软岩大变形研究现状.docx

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软岩大变形研究现状

软岩大变形研究现状

隧道围岩大变形阶段报告

1．概述

深埋隧道通过软岩和断层带时，在高的地应力和富水条件下通常产生大变形。

这种隧道围岩变形量大，而且位移速度也很大，一般可以达到数十厘米到数米，如果不支护或支护不当，收敛的最终趋势是隧道将被完全封死，如果发生在永久衬砌构筑以前，往往表现为初期支护严重破裂、扭曲，挤出面侵入限界。

这种大变形危害巨大，严重影响施工工期或者线路正常运营，而且整治费用高昂。

在国内外相继出现了大量的隧道围岩大变形工程实例，并且在治理这些问题中取得了很多经验。

日本的岩手隧道，长25.8km，采用新奥法施工。

地质条件为凝灰岩及泥岩互层，单轴抗压强度为2~6MPa。

施工中净空位移和拱顶沉降都是很大的，上断面的净空位移100~400mm，最大到411mm；下断面的净空位移最大为200mm，拱顶下沉为10~100mm。

日本惠那山隧道，长8.635km，围岩以花岗岩为主，其中断层破碎带较多，局部为粘土，岩

向斜东翼，属单斜构造，岩层产状N20°～35°E/18°～30°NW。

由于距向斜轴部较远，故皱褶、断层不发育，只在隧道中部煤系地层中发育有一正断层F1，其破碎带宽15～20m。

隧道横穿家竹箐煤田。

隧道南段为玄武岩，北段为灰岩，北段为灰岩，中部3890m为砂、泥岩及为钙质、泥质胶结的砂岩夹泥岩的煤系地层。

隧道掘进进入分水岭之下的地层深部后，在接近最大埋深（404m）的煤系地层地段，由于高地应力的作用，锚喷支护相继发生严重变形。

在一般地段，拱顶下沉为50-80cm，侧壁内移50-60cm，底部隆起50-80cm；在变形最严重地段，拱顶下沉达到240cm，底部隆起达到80-100cm，侧壁内移达到160cm。

为整治病害具体措施如下:

①设置特长锚杆加固地层；②改善隧道断面形状，加大边墙曲率；③采用先柔后刚、先放后抗的支护措施；④加大预留变形量；⑤提高二次衬砌的刚度；⑥加强仰拱。

大变形得到迅速整治，衬砌施工后，结构完好，未出现任何开裂现象，经预埋的应力、应变计测试，有足够的安全储备。

木寨岭隧道全长1710m，穿越地层围岩主要为二叠系炭质板岩夹砂岩及硅质砂板岩。

存在的主要构造体系是山字型构造体系。

属地应力集中区，隧道穿越区为沟谷侧，原始地应力难以释放。

隧道主要地质为炭质板岩夹泥岩，局部泥化软弱，呈灰黑色，围岩层理呈褶皱状扭曲变形严重，大部分地段围岩较破碎，洞身渗涌水频繁，部分地段呈股流。

隧道在高地应力大变形地段，严重处拱顶累计下沉达155cm。

经研究主要采取的处理措施有：

①开挖总体采用双侧壁法；②初期支护钢架及临时支撑采用I22型工字钢、自进式锚杆，超前支护小导管，拱脚两侧增设小导管锁脚。

导坑开挖时预留变形；③修改原设计仰拱；④二次衬砌采用双层钢筋网，与仰拱预留钢筋焊接；⑤对需换拱段及开挖后变形较大的地段，除施作长的自进式锚杆外，再采用小导管进行双液注浆。

2．发生围岩大变形的地质条件及隧道围岩大变形发生机理

大变形目前还没有一个统一的定义，目前有的学者提出根据围岩变形是否超支护的预留变形量来定义大变形,即在隧道，如果初期支护发生了大于25cm（单线隧道）和50cm（双线隧道）的位移，则认为发生了大变形。

姜云、李永林等将隧道围岩大变形定义为：

隧道及地下工程围岩的一种具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏,它既区别于岩爆运动脆性破坏，又区别于围岩松动圈中受限于一定结构面控制的坍塌、滑动等破坏。

