级大变形的等级 表表3-6 公路隧道围岩大变形分级方案公路隧道围岩大变形分级方案级级别别主要特征主要特征一般估判变形一般估判变形量量(mm)相对变形相对变形量量(%)一一级级开挖后即有较大的围岩位移，且持续时间较开挖后即有较大的围岩位移，且持续时间较长，喷层出现裂缝，施设初期支护力度不够长，喷层出现裂缝，施设初期支护力度不够15301.53二二级级围岩延续位移较为显著，变形速度较大，喷围岩延续位移较为显著，变形速度较大，喷层开裂现象较为明显，洞底有隆起现象，支层开裂现象较为明显，洞底有

10、隆起现象，支护变形的程度及范围逐渐扩大护变形的程度及范围逐渐扩大305035三三级级围岩变形显著，洞底明显隆起，喷层大多裂围岩变形显著，洞底明显隆起，喷层大多裂开剥落，并与钢架脱离，钢架等严重变形挠开剥落，并与钢架脱离，钢架等严重变形挠曲，支护变形的程度和范围进一步扩大曲，支护变形的程度和范围进一步扩大505 表表3-7 大变形等级之现场判定大变形等级之现场判定大 变 形 等大 变 形 等级级Ua/a(%)双车道双车道公 路 隧公 路 隧道道单线单线铁 路 隧铁 路 隧道道初期支护破坏现象初期支护破坏现象轻度轻度3620351525喷混凝土层龟裂喷混凝土层龟裂，钢架局部与喷层脱离，钢架局部与喷

11、层脱离中等中等61035602545喷混凝土层严重开裂，掉块，局部钢架变形，喷混凝土层严重开裂，掉块，局部钢架变形，锚杆垫板凹陷锚杆垫板凹陷严重严重106045现象同上，但大面积发生，且产生锚杆拉断现象同上，但大面积发生，且产生锚杆拉断及钢架变形扭曲现象及钢架变形扭曲现象 表表3-9 按位移量的变形等级划分表按位移量的变形等级划分表大变形的等级大变形的等级相对位移相对位移(%)35588 表表3-10 按强度应力比的变形等级划分表按强度应力比的变形等级划分表大变形的等级大变形的等级强度应力比强度应力比0.50.250.250.150.15 表3-11 按原始地应力的变形等级划分表大变形的等级大

12、变形的等级原始地应力原始地应力(MPa)510101515表表3-12 按弹性模量的变形等级划分表按弹性模量的变形等级划分表大变形的等级大变形的等级弹性模量弹性模量(MPa)20001500150010001000vbvRE211表表3-13 按综合系数的变形等级划分表按综合系数的变形等级划分表大变形的等级大变形的等级6030301515 表表3-14 变形等级划分的综合指标判定法变形等级划分的综合指标判定法大变形的等级大变形的等级相对变形相对变形(%)35588强度应力比强度应力比0.50.250.250.150.15原始地应力原始地应力(MPa)510101515弹性模量弹性模量(MPa)

13、20001500150010001000综合系数综合系数6030301515围岩及支护特征围岩及支护特征开挖后洞壁围岩位移较大，开挖后洞壁围岩位移较大，持续时间较长；一般支护持续时间较长；一般支护开裂或破损较严重开裂或破损较严重开挖后围岩位移开挖后围岩位移大，持续时间长；大，持续时间长；一般支护开裂或一般支护开裂或破损严重破损严重开挖后围岩位移很大，开挖后围岩位移很大，持续时间很长；一般持续时间很长；一般支护开裂或破损很严支护开裂或破损很严重重表表3-15 不同大变形等级的防治措施不同大变形等级的防治措施措施内容措施内容大变形的等级大变形的等级设计设计改善洞室形状改善洞室形状采用采用采用采用初

