长大隧道岩土问题2012.626.ppt

1、第1页,铁路隧道建设中地质问题及对策,2012年6月,梁文灏,第2页,内 容 第一部分 铁路隧道工程的发展和建设中需考虑的因素 第二部分 当前长大铁路隧道面临的主要地质问题及对策,第3页,第一部分 铁路隧道工程的发展和建设中需考虑的因素 一、我国铁路隧道工程的特点及发展情况 二、特长隧道方案设计需考虑的一些因素,第4页,一、我国铁路隧道工程的特点及发展情况,至2008年底，我国铁路隧道长度：,预计到2012年，我国建成通车的铁路隧道总数将突破 10000座，长度将突破10000公里。远远领先于其他国家的 铁路隧道，是名符其实的隧道大国。,1、特长隧道多，隧道比例高,隧道比例最高为兰渝铁路，其中

2、一院设计范围线路总长493Km，隧道长度343Km，隧线比接近70% 。规划建设的合肥-福州铁路、沪昆铁路、西安-成都铁路、宝鸡兰州、兰州-乌鲁木齐等客运专线铁路，隧道工程的比例也非常大。,一、我国铁路隧道工程的特点及发展情况,第6页,2、 隧道地质条件复杂，不良地质发育,兰渝铁路通过长段落的软弱围岩大变形地层 ； 青藏、兰新铁路隧道群穿越高寒地区 ； 宜万铁路通过复杂岩溶暗河； 渝怀铁路穿越大型岩溶溶腔管道 ； 成兰铁路通过汶川地震龙门山断裂 ； 长昆客专、云桂铁路 通过西南地区灰岩地层 ； 大瑞铁路通过高地（水）温 ； 工程地质、水文地质条件十分复杂，工程实施技术难度都很大，有些工程甚至会

3、遇到世界级难题，十分具有挑战性。,一、我国铁路隧道工程的特点及发展情况,第7页,3、隧道结构断面大，设计、施工难度大，工程安全风险高,如郑西客专黄土隧道开挖断面最大可达164m2，而以前单线铁路隧道开挖仅为5060m2左右。,一、我国铁路隧道工程的特点及发展情况,第8页,4、铁路系统技术和机械技术发展促进隧道建设技术进步 1）电力牵引使长距离运营通风不再成为瓶颈 2）整体道床、接触网等配套技术的发展 3）运营养护设备和防灾救援设备的发展 4）机械设备的发展（大型凿岩台车、TBM等） 5）大型通风设备促使隧道独头通风技术发展,一、我国铁路隧道工程的特点及发展情况,第9页,5、施工专项技术的进步促

4、进隧道建设技术发展 1）注浆堵水和围岩加固技术 2）软岩变形的控制技术 3）硬岩的光爆技术 4）管棚、小导管等超前支护技术 5）瓦斯、煤层等复杂地层施工技术,一、我国铁路隧道工程的特点及发展情况,第10页,（一）建设工期,欧美：特长隧道从方案论证、勘察、设计、施工完成一般 需要1015年左右时间。 我国：目前我国铁路建设工期，一般为35年，这是隧道方案 设计均要考虑的重要因素，影响着隧道长度及工法的选 择。,二、特长隧道方案设计需考虑的一些因素,第11页,（二）投资因素,可行性研究批准的投资估算是建设项目投资控制的法定限额，隧道工程设计应考虑投资因素。,二、特长隧道方案设计需考虑的一些因素,第

5、12页,（三）环境保护和水土保持,1、隧道设计必须考虑与周边自然环境相协调的问题，妥善处理隧道弃碴以及施工对环境造成的影响，尽量避开自然保护区，最大限度的减少对地表水、地下水原始环境的破坏。 2、对环保、水保敏感点应采取相应技术措施，尽量保持环境的原生态。如歌乐山隧道的注浆堵水技术，城市地铁的全包防水技术。,二、特长隧道方案设计需考虑的一些因素,第13页,（四）工程地质问题,二、特长隧道方案设计需考虑的一些因素,第14页,（五）其他因素,1、施工方案设计上要充分考虑我国人力资源丰富的国情 2、尽快改变大型施工设备目前仍主要以进口为主的态势,二、特长隧道方案设计需考虑的一些因素,第15页,第二部