同时将隧道围岩大变形分为受围岩岩性控制、受围岩结构构造控制和受人工采掘扰动影响三个大的类型。

2.1大变形发生的地质条件

发生大变形的隧道一般具有以下地质特征：

（1）隧道围岩条件。

发生大变形的围岩主要有：

①显著变质的岩类，如片岩、千枚岩等；②膨胀性凝灰岩；③软质粘土层和强风化的凝灰岩；④凝灰岩和泥岩分互层；⑤泥岩破碎带和矿化变质粘土等。

这类围岩的凝聚强度c值较低，内摩擦角

值很小，单轴抗压强度较低。

（2）隧道处于高应力区，且大变形地段的隧道一般埋深在100m以上。

（3）隧道围岩的天然含水量大。

2.2隧道围岩大变形发生的机理

人们通常把大变形机制分为两大类：

（1）大变形的原因之一，是开挖形成的应力重分布超过围岩强度而发生塑性变化。

如果发生缓慢就属于挤出（如果是立刻发生就属于岩爆）。

（2）大变形的原因之二，是岩石中的某些矿物成分和水反应而发生膨胀。

发生膨胀变形的围岩在开挖时一般有较高的强度，变形主要发生在隧道运营过程中，一般表现为底部鼓起，而隧道顶部和边墙保持较好的工作状态。

在隧道通过炭质板岩和断层带时，引起大变形的原因主要为第一条。

同时国内外学者也认为，软岩隧道的大变形可以描述为一种以挤出为主、膨胀为辅的水-力耦合过程。

而对于第一条原因目前国内外学者认为围岩挤出是开挖引起的应力重分布超过岩体强度时屈服的结果，并且通过一些列的研究将围岩挤出的力学机制分为以下三大类：

（1）完全剪切的破坏（如图1a）。

在连续的塑性岩体及含有大开裂度裂隙的非连续岩体中会发生这种破坏。

（2）弯曲破坏（如图1b）。

一般发生在千枚岩及云母片岩等变质岩或泥岩、油页岩、泥质砂岩及蒸发岩等薄层状塑性沉积岩中。

（3）剪切和滑动破坏（如图1c）。

发生于相对厚层的沉积岩中，包括沿层面的滑动和完整岩石的剪切两种破坏形式。

（a）完全剪切的破坏（b）弯曲破坏（c）剪切和滑动破坏

图1挤出性围岩隧道失稳形式分类

3．大变形的预测研究现状

隧道的大变形给隧道施工和运营造成了很大的困难，国内外学者对隧道大变形的预测进行了大量的研究。

目前在预测隧道变形的方法中具有代表性的有C&C法，这种方法由Egger（1973）、Kastner（1974）和Hoek、Brown（1980）提出，并逐步完善。

这种方法基于以下假设：

（1）圆形隧道；

（2）课题可以概化为二维平面应变问题；

（3）均质各向同性介质；

（4）弹-塑性材料；

（5）现场地应力属于静水压力场；

（6）均匀的径向支护压力。

其计算公式如下：

（1）弹性状态下的围岩位移（

）

（1）

其中，

、

分别为岩石的泊松比和杨氏模量；

、

分别为地静压力和支护压力；

为隧道半径。

（2）塑性状态下的位移（

）

Hoek-Brown方法：

（2）

式中

当

时，

；

时，

式中，

、

为破碎岩石的常数；

、

、

分别为弹性和塑性边界处的半径、位移和径向应力。

此外还有Egger和Kastner也提出了相应的塑性状态向的围岩位移预测方法。

4．大变形的一般治理措施

根据国内外的施工经验，对大变形的治理措施归纳如下：

（1）加强稳定掌子面的辅助措施

①正面喷混凝土和打锚杆；

②打超前锚杆或钢筋。

（2）加强基脚的措施，这是基本的，即首先要把底鼓和侧壁的挤入控制住,包括：

①向底部地层注浆加固；

②向两侧打底部锚杆；

③支撑加底部及加劲肋；

④设底部横撑或临时仰拱。

（3）防止断面挤入的措施

①增打加长锚杆,主要在两侧,锚杆长度一定要深入到围岩塑性区一定范围才有效果；

②设底部横撑，打底部锚杆，修筑仰拱，这是极为重要的工程措施；

③缩短台阶长度，及早闭合；

④下半断面、仰拱同时施工；

⑤设纵向伸缩缝，采用可缩性支撑

（4）防止衬砌开裂的措施

①采用湿喷钢纤维混凝土；

②设加强钢筋；

③设纵向伸缩缝。

（5）设立日常量测管理体制及管理基准

①监测初期位移速度；

②最终位移值的预测；

③建立控制基准值；

（6）加强施工地质预报

①预测和预报掌子面前方的地质状态；

②建立地质数据库，及时反馈；

③各种岩类的特性试验数据的测试。

这些措施是综合的，是相互补充的，应视具体情况采用。

这些措施也是一般性的，当条件变化很大时，还要采用一些特殊的辅助施工措施，如注浆加固，改良岩体等措施。

5．郎洞断层束破碎带地质概况

5.1二郎洞断裂带（F3）

该断层位于二郎洞附近，西起阿尔扎沟以西，向南经果可沟沟脑、二郎洞、肯德隆沟、茶卡北山以北，延伸长度约130km。

该断裂是北侧南祁连海西期地槽和南侧南秦岭印支期地槽的分界断层，沿断裂带岩浆活动强烈，断层两侧岩层破碎，沿断裂有一系列与之近于平行的断裂，共同组成断层束，断层两侧岩层产状较乱，多拖拉现象和挠曲。

