高地應(yīng)力軟巖隧道大變形控制技術(shù)

高地應(yīng)力軟巖隧道大變形控制技術(shù)第一章烏鞘嶺隧道簡(jiǎn)況

烏鞘嶺隧道設(shè)計(jì)為兩座平行的單線(xiàn)隧道，兩線(xiàn)間距40m，隧道長(zhǎng)20.05km，基本為直線(xiàn)隧道；隧道洞身最大埋深1100m左右。右線(xiàn)隧道總工期2.5年。隧道所經(jīng)地層巖性復(fù)雜，分布主要受區(qū)域斷裂構(gòu)造控制。主要有第四系、第三系、白堊系、三疊系、志留系、奧陶系等，并伴有加里東晚期的侵入。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，在本隧道最大的F7活動(dòng)性斷層地段(寬度800m)，考慮斷層活動(dòng)性及巖體十分破碎，按圓形結(jié)構(gòu)斷面(圖1-1)進(jìn)行設(shè)計(jì)；圖1-1F7斷層圓形斷面

其他地段根據(jù)圍巖性質(zhì)隧道采用橢圓形斷面(圖1-2)。圖1-2橢圓形斷面

隧道輔助坑道設(shè)計(jì)按工期為2.5年考慮，設(shè)置有13座斜井和1座豎井的施工方案，在施工中又結(jié)合施組安排，又增加一座豎井(主要用于通風(fēng))和一座橫洞，在2004年4月F7斷層，又增設(shè)左、右線(xiàn)迂回導(dǎo)坑。

隧道最大埋深約1100m，在嶺脊約7km范圍分布由四條區(qū)域性大斷層組成的寬大“擠壓構(gòu)造帶”，地應(yīng)力情況十分復(fù)雜。在嶺脊地段埋深較大，巖性復(fù)雜，巖質(zhì)相對(duì)較軟。隧道施工中，在四條區(qū)域大斷裂范圍內(nèi)的輔助坑道和正洞，特別在F4和F7斷層及影響帶、志留系板巖夾千枚巖地層，圍巖破碎，洞室自穩(wěn)能力極差，均發(fā)生過(guò)較為嚴(yán)重的變形。第二章

大變形機(jī)理

是指強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著的裂隙巖體或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層，單軸抗壓強(qiáng)度小于25MPa的巖石。2.1高地應(yīng)力、軟巖的概念(1)軟巖

高地應(yīng)力是一個(gè)相對(duì)的概念，它是相對(duì)于圍巖強(qiáng)度(Rb)而言的。也就是說(shuō)，當(dāng)圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力σmax與圍巖強(qiáng)度的比值Rb/σmax達(dá)到某一水平時(shí)，才能稱(chēng)為高地應(yīng)力或極高應(yīng)力，即：(2)高地應(yīng)力圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比=(2-1)

各類(lèi)圍巖在正常施工條件下都會(huì)產(chǎn)生一定的變形，隧道施工規(guī)范、新奧法指南及襯砌標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)等對(duì)各類(lèi)圍巖及各種支護(hù)結(jié)構(gòu)都規(guī)定有不同的預(yù)留變形量以容納這些變形。2.2隧道大變形的概念

圍巖變形量超過(guò)正常規(guī)定(20cm)的2倍(即＞40cm)時(shí)，可把圍巖變形視為大變形。(a)膨脹巖的作用(1)大變形的成因

具有膨脹巖的圍巖在一定條件下體積膨脹，如粘土類(lèi)礦物、蒙脫石、高嶺土、伊利石、綠泥石等吸水后體積可膨脹10%~20%。硬石膏遇水體積可增大60%，芒硝遇水體積增加135%。有的膨脹力可達(dá)25~45kPa。圍巖膨脹使隧道周邊產(chǎn)生大變形。(b)高地應(yīng)力作用下的軟巖隧道擠壓變形

研究表明，當(dāng)強(qiáng)度應(yīng)力比小于0.3~0.5時(shí)，即能產(chǎn)生比正常隧道開(kāi)挖大一倍以上的變形。此時(shí)洞周將出現(xiàn)大范圍的塑性區(qū)，隨著開(kāi)挖引起圍巖質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)，加上塑性區(qū)的“剪脹”作用，洞周將產(chǎn)生很大位移。圓形隧道彈塑性解析解也表明，當(dāng)強(qiáng)度應(yīng)力比小于2時(shí)洞周將產(chǎn)生塑性區(qū)，強(qiáng)度應(yīng)力比越小則塑性區(qū)越大。高地應(yīng)力是大變形的一個(gè)重要原因。這又稱(chēng)為高地應(yīng)力的擠壓作用。國(guó)外幾幾座典典型的的大變變形隧隧道如如奧地地利的的陶恩恩隧道道(長(zhǎng)6400m，強(qiáng)度度應(yīng)力力比0.05~0.06)，奧地地利的的阿爾爾貝格格隧道道(長(zhǎng)3980m，強(qiáng)度度應(yīng)力力比0.1~0.2)，日本本的惠惠那山山隧道道II號(hào)線(xiàn)(長(zhǎng)8635m，強(qiáng)度度應(yīng)力力比0.1~0.33)。我國(guó)國(guó)南昆昆線(xiàn)著著名的的家竹竹箐隧隧道(長(zhǎng)4990m，強(qiáng)度度應(yīng)力力比0.1~0.2)都屬于于高地地應(yīng)力力擠壓壓性大大變形形。(c)局部水水壓及及氣壓壓力的的作用用當(dāng)支護(hù)護(hù)和襯襯砌封封閉較較好，，周邊邊局部部地下下水升升高或或有地地下氣氣體(瓦斯等等)作用時(shí)時(shí)，支支護(hù)也也會(huì)前前半生生大變變形。。但隨隨著支支護(hù)開(kāi)開(kāi)裂，，水或或氣溢溢出，，壓力力減小小，變變形也也就停停止，，這種種現(xiàn)象象并不不多見(jiàn)見(jiàn)。①純剪切切破壞壞(3)圍巖破破壞形形式②彎曲破破壞③剪切或或滑動(dòng)動(dòng)破壞壞

