软岩大变形隧道课件

,LOGO,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,*,页,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,软岩大变形隧道施工技术,1软岩大变形隧道施工技术,2,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,2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,第,3,页,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。,第3页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,第,4,页,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,第4页项目概况乌鞘岭隧道是我国铁路史上首次长度突破20km、,第,5,页,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,F4,F7,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,第5页项目概况乌鞘岭隧道设计为两座单线隧道，单洞长20050,第,6,页,乌鞘岭隧道于,2003,年,3,月,30,日,开工建设，,2006,年,3,月,30,日右线隧道开通运营，,2006,年,8,月,12,日,全线开通运营。,项目概况,第6页乌鞘岭隧道于2003年3月30日开工建设，2006年3,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,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,第,8,页,从,2004,年,4,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，施工严重受阻。,F7,断层最大拱顶下沉和水平收敛分别达,1209mm,和,1053mm,，一般,300,700mm,。岭脊志留系千枚岩地层区段隧道收敛变形达,500,700mm,。,立项背景,第8页从2004年4月，施工进入于F7活动性断层带、岭脊志留,第,9,页,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,”,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系具有深远意义。,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：,（,1,）大变形区段最长,(7587m),（,2,）围岩强度应力比最低,(0.031,0.063),（,3,）地质条件最复杂，具复杂和极高地应力条件,（,4,）隧道贯通工期仅,2.5,年（右线开通工期,3,年），要求快速施工。,立项背景,第9页因此，开展“乌鞘岭隧道岭脊地段复杂应力条件下的变形控制,第,10,页,国内外现状,1,陶恩,(Tauern),隧道,1970,1975,年修建于奥地利，为双向行驶之公路隧道,(,单洞,),，全长,6400m,，埋深,600,1000m,。新奥法的鼻祖,Rabcewicz,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了大变形，产生了,50cm(,一般,),及,120cm(,最大,),的位移，最大位移速度达,20cm/d,，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,(,长,4m,锚杆，厚,25cm,喷混凝土，,TH3675,钢架,),。在洞壁发生大变形后，,Rabcewicz,采用了长锚杆,(6,9m),、可缩钢架以及喷层预留纵缝等加强措施,(,这些措施至今仍在沿用,),，对洞壁已侵入模注混凝土净空部位进行了危险的扩挖作业，据说工程非常艰难，但最后仍取得了成功。,第10页国内外现状 1陶恩(Tauern)隧道197019,第,11,页,2,阿尔贝格,(Arlberg),隧道,阿尔贝格隧道也在奥地利，系公路隧道，全长,13980m,。该隧道是紧接着陶恩隧道之后开工的,(1974,1979,年,),，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，但支护变形较小，施工较为顺利。,隧道最大埋深,740m,，原始地应力,13MPa,，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,1.2,2.9MPa,。为防止大变形，设计时采用了强大的初期支护系统：厚,20,25cm,喷混凝土；可缩式,75,钢架；,6m,长的,125cm,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,),的地段，仍产生了,20,35cm,的支护位移，变形初速度达到,4,6cm/d,，最大达,11.5cm/d,。在增加了,9,12m,的长锚杆后，使变形初速度降为,5cm/d,。据统计，每延米隧道锚杆用量达,420m,。,国内外现状,第11页2阿尔贝格(Arlberg)隧道 阿尔贝格隧道,第,12,页,3,惠那山,(Enasan),隧道,惠那山隧道为双洞隧道，在日本中央公路的两宫线上。,号隧道先修，于,1975,年,8,月建成，全长,8300m,，是双向行驶的公路隧道。后由于交通量的增加，,1978,年开工修建第二座隧道，即,号隧道，该隧道全长,8635m,，于,1985,年建成。