14、期初期支护支护锚杆、钢架、网、喷联合支护锚杆、钢架、网、喷联合支护采用采用采用采用采用采用喷砼中掺钢纤维喷砼中掺钢纤维采用采用采用采用补强长锚杆补强长锚杆采用采用采用采用H型钢型钢采用采用预留变形量预留变形量(mm)150250250350350400多重、分次支护多重、分次支护采用采用采用采用采用采用二次二次衬砌衬砌钢筋混凝土钢筋混凝土采用采用采用采用采用采用施工施工分步开挖、多重、分次支护分步开挖、多重、分次支护采用采用采用采用采用采用加强监控量测加强监控量测采用采用采用采用采用采用弱爆破、短台阶、早封闭弱爆破、短台阶、早封闭采用采用采用采用采用采用循环进尺循环进尺(m)22.5120.5

15、1 表表5-1 F7断层实测压力估算侧压力系数结果汇总断层实测压力估算侧压力系数结果汇总项目项目初支初支二衬二衬断面断面位置位置左迂左迂+210左迂左迂+290左迂左迂+435左隧左隧+340左隧左隧+568右隧右隧+345左隧左隧+340左隧左隧+568左隧左隧+580右隧右隧+345右隧右隧+485右隧右隧+525侧压力侧压力系数系数0.6101.4911.2330.5930.2690.9111.4580.7784.3891.3261.4772.414平均值平均值0.7271.636左线隧道平均左线隧道平均0.813；右线隧道平均；右线隧道平均1.380；左线迂回导坑平均；左线迂回导坑平均

16、0.930总平均总平均0.995拱部拱部边墙边墙平均平均41.893.962.226.6%70.6%28.3%100%100%100%100%47.3%31.5%初期支护图图5-1 F7断层区段二衬分担压力比例断层区段二衬分担压力比例横断面分布示意图横断面分布示意图 020040060080010001200300350400450500550600里程(DK177+)变形值/mm拱顶下沉轨面上1.5m水平收敛轨面上2.5m水平收敛拆换前轨面上1.5m水平收敛初支拆换段新开挖段图图5-2 F7断层区段左线隧道变形量测值沿隧道纵向分布断层区段左线隧道变形量测值沿隧道纵向分布图图5-3衬砌补强设计

17、方案衬砌补强设计方案表表6-1 F4断层区段隧道极限位移断层区段隧道极限位移 单位：单位：(mm)极限位移性质极限位移性质拱顶下沉拱顶下沉拱脚水平收敛拱脚水平收敛墙腰水平收敛墙腰水平收敛毛洞隧道毛洞隧道227488570初支后隧道初支后隧道92.8302342二衬后隧道二衬后隧道98.1318362表表6-2 岭脊千板岩地层区段隧道极限位移岭脊千板岩地层区段隧道极限位移 单位：单位：(mm)极限位移性质极限位移性质拱顶下沉拱顶下沉拱脚水平收敛拱脚水平收敛墙腰水平收敛墙腰水平收敛毛洞隧道毛洞隧道50111781304初支后隧道初支后隧道227710770二衬后隧道二衬后隧道228742812表表

18、6-3 F7断层区段隧道极限位移断层区段隧道极限位移 单位：单位：(mm)极限位移性质极限位移性质拱顶下沉拱顶下沉墙腰水平收敛墙腰水平收敛毛洞隧道毛洞隧道400660初支后隧道初支后隧道136272二衬后隧道二衬后隧道140280表表6-4 乌鞘岭隧道岭脊段位移控制基准乌鞘岭隧道岭脊段位移控制基准 (单位单位:mm)管理等级管理等级管理位移管理位移施工状态施工状态U150可正常施工可正常施工150U300应加强支护或二次衬砌应加强支护或二次衬砌U300停工，并及时采取加固措施停工，并及时采取加固措施注：注：U-隧道开挖后隧道总变形量隧道开挖后隧道总变形量 0.010.11101001000YD

19、K175+000YDK175+200YDK175+400YDK175+600YDK175+800YDK176+000里程变形/mm初支变形二衬变形图6-1 志留系板岩夹千枚岩区段右线隧道初支与二衬变形对比关系图6-2 F4断层区段二衬前支护变形速率与二衬变形关系02468101214YDK170+000 YDK170+200 YDK170+400 YDK170+600 YDK170+800 YDK171+000里程变形(变形速率)/mm(mmd-1)二衬前初支变形速率二衬变形表表6-5 二衬开裂断面对应初支变形二衬开裂断面对应初支变形区段区段断面断面初支变形初支变形二衬变形二衬变形/mm最终值