圖2-1擠出巖體中隧道破壞類(lèi)型(a)純剪切破壞(b)彎曲破壞(c)剪切或滑動(dòng)破壞

最大變變形可可達(dá)數(shù)數(shù)10cm至100cm以上。。家竹竹箐隧隧道初初期支支護(hù)周周邊位位移曾曾達(dá)210cm，一般般80~100cm，拱頂頂下沉沉60~80cm，隧道道隆起起80cm。堡子子梁隧隧道排排架下下沉120cm，邊墻墻向下下擠進(jìn)進(jìn)30~40cm。關(guān)角角隧道道底鼓鼓約100cm，邊墻墻向內(nèi)內(nèi)擠很很大。。烏鞘鞘嶺隧隧道嶺嶺脊段段最大大水平平收斂斂達(dá)1209mm，最大大拱頂頂下沉沉367mm。平均均累計(jì)計(jì)變形形按F4、志留留系板板巖夾夾千枚枚巖、、F7幾區(qū)段段分別別為90~120mm、200~400mm、150~550mm。2.3大變形形的基基本特特征(1)變形量量大家竹箐箐隧道道初期期支護(hù)護(hù)變形形速度度達(dá)3~4cm/d。奧地地利的的陶恩恩隧道道最大大變形形速度度高達(dá)達(dá)20cm/d，一般般也達(dá)達(dá)5~10cm/d。烏鞘鞘嶺隧隧道嶺嶺脊段段變形形量測(cè)測(cè)開(kāi)始始階段段變形形速率率最高高達(dá)167mm/d，最大大變形形速率率按F4、F5、志留留系板板巖夾夾千枚枚巖、、F7幾區(qū)段段分別別可達(dá)達(dá)73mm/d、143mm/d、165mm/d、167mm/d。(2)變形速速度高高由于軟軟弱圍圍巖具具有較較高的的流變變性質(zhì)質(zhì)和低低強(qiáng)度度，開(kāi)開(kāi)挖后后應(yīng)力力重分分布的的持續(xù)續(xù)時(shí)間間長(zhǎng)。。變形形的收收斂持持續(xù)時(shí)時(shí)間也也較長(zhǎng)長(zhǎng)。短短者數(shù)數(shù)十天天，長(zhǎng)長(zhǎng)者數(shù)數(shù)百天天，一一般也也需百百多天天。家家竹箐箐隧道道收斂斂時(shí)間間在百百天以以上。。日本本惠那那山隧隧道時(shí)時(shí)間大大于300天，阿阿爾貝貝格隧隧道收收斂時(shí)時(shí)間為為100~150d。烏鞘鞘嶺隧隧道大大變形形區(qū)段段變形形持續(xù)續(xù)時(shí)間間達(dá)120d，一般般要40~50d。(3)變形持持續(xù)時(shí)時(shí)間長(zhǎng)長(zhǎng)噴層開(kāi)開(kāi)裂、、剝落落；型型鋼拱拱架或或格柵柵發(fā)生生扭曲曲；底底部隆隆起；；支護(hù)護(hù)侵限限；襯襯砌嚴(yán)嚴(yán)重開(kāi)開(kāi)裂等等。(4)支護(hù)破破壞形形式多多樣高地應(yīng)應(yīng)力使使坑道道周邊邊圍巖巖的塑塑性區(qū)區(qū)增加加，破破壞范范圍增增大。。特別別是支支護(hù)不不及時(shí)時(shí)或結(jié)結(jié)構(gòu)剛剛度、、強(qiáng)度度不當(dāng)當(dāng)時(shí)圍圍巖破破壞范范圍可可達(dá)5倍洞徑徑。(5)圍巖破破壞范范圍大大以圓形形巷道道在λ＝1.0，σv=σH時(shí)的情情況進(jìn)進(jìn)行分分析，，由彈彈性力力學(xué)可可知，，如果果處于于彈性性階段段，則則圍巖巖中任任一點(diǎn)點(diǎn)的應(yīng)應(yīng)力σr、σθ可用下下式表表示:2.4大變形形機(jī)理理2.4.1洞室周周邊產(chǎn)產(chǎn)生塑塑性區(qū)區(qū)的條條件(2-24)以r=R0代入(2-24)式，可可得：：所以當(dāng)當(dāng)Rb/σv<2時(shí)，洞洞室周周邊將將產(chǎn)生生塑性性變形形。根據(jù)圓圓形均均質(zhì)地地層塑塑性區(qū)區(qū)半徑徑的理理論公公式：：2.4.2塑性區(qū)區(qū)的影影響因因素分分析(2-25)由上式式可知知，當(dāng)當(dāng)?shù)貞?yīng)應(yīng)力P0增大時(shí)時(shí)，塑塑性半半徑Rp也增大大；當(dāng)當(dāng)圍巖巖抗壓壓強(qiáng)度度Rb=2ccosφ/(1-sinφ)減小時(shí)時(shí)，塑塑性區(qū)區(qū)半徑徑也將將增大大。圖2-6為烏鞘鞘嶺隧隧道分分區(qū)段段塑性性區(qū)半半徑與與圍巖巖抗壓壓強(qiáng)度度及強(qiáng)強(qiáng)度應(yīng)應(yīng)力比比的關(guān)關(guān)系，，塑性性區(qū)半半徑隨隨圍巖巖強(qiáng)度度及強(qiáng)強(qiáng)度應(yīng)應(yīng)力比比的增增加而而減小小。(1)圍巖抗抗壓強(qiáng)強(qiáng)度Rb及強(qiáng)度度應(yīng)力力比Rb/σvRb/MPa強(qiáng)度應(yīng)力比051015202500.51.01.52.00510152025F7斷層區(qū)段30Rp/m圖2-6塑性區(qū)半徑與抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度應(yīng)力比的關(guān)系圖2-7為烏鞘鞘嶺隧隧道分分區(qū)段段塑性性區(qū)半半徑與與地應(yīng)應(yīng)力的的關(guān)系系，隨隨地應(yīng)應(yīng)力的的增加加，塑塑性區(qū)區(qū)半徑徑不斷斷增加加。(2)地應(yīng)力力P0圖2-7分區(qū)段塑性與地應(yīng)力的關(guān)系圖2-8F7斷層區(qū)段不同側(cè)壓力系數(shù)的塑性區(qū)形狀(a)λ=0.75(b)λ=1.0(c)λ=1.5根據(jù)圓圓形均均質(zhì)地地層洞洞壁位位移的的理論論公式式：2.4.3塑性半半徑與與洞壁壁位移移的關(guān)關(guān)系(2-26)圖2-9為烏鞘鞘嶺隧隧道分分區(qū)段段洞壁壁位移移與塑塑性區(qū)區(qū)半徑徑的關(guān)關(guān)系，，拱頂頂下沉沉與墻墻腰水水平位位移均均與塑塑性區(qū)區(qū)半徑徑平方方基本本成線(xiàn)線(xiàn)性關(guān)關(guān)系。。