6、分 长大隧道目前面临的地质问题及对策,第16页,一、多年冻土问题 二、乌鞘岭特长隧道通过活动断层及高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术 三、兰渝铁路高地应力软岩隧道大变形问题 四、桃树坪、胡麻岭隧道第三系富水泥质弱胶结粉细砂岩地层 五、关角隧道道注浆堵水技术 六、大断面黄土隧道施工稳定性的技术关键问题研究 七、TBM施工技术 八、水平岩层问题,第17页,一、多年冻土问题,青藏高原多年冻土区是中低纬度地带冻土分布面积最广、厚度最大和海拔最高的地区，青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原冻土铁路。 青藏铁路格拉段全长1142公里，海拔4000米以上的线路有960公里，最高点唐古拉山垭口高程达50

7、72m，线路经过连续多年冻土区约550公里。,长大隧道目前面临的地质问题及对策,第18页,冻土是指0以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月）/季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（数年至数万年以上）。 冻土是一种对温度极为敏感的土（岩）体介质，含有丰富的地下冰，其长期强度远低于瞬时强度特征。,1、何为冻土,一 、多年冻土问题,长大隧道目前面临的地质问题及对策,第19页,2、冻土段隧道设计原则,1）保护多年冻土 2）采取特殊隧道支护结构 3）采取特定的防排水措施 4）对隧道施工提出特定要求,一、多年冻土问题,长大隧道目前面临的地质问题及对策,第20页,昆仑山隧道进

8、口,风火山隧道进口,一、多年冻土问题,长大隧道目前面临的地质问题及对策,第21页,3、衬砌支护设计,采用“一次衬砌+防水板+隔热保温层+防水板+二次衬砌”复合封闭结构，沿隧道全长环向全包铺设，形成隧道二次衬砌完全与地层隔离。,一、多年冻土问题,长大隧道目前面临的地质问题及对策,第22页,4、隔热保温设计,防水板及隔热保温层位于初期支护与二次衬砌之间，厚5cm，按“防水板+隔热层+防水板”的结构形式沿隧道全断面铺设。,洞内保温板,一、多年冻土问题,第23页,5、防排水设计,遵循“洞外截排、洞内防堵、隔热、保温等多道防线综合治理”的原则,采取与“保护冻土、控制冻融圈”的总体设计思想相适应、与防冻胀

9、结构相配套的适合于多年冻土区隧道的防排水设施。,一、多年冻土问题,长大隧道目前面临的地质问题及对策,第24页,6、多年冻土隧道施工,洞口制氧设备,高原专用通风空调系统,一、多年冻土问题,长大隧道目前面临的地质问题及对策,第25页,乌鞘岭隧道位于兰新铁路兰州至武威段。兰新铁路是我国铁路网“八纵八横”的主骨架之一，是亚欧大陆桥的重要组成部分。 兰武段既有铁路标准低（线路长度282km、最小半径300m、坡度20），运量小，成为兰新铁路上唯一的运输“瓶颈”。,二、乌鞘岭特长隧道通过活动断层及高地应力条 件下软弱围岩大变形控制技术,长大隧道目前面临的地质问题及对策,第26页,兰新线兰武段地理位置示意图

10、,第27页,乌鞘岭隧道设计：两座单线隧道，单洞长20050m， 线间距为40m,乌鞘岭特长隧道通过活动断层及高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,第28页,隧道经过三大岩类、六套地层；共经过18条大小断层，其中四条区域性大断裂，影响范围总长约8km；,F6断层,F5断层,F7断层,F4断层,乌鞘岭特长隧道通过活动断层及高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,第29页,F7为全新世活动断层，其平均水平滑动速率为2.082.50mm/a，平均垂直滑动速率为0.060.027mm/a，具有准周期性，复发周期为1800年，最大震级为7.5级左右。 设计“抗震能力高，易于修复”的隧道结构是乌鞘岭隧道面临的

11、一大技术难题。,1、特长隧道通过活动断层,乌鞘岭特长隧道通过活动断层及高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,第30页,(1) F7活动性大断裂带设计关键技术 选择了抗震能力好的圆形断面； 预留变形量、分层支护、分段吸收 变形和预留补强空间的结构体系； 可调整的轨下结构；,1、特长隧道通过活动断层,乌鞘岭特长隧道通过活动断层及高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,第31页,1、采用圆形断面形式 2、加大预留变形量 3、多重、分次支护 4、短台阶法开挖 5、二次衬砌采用钢筋混凝土,（2) F7工程活动性断层变形控制技术,乌鞘岭特长隧道通过活动断层及高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,第32页,2