地貌上主要表现为一系列断层谷地、垭口和洼陷地带，航、卫片上线性影像明显。

断层形成于华力西期，在印支期以来仍有活动。

断层产状：

N40°～70°W/40°～80°N，属逆断层，主断层破碎带宽100～500m，断层西段发生过6级地震，东段可见第四系中更新统地层中的断坎，未见第四系全新统地层错动，该断层在隧道通过附近主要表现为断层负地形，未见新活动迹象，属晚更新世活断层。

隧于DK303+611～DK304+071，通过长度460m，由断层泥砾及碎裂岩组成，Ⅴ级-Ⅵ级围岩。

由于该断裂为区域性深大断裂，断层规模大，并且未来还有发生中强地震的可能性，因此对工程影响较大。

5.2围岩情况

隧道在二郎洞断裂带附近，岩性主要为石炭系片岩、大理岩、志留系变质砂岩夹板岩，受地质构造影响较严重，岩体节理、裂隙较发育。

其中软岩占主体。

5.3涌水情况

该区地下水类型主要为基岩裂隙水、构造裂隙水，岩层富水性较差，为弱富水区。

根据地表测流，本区地下水径流模数M=563.72m3/d·km2，水化学类型属HCO3-Ca·Na型水，矿化度小于1g/L，地下水无侵蚀性。

双线同时施工时参数常涌水量为3825.12m3/d，最大涌水量为7650.24m3/d。

5.4地应力

根据场址及邻近地区的震源机制解和区域水平运动及构造应变场特征，可以看出本区域构造应力场主压应力优势方位为北东向。

根据实测结果，隧道部位最大主应力方向为N33°E～N43°E，平均为N38°E，和隧道轴线（线路走向N54°E）的夹角为21°～11°，平均为16°。

根据3个孔地应力的实测结果分析，最大水平主应力的最大值为22.04MPa，DSZ-8孔最大水平主应力测值明显高于DSZ-1孔、DSZ-7孔，而DSZ-8孔位于f17断层附近（F3断裂带内），说明，随着钻孔所处构造部位的不同，所反映的构造应力强度差异也较大，在断裂带附近存在应力集中现象。

根据《工程岩体分级标准》（GB50218—94）、岩体物理力学参数及弹性力学公式，在3个孔共19个测段中，Rc/σmax<4的极高地应力占全部测段的15.8%，4

经综合分析，岭脊埋深较大的石炭系变质砂岩及片岩段可能存在高地应力问题。

5.5结论

根据2.1大变形发生的地质条件，并结合实测的地应力结果和隧道区工程地质、水文地质特征，软弱围岩（主要指断层破碎带及一定影响范围内）存在发生较大变形的可能。

6．关角隧道F3断层影响带大变形治理建议及注意事项

结合中国中铁隧道集团通过对乌鞘岭隧道千枚岩大变形的研究，引用其控制大变形的快速施工指导思想：

（1）开挖支护、仰拱作业区，上下断面及仰拱的各工序在时间和空间上优化组合，实现稳步有序作业，平行交叉作业。

（2）分秒必抢，将围岩暴露时间和结构不利受力状态压缩至最短，使初期支护结构及早、快速封闭成环，从而有效控制变形。

（3）超前支护、钻爆、锚杆、锚索、注浆、立拱等关键工序实行标准化作业。

（4）石变我变，主动支护，步步为营，稳中求快。

6.1治理建议

结合以往隧道围岩施工的成功经验建议如下措施：

（1）措施一

6．乌鞘岭隧道控制大变形经验及和关角隧道F3断层影响段比较

6.1乌鞘岭隧道变形情况治理经验

乌鞘岭隧道设计为两座单线隧道，隧道长20050m，隧道洞身最大埋深1100m左右。

隧道所经过地层岩性复杂，分布主要受区域断裂构造控制。

主要有第四系、第三系、白垩系、三叠系、志留系、奥陶系等，并伴有加里东晚期的侵入。

隧道施工中，在辅助坑道和正洞均发生过较为严重的变形，在高地应力下隧道发生极其严重变形，出现支护裂损、钢架扭曲，净空侵限明显等现象。

乌鞘岭隧道在穿越岭脊复杂地段时出现了软岩挤压大变形问题,尤其是F7断层带，变更设计前左线隧道最大拱顶下沉1053mm（DK177+495），平均下沉30~35mm/d，一般在500~600mm左右;左线隧道内轨上1.5m收敛值最大1034mm（DK177+590），一般为700mm左右，拱脚最大978mm,一般为300~700mm；右线隧道最大拱顶下沉227mm（YDK177+610），一般在100~200mm左右；右线隧道内轨4m收敛值最大548mm（YDK177+590），一般为300~400mm左右。