圖2-9洞壁位移與塑性區(qū)半徑關(guān)系當(dāng)僅考考慮自自重應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)場(chǎng)時(shí)，，隧道道埋深深與地地應(yīng)力力成正正比。。圖2-11為各區(qū)區(qū)段洞洞壁位位移與與埋深深的關(guān)關(guān)系，，洞壁壁位(1)埋深2.4.4洞壁位位移的的影響響因素素圖2-11F7洞壁位移隨埋深的變化規(guī)律移隨埋埋深增增加而而增大大，F(xiàn)7區(qū)段圓圓型隧隧道拱拱頂位位移大大于墻墻腰，，其它它區(qū)段段馬蹄蹄型墻墻腰水水平位位移大大于拱拱頂下下沉。。圖2-18分別為為烏鞘鞘嶺隧隧道分分區(qū)段段拱頂頂下沉沉及墻墻腰水水平位位移與與強(qiáng)度度應(yīng)力力比的的關(guān)系系曲線(xiàn)線(xiàn)。(2)強(qiáng)度應(yīng)應(yīng)力比比圖2-18F7洞壁位移隨強(qiáng)度應(yīng)力比的變化規(guī)律2.5烏鞘嶺嶺隧道道大變變形規(guī)規(guī)律2.5.1實(shí)測(cè)位位移規(guī)規(guī)律(1)變形沿沿隧道道縱向向分布布圖2-19F4斷層區(qū)段右線(xiàn)隧道變形沿隧道縱向分布YDK170+250+500+750YDK171+000F4斷層+290+440+640+740主帶影響帶影響帶里程YDK174+500YDK175+000+500+900變形/mm斜井開(kāi)口YDK175+330板巖占50%~80%千枚巖占60%~85%蘭州方向武威方向里程圖2-20志留系板巖夾千枚巖區(qū)段右線(xiàn)隧道變形沿隧道縱向分布F7斷層YDK176+800+200+400+600+800YDK177+000變形/mm影響帶主帶影響帶里程圖2-21F7斷層區(qū)段右線(xiàn)隧道變形沿隧道縱向分布(2)分區(qū)段段最大大變形形速率率與累累計(jì)變變形量量統(tǒng)計(jì)計(jì)(3)最大變變形速速率與與累計(jì)計(jì)變形形的關(guān)關(guān)系在隧道道工程程監(jiān)控控量測(cè)測(cè)中，，除累累計(jì)變變形外外，變變形速速率是是另外外一個(gè)個(gè)進(jìn)行行圍巖巖穩(wěn)定定性評(píng)評(píng)價(jià)的的重要要判別別指標(biāo)標(biāo)。研研究最最大變變形速速率與與累計(jì)計(jì)變形形的關(guān)關(guān)系也也是在在施工工初期期階段段進(jìn)行行最終終變形形預(yù)測(cè)測(cè)的方方法之之一。。圖2-23最大變形速率與累計(jì)變形的關(guān)系最大變形速率/mm2.5.2計(jì)算位位移規(guī)規(guī)律(1)深部位位移變變化規(guī)規(guī)律圖2-25為烏鞘鞘嶺隧隧道F7區(qū)段洞洞室周周邊深深部位位移變變化規(guī)規(guī)律。。圖2-25F7斷層圍巖深部位移變化規(guī)律洞周位位移最最大，，隨著著圍巖巖深度度的增增加，，位移移逐漸漸減少少。由由于地地應(yīng)力力水平平較高高，圍圍巖強(qiáng)強(qiáng)度較較低，，大變變形的的圍巖巖深度度較大大，基基本上上可達(dá)達(dá)洞周周10.0m左右。。(2)深部相相對(duì)位位移與與洞室室失穩(wěn)穩(wěn)形式式圖2-27為烏鞘鞘嶺隧隧道各各區(qū)段段圍巖巖深部部位相相對(duì)位位移的的分布布規(guī)律律。F7水平深部位移F7拱頂豎向深部位移圖2-27各區(qū)段圍巖深部位移相對(duì)變化量隨深度變化規(guī)律相對(duì)位移/%相對(duì)位移/%從圖2-27看出，，圍巖巖內(nèi)部部位移移和深深部相相鄰兩兩點(diǎn)相相對(duì)位位移沿沿深度度變化化曲線(xiàn)線(xiàn)存在在明顯顯的拐拐點(diǎn)，，說(shuō)明明圍巖巖深部部位移移沿深深度分分布有有突變變發(fā)生生。因因此通通過(guò)曲曲線(xiàn)拐拐點(diǎn)的的分布布規(guī)律律可以以判斷斷出洞洞室周周邊圍圍巖潛潛在的的破壞壞范圍圍。表2-11為圍巖巖深部部位移移相對(duì)對(duì)變化化量沿沿深度度曲線(xiàn)線(xiàn)拐點(diǎn)點(diǎn)位置置、塑塑性區(qū)區(qū)范圍圍和剪剪應(yīng)力力最大大等值值線(xiàn)范范圍統(tǒng)統(tǒng)計(jì)。。表2-11曲線(xiàn)拐拐點(diǎn)位位置、、塑性性區(qū)邊邊緣和和剪應(yīng)應(yīng)力最最大等等值線(xiàn)線(xiàn)位置置距洞洞周距距離/m區(qū)段曲線(xiàn)拐點(diǎn)最大塑性區(qū)范圍剪應(yīng)力最大等值線(xiàn)范圍F4豎向—6.5—水平15.517.515.5F7豎向10.816.510.8水平10.817.010.8志留系板巖夾千枚巖豎向—8.3—水平18.122.318.1第三章大大變形分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)大變形是相相對(duì)正常變變形而言的的。鐵路隧隧道設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)范、公路路隧道設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)范、新新奧法指南南及襯砌標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)等等根據(jù)多年年經(jīng)驗(yàn)及統(tǒng)統(tǒng)計(jì)，對(duì)各各類(lèi)圍巖及及各種支護(hù)護(hù)結(jié)構(gòu)都制制訂有不同同的預(yù)留變變形量(表3-1)以容納這些些正常變形形。