这两座隧道平行，通过的地层是一样的，其中有一个长,400m,的长平泽断层非常软弱，为风化的变质角页岩,(,已粘土化,),，单轴抗压强度仅,1.7,4.0MPa,，该处埋深约,400m,。特别使人感兴趣的是，为通过这同一条断层，,号隧道采用刚性支护，而,号隧道采用新奥法的柔性支护，从而可进行效果对比。,国内外现状,第12页3惠那山(Enasan)隧道 惠那山隧道为双洞隧道，,第,13,页,3,惠那山,(Enasan),隧道,号隧道采用的断面型式如图,2-6,。主洞开挖时先以,0.8m,间距安设重型钢架,(H250),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又补充了,H200,钢架,(0.8m),。值得注意的是，虽然模筑混凝土衬砌总厚,1.2m,，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。,吸收了,号隧道的教训后，,号隧道采用新奥法柔性初期支护。其特点是：采用长锚杆,(,设计长度为,6m,，施工时加长到,9,13.5m),；预留变形量,(,上半部为,50cm,，下半部为,30cm),；钢纤维喷混凝土,(,厚,25cm),及可缩式钢架；二次衬砌为,45cm,厚的素混凝土。隧道断面见图,2-7,，最终发生的初期支护位移为,20,25cm,最大,56cm,，说明长锚杆发挥了作用。,国内外现状,第13页3惠那山(Enasan)隧道 号隧道采用的断面,第,14,页,第14页,第,15,页,4,家竹箐隧道,家竹箐隧道是我国南昆铁路上的著名险洞,(,单线铁路隧道,),，以高瓦斯、高地应力、大涌水而著称。由于煤系地段软弱,(Rb=1.7MPa),，且地应力较高,(16.09MPa),，在,390m,长的地段内产生了大变形，洞壁位移,60,80cm(,最大,160cm),，拱顶下沉接近,100cm,。之所以变形这么大，与设计阶段对大变形缺乏判断有关，当时国内对高地应力挤压性围岩尚缺乏认识，以为只是一般的软弱地层，故只采用了一般标准的初期支护,(,这一点和陶恩隧道相似,),。施工中的变更设计是：,国内外现状,第15页4家竹箐隧道家竹箐隧道是我国南昆铁路上的著名险洞(单,第,16,页,4,家竹箐隧道,(1),改善洞形，加大边墙曲率；,(2),将预留变形量加大为,45cm(,拱,),及,25cm(,墙,),；,(3),系统锚杆加长为,8m(,后期经应力量测，隧底锚杆减为,4,7m),；,(4),喷混凝土加厚,(,初喷,20cm,，复喷,15cm),，设三道纵缝；,(5),钢架改为,U29,可缩式；,(6),双层模注混凝土衬砌，其中外层为,55cm,钢纤维配筋混凝土,(,主要受力结构,),，内层为,25cm,钢纤维混凝土,(,安全储备,),，两层之间为,HDPE,瓦斯隔离层。,国内外现状,第16页4家竹箐隧道(1)改善洞形，加大边墙曲率；国内外现状,第,17,页,5,木栅隧道,木栅隧道位于台湾北部第二高速公路上，隧道穿越台北市南郊的木栅山区，全长,1875m,，为三车道公路隧道,(,断面,150m2),。该隧道在通过潭湾大断层时，发生了大变形，拱顶下沉,150cm,以上，边墙内挤,70cm,。,潭湾断层带宽,75m,，与隧道斜交，大变形地段长,205m,。由于初期仅采用常规的锚喷支护，故产生了严重的大变形。该隧道变形整治有一个特色，即应用了长大预应力锚索,(,图,2-8),。锚索长,15,17m,，预拉力,50t,，但隧底采用长为,9m,之一般锚杆。通过锚索孔及锚杆孔向地层注浆加固围岩，而强大的锚索及锚杆使隧道趋于稳定。,国内外现状,第17页5木栅隧道 木栅隧道位于台湾北部第二高速公路上,第,18,页,图,2-8,台湾木栅隧道预应力锚索示意,5,木栅隧道,国内外现状,第18页图2-8台湾木栅隧道预应力锚索示意5木栅隧道国内外,第,19,页,第19页,第,20,页,国内外现状,(1),先行导坑法,，概念上是通过导坑发生先行位移，结果是推迟了支护结构的设置时间，从而减轻了作用在支护结构上的地压。,(2),多重支护方法,，在掌子面先设置第一层支护，而后在距掌子面后方,3.0D,以上的位置设置第二层支护，使隧道稳定的方法，基本上是不进行顶替的方法。本方法的概念是一次支护发生屈服，但因设置二次支护，地压和支护反力得到平衡。,(3),可缩式支护方法,，隧道开挖后及时施作支护，防止围岩松弛，隧道围岩压力增大，通过可缩式锚杆、可缩钢架等支护体系可形成更大的变形，释放围岩压力，保持支护结构完整的围岩压力与支护抗力平衡。,(4),分阶段综合控制法,系统锚杆和补强锚杆围岩加固，用锚杆分阶段控制围岩部分位移。同时钢架、分层喷射混凝土支护，分层施作二次衬砌。,6,隧道大变形控制设计理念,3,、柔性结构设计理念,第20页国内外现状 (1)先行导坑法，概念上是通过导坑发,第,21,页,国内外现状,(1),大刚度支护和衬砌结构,采用掌子面超前长大锚杆和周边系统长大锚杆、大型钢架和大厚度喷射混凝土支护。该方法采用刚性更大的支护结构，来控制位移。也有在掌子面附近,3m,左右，浇注仰拱，甚至模筑混凝土结构到达早期闭合的工例。,(2),大范围围岩加固法,采用超前注浆或旋喷支护，深孔大范围注浆加固补强隧道周边和掌子面前方的围岩，力求在减轻支护土压的同时，使掌子面附近早期闭合而控制位移的方法。,6,隧道大变形控制设计理念,3,、刚性结构设计理念,第21页国内外现状 (1)大刚度支护和衬砌结构6隧道大变,第,22,页,总体思路,工程勘察、初步设计,大变形机理分析,高地应力软岩,大变形控制技术,地应力场研究,围岩工程特性,大变形控制,快速施工技术,大变形控制,设计支护结构,地应力场拓展分析,地应力测试,位移反分析,围岩物理力学性质试验,围岩流变特性分析,选择试验结构形式,支护结构受力分析,常规变形测试,支护压力、应力测试,施工力学行为分析,耐久性评价,结构安全性、可靠性、,大变形、支护侵限、施工严重受阻,理论分析,现场试验,技术路线图