由于施工中发生严重变形，乌鞘岭隧道在大变形段均采用钻爆法施工、台阶法开挖，台阶长度4－5m，人工手持风钻上下台阶分部钻眼、装药、连线及同时进行光面微差控制爆破；立I20或H175钢拱架3榀/2m，拱部设φ42超前小导管，长度4m，环向间距25m，注水泥水玻璃双液浆，全断面喷射C20钢纤维砼，厚度25cm，径向采用φ42注浆锚管，间距0.8×0.8m，锚管长度拱部4m，边墙6m，梅花布置，拱墙设φ8钢筋网，网格间距25×25cm。

循环进尺一般为1.4m或2.0m。

通过以上措施控制了变形，顺利通过了大变形地段。

乌鞘岭特长隧道位于兰新铁路兰州西至武威南端增建第二线乌鞘岭越岭段，隧道长20050m，在施工过程中出现了软岩大变形，在工程人员的努力下，通过一系列的工程措施顺利的通过了大变形段，取得了较好的工程经验，现就对关角隧道F3断层附近和乌鞘岭隧道发生大变形段的工程概况进行比较（见表1）

表1关角隧道F3断层附近和乌鞘岭隧道发生大变形段工程概况比较表

比较项目

乌鞘岭隧道

关角隧道

线路总概况

为两座平行单线隧道，线间距40m，隧道通过祁连山东北中高山区，海拔2600～3600m。

为两座平行单线隧道，线间距40m，隧道穿越青海南山，海拔高程3400～4500m。

掘进方法

钻爆法

钻爆法

断层影响

F7为逆断层，隧道通过断层约800m

F3为逆断层，隧道通过断层约460m

埋深

167～331m

350～450m

围岩

千枚岩夹板岩、受构造影响严重，节理发育，岩体破碎呈散体状结构，胶结程度差，属Ⅴ～Ⅵ级围岩。

石炭系片岩、大理岩、志留系变质砂岩夹板岩，受地质构造影响较严重，岩体节理、裂隙较发育，属Ⅴ～Ⅵ级围岩。

地应力

乌鞘岭隧道洞轴线方向为N17W，最大水平主应力SH的方向（N22E）与隧道洞轴线方向的夹角为29～53度，平均39度。

F7断裂带内Rc/σH＜4时为极高地应力；4＜Rc/σH＜7时为高地应力；7＜Rc/σH时为低地应力。

统计分析结果表明测区高地应力以上的情况占全部测段的60%

隧道部位最大主应力方向为N33°E～N43°E，平均为N38°E，和隧道轴线（线路走向N54°E）的夹角为21°～11°，平均为16°。

F3断裂带内Rc/σmax<4的极高地应力占全部测段的15.8%，4

从表1可以看出，乌鞘岭隧道大变形的地段和关角隧道F3断层影响带有较大的相似性，从乌鞘岭隧道成功控制带变形的经验值得借鉴。

乌鞘岭隧道隧道产生大变形除了地质因素以外，还有以下几点原因：

①初期支护强度不足。

由于F7断层的影响，本段围岩内富存高地应力。

在隧道开挖后，强大的地应力将作用到初期支护上，若初期支护强度和刚度不足将无法抵抗强大的地应力作用，就会产生大变形。

②施工工序间距太长。

由于施工工序间距太长，未能及时形成封闭的支护体系，致使初期支护在无约束下产生无限制性的变形，最终必然出现大变形。

因此，施工工序间距太长，未能及时封闭也是本段发生大变形的直接原因之一。

③掌子面刚度不足。

在隧道开挖过程中，掌子面前方的变形特性是围岩变形响应的真正原因，又由于本段为四条区域性大断层组成的宽大“挤压构造带”，岩体的的高地应力强挤压作用非常明显，这就更加剧了掌子面的挤出，若不采取合适的强化措施保证掌子面的稳定，就会导致前方围岩的变形响应。

因此，掌子面刚度不足是隧道洞壁产生大变形的关键原因。

中国中铁隧道集团通过对乌鞘岭隧道千枚岩大变形的研究得出以下控制大变形的快速施工指导思想：

（1）开挖支护、仰拱作业区，上下断面及仰拱的各工序在时间和空间上优化组合，实现稳步有序作业，平行交叉作业。

（2）分秒必抢，将围岩暴露时间和结构不利受力状态压缩至最短，使初期支护结构及早、快速封闭成环，从而有效控制变形。

（3）超前支护、钻爆、锚杆、锚索、注浆、立拱等关键工序实行标准化作业。

（4）石变我变，主动支护，步步为营，稳中求快。