3.1國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀狀表3-1預(yù)留變形量量(mm)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)圍巖級(jí)別鐵路單線(xiàn)(公路雙車(chē)道)鐵路雙線(xiàn)(公路三車(chē)道)IIIIVVVIIIIIVVVI鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范TB10003-200110~3030~5050~7070~10030~5050~7070~100設(shè)計(jì)確定鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范TB10003-200510~3030~5050~80設(shè)計(jì)確定30~5050~8080~120設(shè)計(jì)確定公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范JTGD70-200420~5050~8080~120現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)確定50~8080~120120~150現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)確定新奧法指南—30~5050~70——50~7070~100—日本新奧法指南—25~7575~150＞150(膨脹巖)—50~150150~300＞300(膨脹巖)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)(專(zhuān)隧0014)204080120————標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)(專(zhuān)隧0034)————50~100100~150150~200—(1)鐵二院喻渝[1]從預(yù)留變形形量出發(fā)，，取上述正正常值的2倍作為大變變形的下限限，即：隧隧道施工時(shí)時(shí)，如果初初期支護(hù)發(fā)發(fā)生了大于于25cm(單線(xiàn)隧道)和50cm(雙線(xiàn)隧道)的位移，則則認(rèn)為發(fā)生生了大變形形。(2)鐵二局表3-2鐵路隧道大大變形的變變形量劃分分表單線(xiàn)隧道(cm)25～5050～70＞70雙線(xiàn)隧道(cm)40～7070～100＞100大變形的等級(jí)ⅠⅡⅢ(3)重慶交通學(xué)學(xué)院表3-6公路隧道圍圍巖大變形形分級(jí)方案案級(jí)別主要特征一般估判變形量(mm)相對(duì)變形量(%)一級(jí)開(kāi)挖后即有較大的圍巖位移，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，噴層出現(xiàn)裂縫，施設(shè)初期支護(hù)力度不夠15～301.5～3二級(jí)圍巖延續(xù)位移較為顯著，變形速度較大，噴層開(kāi)裂現(xiàn)象較為明顯，洞底有隆起現(xiàn)象，支護(hù)變形的程度及范圍逐漸擴(kuò)大30～503～5三級(jí)圍巖變形顯著，洞底明顯隆起，噴層大多裂開(kāi)剝落，并與鋼架脫離，鋼架等嚴(yán)重變形撓曲，支護(hù)變形的程度和范圍進(jìn)一步擴(kuò)大＞50＞5(4)張祉道表3-7大變形等級(jí)級(jí)之現(xiàn)場(chǎng)判判定大變形等級(jí)Ua/a(%)雙車(chē)道公路隧道單線(xiàn)鐵路隧道初期支護(hù)破壞現(xiàn)象輕度3～620～3515~25噴混凝土層龜裂，鋼架局部與噴層脫離中等6～1035～6025~45噴混凝土層嚴(yán)重開(kāi)裂，掉塊，局部鋼架變形，錨桿墊板凹陷嚴(yán)重>10>60>45現(xiàn)象同上，但大面積發(fā)生，且產(chǎn)生錨桿拉斷及鋼架變形扭曲現(xiàn)象綜合以往的的各種大變變形分級(jí)的的標(biāo)準(zhǔn)及方方法，并考考慮烏鞘嶺嶺隧道的具具體特點(diǎn)，，采用綜合合指標(biāo)判定定法確定大大變形分極極標(biāo)準(zhǔn)。3.2烏鞘嶺隧道道大變形分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(1)位移量u《鐵路隧道設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于單線(xiàn)線(xiàn)鐵路隧道道VI級(jí)圍巖預(yù)留留變形量上上限為100mm(2005年規(guī)范VI級(jí)圍巖預(yù)留留變形量由由設(shè)計(jì)確定定)，考慮到烏烏鞘嶺隧道道大變形區(qū)區(qū)段為V級(jí)圍巖，且且洞徑大于于一般的單單線(xiàn)隧道。。確定三級(jí)劃劃分標(biāo)準(zhǔn)如如表3-9所示。表3-9按位移量的的變形等級(jí)級(jí)劃分表大變形的等級(jí)ⅠⅡⅢ相對(duì)位移(%)3～55～8＞8(2)強(qiáng)度應(yīng)力比比Rb/σv強(qiáng)度應(yīng)力比比大小是隧隧道產(chǎn)生大大變形的最最直接因素素，可以不不考慮的影影響，得表表3-10所示分級(jí)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。