乌鞘岭软岩大变形隧道.ppt

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1软岩大变形隧道施工技术软岩大变形隧道施工技术2乌鞘岭隧道乌鞘岭隧道岭脊地段岭脊地段复杂应力条件下的变形控制技术研究复杂应力条件下的变形控制技术研究LOGO第3页项目概况项目概况兰新线兰武段地理位置示意图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，是亚欧大陆桥的重要组成部分。

LOGO第4页项目概况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LOGO第5页项目概况项目概况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F4F7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。

F7断层F4断层F6断层F5断层LOGO第6页乌鞘岭隧道于20032003年年33月月3030日日开工建设，2006年3月30日右线隧道开通运营，20062006年年88月月1212日日全线开通运营。

项目概况项目概况LOGO第7页国内外隧道工程中，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。

立项背景立项背景LOGO第8页从从2004年年4月，施工进入于月，施工进入于F7活动性断层带、岭脊志留系地层等地段，均发生活动性断层带、岭脊志留系地层等地段，均发生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，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。

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和和1053mm，一般，一般300700mm。

岭脊志留系千枚岩地层区段隧道收敛变形达。

岭脊志留系千枚岩地层区段隧道收敛变形达500700mm。

立项背景立项背景LOGO第9页因此，开展因此，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、处理对策及复杂应力条件下变形控制技术理论体义，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。

系具有深远意义。

v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：

v（11）大变形区段最长）大变形区段最长（7587m）（7587m）v（22）围岩强度应力比最低）围岩强度应力比最低（0.031（0.0310.063）0.063）v（33）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，具复杂和极高地应力条件v（44）隧道贯通工期仅）隧道贯通工期仅2.52.5年（右线开通工期年（右线开通工期33年），要求快速施工。

年），要求快速施工。

立项背景立项背景LOGO第10页国内外现状国内外现状11陶恩陶恩（Tauern）（Tauern）隧道隧道1970197019751975年修建于奥地利，为双向行驶之公路隧道年修建于奥地利，为双向行驶之公路隧道（单洞单洞），全长，全长6400m6400m，埋深，埋深6006001000m1000m。

新奥法的鼻祖。

新奥法的鼻祖RabcewiczRabcewicz教授亲自主持该教授亲自主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，产生了了大变形，产生了50cm（50cm（一般一般）及及120cm（120cm（最大最大）的位移，最大位移速的位移，最大位移速度达度达20cm/d20cm/d，是世界上第一座知名的大变形隧道。

由于在陶恩隧道，是世界上第一座知名的大变形隧道。

由于在陶恩隧道设计时对挤压性围岩缺乏经验，初期支护较弱设计时对挤压性围岩缺乏经验，初期支护较弱（长长4m4m锚杆，厚锚杆，厚25cm25cm喷混凝土，喷混凝土，TH3675TH3675钢架钢架）。

在洞壁发生大变形后，。

在洞壁发生大变形后，RabcewiczRabcewicz采用采用了长锚杆了长锚杆（6（69m）9m）、可缩钢架以及喷层预留纵缝等加强措施、可缩钢架以及喷层预留纵缝等加强措施（这些措这些措施至今仍在沿用施至今仍在沿用），对洞壁已侵入模注混凝土净空部位进行了危险，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，但最后仍取得了成功。

的扩挖作业，据说工程非常艰难，但最后仍取得了成功。

LOGO第11页22阿尔贝格阿尔贝格（Arlberg）（Arlberg）隧道隧道阿尔贝格隧道也在奥地利，系公路隧道，全长阿尔贝格隧道也在奥地利，系公路隧道，全长13980m13980m。

该隧道。

该隧道是紧接着陶恩隧道之后开工的是紧接着陶恩隧道之后开工的（1974（197419791979年年），设计时已吸收了陶，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，但支护变形较恩隧道的经验教训，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。

小，施工较为顺利。

隧道最大埋深隧道最大埋深740m740m，原始地应力，原始地应力13MPa13MPa，围岩为千枚岩、片麻，围岩为千枚岩、片麻岩、含糜稜岩的片岩绿泥石等，抗压强度为岩、含糜稜岩的片岩绿泥石等，抗压强度为1.21.22.9MPa2.9MPa。

为防止。

为防止大变形，设计时采用了强大的初期支护系统：

厚大变形，设计时采用了强大的初期支护系统：

厚202025cm25cm喷混凝土；喷混凝土；可缩式可缩式7575钢架；钢架；6m6m长的长的125cm125cm锚杆。

虽然如此，在局部地质较坏锚杆。

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岩层走向与隧道平行且有地下水）的地段，仍产生了的地段，仍产生了202035cm35cm的支的支护位移，变形初速度达到护位移，变形初速度达到446cm/d6cm/d，最大达，最大达11.5cm/d11.5cm/d。

在增加了。

在增加了9912m12m的长锚杆后，使变形初速度降为的长锚杆后，使变形初速度降为5cm/d5cm/d。

据统计，每延米隧道。

据统计，每延米隧道锚杆用量达锚杆用量达420m420m。

国内外现状国内外现状LOGO第12页33惠那山惠那山（Enasan）（Enasan）隧道隧道惠惠那那山山隧隧道道为为双双洞洞隧隧道道，在在日日本本中中央央公公路路的的两两宫宫线线上上。