20、最终值/mm最大速率最大速率最终速率最终速率数值数值/mmd-1比例比例数值数值/mmd-1比例比例F4区段区段YDK170+480215.825.111.6%1.210.6%3.972YDK 170+530116.616.614.2%2.542.2%3.213F7区段区段YDK 177+465435378.5%6.001.4%5.96YDK 177+480429409.3%4.000.9%13.36YDK 177+530660436.5%7.001.1%16志留系志留系板岩夹板岩夹千枚岩千枚岩区段区段YDK 175+255115.735.430.6%1.000.9%YDK 175+26536

21、0.558.916.3%9.682.7%15.13YDK 175+270196.939.119.9%7.563.8%注：表中注：表中“比例比例”一项均指与初支变形最终值相比。一项均指与初支变形最终值相比。u极极=u弹弹+u失失+u测测(极限状态极限状态)(5-1)表表6-6 前期丢失位移统计结果前期丢失位移统计结果区段区段项目项目丢失丢失天数天数/d总量总量测测天数天数/d前期丢失位移前期丢失位移统计断面统计断面实测变形实测变形/mm统计断统计断面数面数/个个全部断面全部断面实测变形实测变形/mm全部断全部断面面计算变计算变形形/mm量值量值/mm比例比例F4断层断层拱顶下沉拱顶下沉3.274

22、4.778.537.5%22.674227.650.95墙腰水平收敛墙腰水平收敛1.3923.3528.6127.2%105.1442124.01183.75志留系志留系拱顶下沉拱顶下沉4.5216.1916.2339.1%41.533253.9102.96拱脚水平收敛拱脚水平收敛1.5815.1761.6726.9%229.432380.36540.61F7右线右线拱顶下沉拱顶下沉1.7415.2619.6124.9%78.7430139.5209.24拱脚水平收敛拱脚水平收敛1.6815.3224.3622.1%110.0430136.11232.24墙腰水平收敛墙腰水平收敛2.6111.

23、1539.330.0%130.930233.01368.97F7左线左线拱顶下沉拱顶下沉3.7918.4164.8232.0%202.2632156.66241.87拱脚水平收敛拱脚水平收敛3.0311.976.2834.6%220.5932191.97324.35墙腰水平收敛墙腰水平收敛3.4112.7381.2938.6%210.6732187.32325.60注：注：(1)前期丢失位移的前期丢失位移的“比例比例”一项是指与统计断面的实测变形相比；一项是指与统计断面的实测变形相比；(2)计算变形以全部断面实测变形统计值为依据。计算变形以全部断面实测变形统计值为依据。表表6-7 乌鞘岭隧道二

24、衬施作时机乌鞘岭隧道二衬施作时机项目项目常规变形常规变形大变形等级大变形等级相对变形相对变形0.50.50.250.250.150.15原始地应力原始地应力(MPa)200020001500150010001000综合系数综合系数606030301515n380%90%70%80%65%75%60%70%u测测/u极极55%62%47%55%43%51%39%47%v终终/u测测0.5%0.5%1.0%0.5%1.5%0.5%2.0%注：注：(1)n3为实际已发生的位移为实际已发生的位移(u计计)与极限位移的比值；与极限位移的比值；(2)u测测/u极极为量测变形与极限位移的比值；为量测变形与极限位移的比值；(3)v终终/u测测为二衬施作前日变形量与实测初支累计变形的比值。为二衬施作前日变形量与实测初支累计变形的比值。5m5m仰拱仰拱衬砌衬砌1520m65m70m图7-1 断层带施工工序示意图 图11-2 F7断层带隧道开挖施工工序核心土1131153558420200719.52007507505000拱墙衬砌仰 拱预留核心土200