表3-10按強(qiáng)度應(yīng)力力比的變形形等級(jí)劃分分表大變形的等級(jí)ⅠⅡⅢ強(qiáng)度應(yīng)力比0.5～0.250.25～0.15＜0.15(3)原始地應(yīng)力力σv對(duì)于擠壓性性圍巖其抗抗壓強(qiáng)度一一般小于4.0MPa，如取Rb范圍1.0~4.0MPa，[Rb/σv]λ＝0.75=0.4，則σv范圍2.5~10MPa。結(jié)合工程程實(shí)例，得得表3-11。表3-11按原始地應(yīng)應(yīng)力的變形形等級(jí)劃分分表大變形的等級(jí)ⅠⅡⅢ原始地應(yīng)力(MPa)5~1010~15＞15(4)彈性模量E彈性模量也也是影響洞洞壁位移的的重要因素素，在其他他條件不變變時(shí)，彈性性模量減小小1倍，洞壁位位移基本增增大1倍。結(jié)合前前述工程實(shí)實(shí)例，得表表3-12。表3-12按彈性模量量的變形等等級(jí)劃分表表大變形的等級(jí)ⅠⅡⅢ彈性模量(MPa)2000~15001500~1000＜1000(5)綜合系數(shù)α考慮抗壓強(qiáng)強(qiáng)度、地應(yīng)應(yīng)力、彈性性模量及側(cè)側(cè)壓力系數(shù)數(shù)多個(gè)因素素，定義并結(jié)合工程程實(shí)例及上上述分析，，得表3-13。表3-13按綜合系數(shù)數(shù)的變形等等級(jí)劃分表表大變形的等級(jí)ⅠⅡⅢα60~3030~15＜15(6)綜合指標(biāo)判判定法表3-14變形等級(jí)劃劃分的綜合合指標(biāo)判定定法大變形的等級(jí)ⅠⅡⅢ相對(duì)變形(%)3~55~8＞8強(qiáng)度應(yīng)力比0.5~0.250.25~0.15＜0.15原始地應(yīng)力(MPa)5~1010~15＞15彈性模量(MPa)2000~15001500~1000＜1000綜合系數(shù)α60~3030~15＜15圍巖及支護(hù)特征開(kāi)挖后洞壁圍巖位移較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；一般支護(hù)開(kāi)裂或破損較嚴(yán)重開(kāi)挖后圍巖位移大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；一般支護(hù)開(kāi)裂或破損嚴(yán)重開(kāi)挖后圍巖位移很大，持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)；一般支護(hù)開(kāi)裂或破損很?chē)?yán)重3.3不同大變形形等級(jí)的防防治措施表3-15不同大變形形等級(jí)的防防治措施措施內(nèi)容大變形的等級(jí)ⅠⅡⅢ設(shè)計(jì)改善洞室形狀—采用采用初期支護(hù)錨桿、鋼架、網(wǎng)、噴聯(lián)合支護(hù)采用采用采用噴砼中摻鋼纖維—采用采用補(bǔ)強(qiáng)長(zhǎng)錨桿—采用采用H型鋼——采用預(yù)留變形量(mm)150~250250~350350~400多重、分次支護(hù)采用采用采用二次襯砌鋼筋混凝土采用采用采用施工分步開(kāi)挖、多重、分次支護(hù)采用采用采用加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)采用采用采用弱爆破、短臺(tái)階、早封閉采用采用采用循環(huán)進(jìn)尺(m)2~2.51~20.5~1第四章圍圍巖的物物理力學(xué)參參數(shù)試驗(yàn)與與確定采用取樣室室內(nèi)試驗(yàn)與與現(xiàn)場(chǎng)原位位測(cè)試相結(jié)結(jié)合的方法法，對(duì)F7斷層破碎帶帶及志留系系板巖夾千千枚巖物理理力學(xué)參數(shù)數(shù)進(jìn)行了綜綜合測(cè)試。。4.1取樣室內(nèi)試試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)原位測(cè)試試采用水壓致致裂法進(jìn)行行地應(yīng)力測(cè)測(cè)試，并取取樣進(jìn)行巖巖石的物理理力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)。4.2地應(yīng)力測(cè)試試4.3圍巖參數(shù)的的位移反演演分別采用用位移聯(lián)聯(lián)圖反分分析法、、典型類(lèi)類(lèi)比分析析法和有有限元位位移正反反分析法法不同的的反分析析法。4.4圍巖物理理力學(xué)參參數(shù)的綜綜合分析析第五章現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)試驗(yàn)(F7斷層)對(duì)F7斷層區(qū)段段9個(gè)量測(cè)斷斷面的實(shí)實(shí)測(cè)壓力力數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行分析析計(jì)算估估算側(cè)壓壓力系數(shù)數(shù)。具體體數(shù)據(jù)如如表5-1所示。。1.側(cè)壓力系系數(shù)估算算表5-1F7斷層實(shí)測(cè)測(cè)壓力估估算側(cè)壓壓力系數(shù)數(shù)結(jié)果匯匯總項(xiàng)目初支二襯斷面位置左迂+210左迂+290左迂+435左隧+340左隧+568右隧+345左隧+340左隧+568左隧+580右隧+345右隧+485右隧+525側(cè)壓力系數(shù)0.6101.4911.2330.5930.2690.9111.4580.7784.3891.3261.4772.414平均值0.7271.636左線(xiàn)隧道平均0.813；右線(xiàn)隧道平均1.380；左線(xiàn)迂回導(dǎo)坑平均0.930總平均0.995同樣根據(jù)據(jù)現(xiàn)階段段F7斷層帶的的9個(gè)量測(cè)斷斷面的壓壓力實(shí)測(cè)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行分析析計(jì)算，，得出結(jié)結(jié)果匯總總?cè)绫?