号号隧隧道道先先修修，于于19751975年年88月月建建成成，全全长长8300m8300m，是是双双向向行行驶驶的的公公路路隧隧道道。

后后由由于于交交通通量量的的增增加加，19781978年年开开工工修修建建第第二二座座隧隧道道，即即号号隧隧道道，该该隧隧道道全全长长8635m8635m，于于19851985年年建建成成。

这这两两座座隧隧道道平平行行，通通过过的的地地层层是是一一样样的的，其其中中有有一一个个长长400m400m的的长长平平泽泽断断层层非非常常软软弱弱，为为风风化化的的变变质质角角页页岩岩（已已粘粘土土化化），单单轴轴抗抗压压强强度度仅仅1.71.74.0MPa4.0MPa，该该处处埋埋深深约约400m400m。

特特别别使使人人感感兴兴趣趣的的是是，为为通通过过这这同同一一条条断断层层，号号隧隧道道采采用用刚刚性性支支护护，而而号号隧隧道道采采用用新新奥奥法法的的柔柔性性支支护护，从从而而可可进进行行效效果果对对比。

比。

国内外现状国内外现状LOGO第13页33惠那山惠那山（Enasan）（Enasan）隧道隧道号隧道采用的断面型式如图号隧道采用的断面型式如图2-62-6。

主洞开挖时先以。

主洞开挖时先以0.8m0.8m间距安间距安设重型钢架设重型钢架（H250）（H250）并辅以衬板，先后浇注二层模筑混凝土。

由于变并辅以衬板，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，因此在浇注第二层混凝土时形很快而且数值大，钢架被大量破坏，因此在浇注第二层混凝土时又补充了又补充了H200H200钢架钢架（0.8m）（0.8m）。

值得注意的是，虽然模筑混凝土衬砌。

值得注意的是，虽然模筑混凝土衬砌总厚总厚1.2m1.2m，而且加入了大量的重型钢架，衬砌仍然发生了大规模的，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。

开裂，最后不得不用钢纤维加筋混凝土来反复修补。

吸收了吸收了号隧道的教训后，号隧道的教训后，号隧道采用新奥法柔性初期支护。

号隧道采用新奥法柔性初期支护。

其特点是：

采用长锚杆其特点是：

采用长锚杆（设计长度为设计长度为6m6m，施工时加长到，施工时加长到9913.5m）13.5m）；预留变形量预留变形量（上半部为上半部为50cm50cm，下半部为，下半部为30cm）30cm）；钢纤维喷混凝土钢纤维喷混凝土（厚厚25cm）25cm）及可缩式钢架；二次衬砌为及可缩式钢架；二次衬砌为45cm45cm厚的素混凝土。

隧道断面见厚的素混凝土。

隧道断面见图图2-72-7，最终发生的初期支护位移为，最终发生的初期支护位移为202025cm,25cm,最大最大56cm56cm，说明长锚，说明长锚杆发挥了作用。

杆发挥了作用。

国内外现状国内外现状LOGO第15页44家竹箐隧道家竹箐隧道家家竹竹箐箐隧隧道道是是我我国国南南昆昆铁铁路路上上的的著著名名险险洞洞（单单线线铁铁路路隧隧道道），以以高高瓦瓦斯斯、高高地地应应力力、大大涌涌水水而而著著称称。

由由于于煤煤系系地地段段软软弱弱（Rb=1.7MPa）（Rb=1.7MPa），且且地地应应力力较较高高（16.09MPa）（16.09MPa），在在390m390m长长的的地地段段内内产产生生了了大大变变形形，洞洞壁壁位位移移606080cm（80cm（最最大大160cm）160cm），拱拱顶顶下下沉沉接接近近100cm100cm。

之之所所以以变变形形这这么么大大，与与设设计计阶阶段段对对大大变变形形缺缺乏乏判判断断有有关关，当当时时国国内内对对高高地地应应力力挤挤压压性性围围岩岩尚尚缺缺乏乏认认识识，以以为为只只是是一一般般的的软软弱弱地地层层，故故只只采采用用了了一一般般标标准的初期支护准的初期支护（这一点和陶恩隧道相似这一点和陶恩隧道相似）。

施工中的变更设计是：

。

施工中的变更设计是：

国内外现状国内外现状LOGO第16页44家竹箐隧道家竹箐隧道

（1）

（1）改善洞形，加大边墙曲率；改善洞形，加大边墙曲率；

（2）

（2）将预留变形量加大为将预留变形量加大为45cm（45cm（拱拱）及及25cm（25cm（墙墙）；（3）（3）系统锚杆加长为系统锚杆加长为8m（8m（后期经应力量测，隧底锚杆减为后期经应力量测，隧底锚杆减为447m）7m）；（4）（4）喷混凝土加厚喷混凝土加厚（初喷初喷20cm20cm，复喷，复喷15cm）15cm），设三道纵缝；，设三道纵缝；（5）（5）钢架改为钢架改为U29U29可缩式；可缩式；（6）（6）双层模注混凝土衬砌，其中外层为双层模注混凝土衬砌，其中外层为55cm55cm钢纤维配筋混凝土钢纤维配筋混凝土（主要主要受力结构受力结构），内层为，内层为25cm25cm钢纤维混凝土钢纤维混凝土（安全储备安全储备），两层之间为，两层之间为HDPEHDPE瓦斯隔离层。

瓦斯隔离层。

国内外