高地应力软岩隧道大变形控制技术(PPT-80)

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石家庄铁道学院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。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1-2F7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)进行设计图1-3F7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。2.1高地应力、软岩的概念(1)软岩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：(2)高地应力围岩强度应力比=max/bR(2-1)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一般地应力法国隧道协会＜22~4＞4我国工程岩体分级基准＜44~7＞7日本新奥法指南(1996)＜24~6＞6日本仲野分级＜22~4＞4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。2.2隧道大变形的概念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。(a)膨胀岩的作用(1)大变形的成因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。(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。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)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。①纯剪切破坏(2)围岩破坏形式②弯曲破坏③剪切或滑动破坏图2-1挤出岩体中隧道破坏类型(a)纯剪切破坏(b)弯曲破坏(c)剪切或滑动破坏最大变形可达数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。2.3大变形的基本特征(1)变形量大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。(2)变形速度高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。(3)变形持续时间长喷层开裂、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。(4)支护破坏形式多样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。(5)围岩破坏范围大以圆形巷道在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，则围岩中任一点的应力σr、σθ可用下式表示:2.4大变形机理2.4.1洞室周边产生塑性区的条件V20Vr)/(rRV20Vθ)/(rR(2-2)以r=R0代入(2-2)式，可得：Vθ2所以当Rb/σv2时，洞室周边将产生塑性变形。根据圆形均质地层塑性区半径的理论公式：2.4.2塑性区的影响因素分析0sin2sin10cot)sin1)(cot(RcPcPRiP(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。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。(1)围岩抗压强度Rb及强度应力比Rb/σvRb/MPa强度应力比051015202500.51.01.52.00510152025F7断层区段05101520253000.511.52强度应力比Rp/m30Rp/m图2-2塑性区半径与抗压强度及强度应力比的关系图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。(2)地应力P0塑性区与地应力的关系051015202530051015202530地应力/MPa塑性区半径/mF4断层岭脊段F7断层图2-3分区段塑性与地应力的关系图2-4F7断层区段不同侧压力系数的塑性区形状(a)λ=0.75(b)λ=1.0(c)λ=1.5根据圆形均质地层洞壁位移的理论公式：2.4.3塑性半径与洞壁位移的关系02sin1sin20sin1sin2001tan1RRRRPRRcPEuppip(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。02004006008001000120014001600020040060080010001200Rp2位移/mm拱顶竖向位移墙腰水平位移图2-5洞壁位移与塑性区半径关系当仅考虑自重应力场时，隧道埋深与地应力成正比。(1)埋深2.4.4洞壁位移的影响因素图2-11F7洞壁位移随埋深的变化规律图2-6为各区段洞壁位移与埋深的关系，洞壁位移随埋深增加而增大，F7区段圆型隧道拱顶位移大于墙腰，其它区段马蹄型墙腰水平位移大于拱顶下沉。00.30.60.91.21.51.802505007501000埋深/m位移值/m墙腰拱顶6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。(2)强度应力比00.20.40.60.8100.511.522.53强度应力比位移值/m拱顶墙腰图2-7F7洞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图2-8F4断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布0100200300400500600700800900YDK170+250YDK170+500YDK170+750YDK171+000里程变形/mm拱脚水平收敛墙腰水平收敛拱顶下沉YDK170+250+500+750YDK171+000F4断层+290+440+640+740主带影响带影响带里程02004006008001000YDK174+500YDK175+000YDK175+500里程变形/mm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F7断层0100200300400500600700800YDK176+800YDK177+000YDK177+200YDK177+400YDK177+600YDK177+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2-10F7断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布(2)分区段最大变形速率与累计变形量统计2表2-9乌鞘岭隧道岭脊段分区段变形量测技术指标统计表累计变形/mm最大变形速率/mm区段左右线位置最大值平均值最大值平均值最大变形发生位置主带324.31125.1273.4625.62YDK170+495墙腰F4断层右线隧道影响带343.1091.8758.5819.55YDK170+410墙腰千枚岩为主932.45422.97165.3380.65YDK175+650拱腰志留系板岩夹千枚岩右线隧道板岩为主473.91211.25122.0538.72YDK174+555拱腰进入断层初期716.12353.54153.2170.24YDK177+505拱腰右线隧道设计施工改进后310.51124.8779.6530.76YDK177+370墙脚进入断层初期1209.38831.01167.5387.54DK177+535拱腰F7断层左线隧道设计施工改进后367.03195.6081.6135.90DK177+290拱顶2(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。图2-11最大变形速率与累计变形的关系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/mm2.5.2计算位移规律(1)深部位移变化规律00.10.20.30.40.50.60.70.80.901020304050围岩深度/m位移值/m拱顶墙腰图2-12F7断层围岩深部位移变化规律洞周位移最大，随着围岩深度的增加，位移逐渐减少。由于地应力水平较高，围岩强度较低，大变形的围岩深度较大，基本上可达洞周10.0m左右。(2)深部相对位移与洞室失稳形式图2-13为乌鞘岭隧道各区段围岩深部位相对位移的分布规律。00.040.080.120.