-2所示。。2.二襯分擔(dān)擔(dān)壓力比比例估算算拱部邊墻平均41.893.962.2表5-2F7斷層帶實(shí)實(shí)測(cè)壓力力估算二二襯分但但壓力比比例結(jié)果果匯總26.6%70.6%28.3%100%100%100%100%47.3%31.5%初期支護(hù)圖5-1F7斷層區(qū)段二襯分擔(dān)壓力比例橫斷面分布示意圖左、右線(xiàn)線(xiàn)隧道變變形量測(cè)測(cè)值沿隧隧道縱向向分布如如圖5-2所示。其其中左線(xiàn)線(xiàn)隧道反反映了初初期支護(hù)護(hù)拆換后后位移對(duì)對(duì)比情況況。3.變形量測(cè)測(cè)值沿隧隧道縱向向分布圖5-2F7斷層區(qū)段左線(xiàn)隧道變形量測(cè)值沿隧道縱向分布4.根據(jù)F7斷層的變變形和地地質(zhì)情況況，進(jìn)行行了大量量斷面形形式、斷斷面凈空空、支護(hù)護(hù)形式和和支護(hù)參參數(shù)優(yōu)化化，分別別采用了了圓型、、橢圓型型、馬蹄蹄型的不不同斷面面形式，，一次大大剛度支支護(hù)及分分層多次次支護(hù)，，一次二二襯及分分層兩次次二襯等等支護(hù)、、襯砌形形式，經(jīng)經(jīng)施工實(shí)實(shí)踐證明明正洞隧隧道以圓圓形斷面面形式為為最好；；適當(dāng)加加強(qiáng)第一一次支護(hù)護(hù)剛度，，留有支支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)強(qiáng)空間。。5.迂回導(dǎo)坑坑中的支支護(hù)形式式和參數(shù)數(shù)可滿(mǎn)足足施工安安全與穩(wěn)穩(wěn)定；由由迂回導(dǎo)導(dǎo)坑施工工方法、、工藝研研究得出出的結(jié)論論適用F7斷層正洞洞施工；；迂回導(dǎo)導(dǎo)坑的試試驗(yàn)與施施工實(shí)踐踐，為大大斷面正正洞施工工提供了了直接的的、重要要的指導(dǎo)導(dǎo)和依據(jù)據(jù)。6.F7右線(xiàn)隧道道：按設(shè)設(shè)計(jì)斷面面進(jìn)行結(jié)結(jié)構(gòu)正反反檢算，，襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)安全全度滿(mǎn)足足規(guī)范要要求，但但考慮由由于應(yīng)急急處理本本段部分分地段襯襯砌厚度度不足，，并根據(jù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的的監(jiān)測(cè)及及開(kāi)裂情情況，擬擬對(duì)已開(kāi)開(kāi)裂段進(jìn)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)強(qiáng)處理，，方案如如圖5-3所示。圖5-3襯砌補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)方案7.對(duì)左右線(xiàn)隧道道及其迂回導(dǎo)導(dǎo)坑的群洞效效應(yīng)研究表明明，雖然群洞洞施工相互影影響，群洞效效應(yīng)存在，但但是影響程度度不大，不至至于引起相鄰鄰洞室中間巖巖柱的失穩(wěn)破破壞，四條隧隧道整體是穩(wěn)穩(wěn)定的，而且且后續(xù)開(kāi)挖對(duì)對(duì)于已完工隧隧道襯砌內(nèi)力力的影響也不不大，不會(huì)危危及隧道襯砌砌結(jié)構(gòu)的安全全。8.F7斷層區(qū)段縱向向位移特征與與地應(yīng)力測(cè)試試分析成果相相互印證，反反映出該區(qū)段段水平地應(yīng)力力與隧道走向向存在著明確確的角度關(guān)系系并對(duì)隧道呈呈縱向擠壓的的特性。這一一地應(yīng)力分布布特性將使隧隧道開(kāi)挖后的的應(yīng)力釋放對(duì)對(duì)洞室支護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯顯地不均勻荷荷載作用，其其結(jié)果將使結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱向向扭曲破壞。。因此，應(yīng)充充分考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)縱向上的受受力特性，加加強(qiáng)其縱向連連接強(qiáng)度。第六章位位移控制基準(zhǔn)準(zhǔn)6.1極限位移表6-1F4斷層區(qū)段隧道道極限位移單單位：：(mm)極限位移性質(zhì)拱頂下沉拱腳水平收斂墻腰水平收斂毛洞隧道227488570初支后隧道92.8302342二襯后隧道98.1318362表6-2嶺脊千板巖地地層區(qū)段隧道道極限位移單單位：(mm)極限位移性質(zhì)拱頂下沉拱腳水平收斂墻腰水平收斂毛洞隧道50111781304初支后隧道227710770二襯后隧道228742812表6-3F7斷層區(qū)段隧道道極限位移單單位：(mm)極限位移性質(zhì)拱頂下沉墻腰水平收斂毛洞隧道400660初支后隧道136272二襯后隧道140280表6-4烏鞘嶺隧道嶺嶺脊段位移控控制基準(zhǔn)(單位:mm)管理等級(jí)管理位移施工狀態(tài)ⅢU＜150可正常施工Ⅱ150≤U≤300應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)或二次襯砌ⅠU≥300停工，并及時(shí)采取加固措施注：U-隧道開(kāi)挖后隧隧道總變形量量6.2二襯施作時(shí)機(jī)機(jī)軟巖隧道二襯襯施作時(shí)機(jī)始始終是隧道界界討論的熱點(diǎn)點(diǎn)問(wèn)題，特別別是對(duì)于軟巖巖大變形隧道道若二襯施作作過(guò)晚，則可可能造成初期期支護(hù)變形無(wú)無(wú)法控制，以以致隧道失穩(wěn)穩(wěn)，而如果二二次襯砌施作作過(guò)早，則可可能使二次襯襯砌受力過(guò)大大，而引起二二次襯砌的開(kāi)開(kāi)裂，以致降降低隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)耐久性。因因此，針對(duì)具具體工程情況況提出合理的的二次襯砌施施作時(shí)機(jī)勢(shì)在在必行。(1)《規(guī)范》有關(guān)二襯施作作時(shí)機(jī)的規(guī)定定“在一般情況下下，二次襯砌砌應(yīng)在圍巖和和初期支護(hù)變變形基本穩(wěn)定定后施作。變變形基本穩(wěn)定定應(yīng)符合隧道道周邊位移速速度有明顯減減緩趨勢(shì)。拱拱腳水平相對(duì)對(duì)凈空收斂變變化速度小于于0.2mm/d，拱頂相對(duì)下下沉速度小于于0.15mm/d?！?2)軟巖隧道二襯襯施作時(shí)機(jī)討討論對(duì)于高地應(yīng)力力的硬巖隧道道，量測(cè)圍巖巖變形的目的的是為了讓圍圍巖變形達(dá)到到一定程度，，利于地應(yīng)應(yīng)力釋放，盡盡量發(fā)揮圍巖巖的自穩(wěn)能力力，從而最大大限度地減少少二次襯砌所所承受的壓力力，以盡量減減小襯砌厚度度。二次襯砌砌時(shí)機(jī)選擇應(yīng)應(yīng)根據(jù)圍巖特特點(diǎn)來(lái)調(diào)整。。對(duì)于一般穩(wěn)穩(wěn)定性較好的的圍巖，可在在總變形量達(dá)達(dá)到約80%，并且圍巖變變形基本收斂斂停止后進(jìn)行行二次襯砌。。此時(shí)初期支支護(hù)應(yīng)能承擔(dān)擔(dān)圍巖的全部部荷載，二次次襯砌承擔(dān)由由于圍巖的蠕蠕變產(chǎn)生的附附加荷載。(3)二次施作時(shí)機(jī)機(jī)的研究方法法基于二襯穩(wěn)定定性及二襯變變形大小影響響因素分析，，結(jié)合既有各各量測(cè)項(xiàng)目的的統(tǒng)計(jì)及相互互關(guān)系分析，，以及隧道施施工過(guò)程總位位移估算，提提出不同條件件下二襯前圖6-1志留系板巖夾千枚巖區(qū)段右線(xiàn)隧道初支與二襯變形對(duì)比關(guān)系初支最終變形形速率限值，，以及初支累累計(jì)變形占總總位移的比例例限值。圖6-2F4斷層區(qū)段二襯前支護(hù)變形速率與二襯變形關(guān)系表6-5二襯開(kāi)裂斷面面對(duì)應(yīng)初支變變形區(qū)段斷面初支變形二襯變形/mm最終值/mm最大速率最終速率數(shù)值/mm·d-1比例數(shù)值/mm·d-1比例F4區(qū)段YDK170+480215.825.111.6%1.210.6%3.972YDK170+530116.616.614.2%2.542.2%3.213F7區(qū)段YDK177+465435378.5%6.001.4%5.96YDK177+480429409.3%4.000.9%13.36YDK177+530660436.5%7.001.1%16志留系板巖夾千枚巖區(qū)段YDK175+255115.735.430.6%1.000.9%—YDK175+265360.558.916.3%9.682.7%15.13YDK175+270196.939.119.9%7.563.8%—YDK175+273411.532.77.9%10.562.6%13.85注：表中“比比例”一項(xiàng)均均指與初支變變形最終值相相比。(4)量測(cè)前的前期期位移推算在施工過(guò)程中中，變形量測(cè)測(cè)是在洞內(nèi)采采用全斷面儀儀或位移收斂斂計(jì)進(jìn)行的，，量測(cè)位移丟丟失了洞室開(kāi)開(kāi)挖過(guò)程中的的彈性位移和和施測(cè)前的位位移，而且鋪鋪設(shè)防水板的的過(guò)程中也不不再進(jìn)行支護(hù)護(hù)變形監(jiān)測(cè)。。所以當(dāng)初支支位移達(dá)到極極限狀態(tài)時(shí)，，模擬計(jì)算的的隧道支護(hù)后后的極限位移移u極可表示為u極=u彈+u失+u測(cè)(極限狀態(tài))(5-1)彈性位移u彈是爆破瞬間間洞室釋放，，難以利用監(jiān)監(jiān)測(cè)手段獲得得。但在模擬擬計(jì)算的圍巖巖塑性收斂線(xiàn)線(xiàn)中，可觀察察到直線(xiàn)段和和曲線(xiàn)段，若若視圍巖塑性性收斂線(xiàn)的直直線(xiàn)段為洞室室開(kāi)挖的彈性性位移，則可可計(jì)算彈性位位移。量測(cè)丟失位移移u失由兩兩部分分組成成，一一是爆爆破后后至施施測(cè)前前的位位移丟丟失，，二是是鋪設(shè)設(shè)防水水板至至二襯襯前不不便量量測(cè)的的位移移丟失失。表6-6前期丟丟失位位移統(tǒng)統(tǒng)計(jì)結(jié)結(jié)果區(qū)段項(xiàng)目丟失天數(shù)/d總量測(cè)天數(shù)/d前期丟失位移統(tǒng)計(jì)斷面實(shí)測(cè)變形/mm統(tǒng)計(jì)斷面數(shù)/個(gè)全部斷面實(shí)測(cè)變形/mm全部斷面計(jì)算變形/mm量值/mm比例F4斷層拱頂下沉3.2744.778.537.5%22.674227.650.95墻腰水平收斂1.3923.3528.6127.2%105.1442124.01183.75志留系拱頂下沉4.5216.1916.2339.1%41.533253.9102.96拱腳水平收斂1.5815.1761.6726.9%229.432380.36540.61F7右線(xiàn)拱頂下沉1.7415.2619.6124.9%78.7430139.5209.24拱腳水平收斂1.6815.3224.3622.1%110.0430136.11232.24墻腰水平收斂2.6111.1539.330.0%130.930233.01368.97F7左線(xiàn)拱頂下沉3.7918.4164.8232.0%202.2632156.66241.87拱腳水平收斂3.0311.976.2834.6%220.5932191.97324.35墻腰水平收斂3.4112.7381.2938.6%210.6732187.32325.60注：(1)前期丟丟失位位移的的“比比例””一項(xiàng)項(xiàng)是指指與統(tǒng)統(tǒng)計(jì)斷斷面的的實(shí)測(cè)測(cè)變形形相比比；(2)計(jì)算變變形以以全部部斷面面實(shí)測(cè)測(cè)變形形統(tǒng)計(jì)計(jì)值為為依據(jù)據(jù)。(5)二襯施施作時(shí)時(shí)機(jī)的的確定定據(jù)實(shí)測(cè)測(cè)變形形、支支護(hù)后后隧道道的模模擬極極限位位移可可提出出施作作二襯襯時(shí)的的實(shí)測(cè)測(cè)位移移占極極限位位移比比例限限值，，而根根據(jù)實(shí)實(shí)測(cè)變變形速速率以以及施施作二二襯后后的穩(wěn)穩(wěn)定狀狀態(tài)及及二襯襯變形形大小小關(guān)系系可提提出二二襯施施作時(shí)時(shí)的變變形速速率限限值。。表6-7烏鞘嶺嶺隧道道二襯襯施作作時(shí)機(jī)機(jī)項(xiàng)目常規(guī)變形大變形等級(jí)ⅠⅡⅢ相對(duì)變形<3%3%~5%5%~8%＞8%強(qiáng)度應(yīng)力比>0.50.5~0.250.25~0.15＜0.15原始地應(yīng)力(MPa)<55~1010~15＞15彈性模量(MPa)>20002000~15001500~1000＜1000綜合系數(shù)α>6060~3030~15＜15n380%~90%70%~80%65%~75%60%~70%u測(cè)/u極55%~62%47%~55%43%~51%39%~47%v終/u測(cè)<0.5%0.5%~1.0%0.5%~1.5%0.5%~2.0%注：(1)n3為實(shí)際際已發(fā)發(fā)生的的位移移(u計(jì))與極限限位移移的比比值；；(2)u測(cè)/u極為量測(cè)測(cè)變形形與極極限位位移的的比值值；(3)v終/u測(cè)為二襯襯施作作前日日變形形量與與實(shí)測(cè)測(cè)初支支累計(jì)計(jì)變形形的比比值。。第七章章控控制制變形形快速速施工工方法法及施工工工藝藝研究究7.1F4斷層區(qū)區(qū)段隧隧道施施工方方法采用用超超短短三三臺(tái)臺(tái)階階法法施施工工。。超超前前預(yù)預(yù)支支護(hù)護(hù)采采用用φ42小導(dǎo)導(dǎo)管管或或自自進(jìn)進(jìn)式式錨錨桿桿注注漿漿支支護(hù)護(hù)，，人人工工風(fēng)風(fēng)鎬鎬配配合合挖挖掘掘機(jī)機(jī)開(kāi)開(kāi)挖挖，，必必要要時(shí)時(shí)輔輔以以弱弱爆爆破破。。挖挖掘掘機(jī)機(jī)或或弱弱爆爆破破開(kāi)開(kāi)挖挖下下部部斷斷面面，，人人工工風(fēng)風(fēng)鎬鎬整整修修開(kāi)開(kāi)挖挖輪輪廓廓。。及及時(shí)時(shí)噴噴砼砼4~6cm封閉閉巖巖面面，，并并進(jìn)進(jìn)行行噴噴錨錨網(wǎng)網(wǎng)，，型型鋼鋼鋼鋼架架系系統(tǒng)統(tǒng)支支護(hù)護(hù)作作業(yè)業(yè)。。采采用用挖挖掘掘機(jī)機(jī)配配合合絞絞接接自自卸卸車(chē)車(chē)進(jìn)進(jìn)行行出出碴碴作作業(yè)業(yè)。。及及時(shí)時(shí)進(jìn)進(jìn)行行砼砼仰仰拱拱施施工工。。墻墻、、拱拱模模筑筑混混凝凝土土襯襯砌砌及及時(shí)時(shí)跟跟進(jìn)進(jìn)。。采用用三三臺(tái)臺(tái)階階施施工工，，上上、、中中臺(tái)臺(tái)階階長(zhǎng)長(zhǎng)度度5m，仰仰拱拱距距下下臺(tái)臺(tái)階階15~20m，二二次次襯襯砌砌距距仰仰拱拱端端頭頭不不大大于于50m，各各工工序序間間距距見(jiàn)見(jiàn)圖圖7-1。5m5m仰拱襯砌15~20m65m~70m圖7-1斷層層帶帶施施工工工工序序示示意意圖圖開(kāi)挖挖后后立立即即速速?lài)妵奀20混凝凝土土4~6cm封面面層層，，然然后后立立即即架架立立I18型鋼鋼鋼鋼架架,型鋼鋼鋼鋼架架間間距距3榀/2m。鋼鋼架架連連接接板板處處均均設(shè)設(shè)[20槽鋼鋼作作托托梁梁墊墊，，防防止止下下沉沉。。網(wǎng)網(wǎng)片片采采用用Φ8鋼筋筋網(wǎng)網(wǎng)格格，，間間距距20cm××20cm，鋪鋪設(shè)設(shè)在在型型鋼鋼架架背背面面與與鋼鋼架架及及連連接接筋筋焊焊接接牢牢固固，，鋼鋼架架架架立立完完畢畢再再施施作作系系統(tǒng)統(tǒng)錨錨管管并并注注漿漿，，錨錨管管長(zhǎng)長(zhǎng)4.0m，間間距距0.8m××0.8m，梅梅花花型型布布置置。。最最后后復(fù)復(fù)噴噴混混凝凝土土至至設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)厚厚度度。。7.2F7斷層層帶帶隧隧道道快快速速施施工工方方法法采用用三三臺(tái)臺(tái)階階五五步步施施工工法法施施工工F7斷層層區(qū)區(qū)段段圓圓型型斷斷面面。。其其中中，，上上臺(tái)臺(tái)階