12、、高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,乌鞘岭隧道岭脊地段隧道埋深5001100m，隧道穿越F4、F5、F6、F7四条区域性大断层组成的宽约8km的“挤压构造带”。初期支护出现掉块、开裂和挤压破坏，变形控制极为困难，施工异常艰难。,千枚岩地层中收敛变形达500700mm。,乌鞘岭特长隧道通过活动断层及高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,第33页,1）地应力场及围岩工程特性,岭脊地段围岩物理力学参数,2、高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,乌鞘岭特长隧道通过活动断层及高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,第34页,2）岭脊软弱围岩大变形控制技术 刚柔并济的初期支护抑制围岩变形； 二衬采用大刚

13、度结构，二衬适时紧跟； 短台阶法施工，上台阶长度5m左右， 仰拱距掌子面20m以内。,2、高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,乌鞘岭特长隧道通过活动断层及高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,3、大变形分级标准研究,乌鞘岭特长隧道通过活动断层及高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,3、大变形分级标准研究,变形等级划分的综合指标判定法表,乌鞘岭特长隧道通过活动断层及高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,第37页,4、提出了大变形隧道防治措施,乌鞘岭特长隧道通过活动断层及高地应力条件下软弱围岩大变形控制技术,第38页,（三）高地应力软岩大变形隧道变形控制技术,（二）区域地质背景,(一) 工程概况

14、,三、兰渝铁路高地应力软岩隧道大变形问题,长大隧道目前面临的地质问题及对策,第39页,（一）工程概况,兰渝铁路高地应力软岩隧道大变形问题,第40页,兰渝线按I级双线电化铁路、限制坡度13、200km/h双箱的标准设计，线路全长820km。,1、隧道工程概况,兰州,广元,重庆,兰渝铁路高地应力软岩隧道大变形问题,第41页,兰广段隧道工程集中，长大隧道比例高，共有隧道66座，总长343km，占本段线路长度的70%，其中大于10km的特长隧道9座。除西秦岭隧道（28.236km）、木寨岭隧道（19.095 km）、哈达铺隧道（16.59 km）设计为两座单线隧道外，其余均为双线隧道。,1、隧道工程概

15、况,兰渝铁路高地应力软岩隧道大变形问题,第42页,2、工程地质特征,兰渝线兰广段地质条件异常复杂，出露各时代的地层最全、区域地质构造背景最复杂、特殊岩土、不良地质种类最多、通过的软岩段落最长，素有“地质博物馆”之称；本地区地质灾害频发、地震活动极强烈，区域地应力为高极高，是国内外在建、已建项目中地质条件最复杂的高标准山区铁路之一。,兰渝铁路高地应力软岩隧道大变形问题,第43页,兰广段主要经过两大地貌单元，渭源以北为黄土高原地貌，渭源以南为秦岭高中山地貌。通过的主要地层有：黄土、第三系、白垩系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系，奥陶系、寒武系、震旦系及下元古界等地层。 三大岩类以及各种构造

16、作用产生的碎裂岩、断层泥、断层角砾等构造岩均有出露，岩性变化大、且以软岩为主，软硬不一、种类繁多。,2、工程地质特征,兰渝铁路高地应力软岩隧道大变形问题,第44页,二叠系炭质板岩、三叠系板岩、志留系炭质千枚岩等软岩地层 -专家誉为“特类围岩”，受地质构造及高地应力的影响，施工中出现了长段落的大变形。总长83Km。 二叠系板岩、炭质板岩地层主要涉及木寨岭、纸坊隧道，长约17km 三叠系板岩地层主要涉及哈达铺、马家山、同寨、青冈、新城子、毛羽山、天池坪等7座隧道，长约54km。 志留系千枚岩、炭质千枚岩地层主要涉及两水、清水隧道、鲁坝等隧道，长约12km。,3、施工中存在的主要技术问题,兰渝铁路高

17、地应力软岩隧道大变形问题,第45页,兰渝铁路高地应力软岩隧道大变形问题,（二）区域地质背景,第46页,兰广段沿线地质构造十分复杂，断裂、褶皱构造发育。隧道主要通过祁连褶皱系（兰州至临夏-漳县-天水断裂带F1）、秦岭褶皱系（临夏-漳县-天水断裂带F1至青川大断裂F8）、松潘甘孜褶皱系（青川大断裂F8至深断裂北川-映秀深断裂带F9）、扬子准地台（北川-映秀深断裂带F9至广元）四个一级构造单元。 本区域新构造运动活跃，历史上发生过一系列中强地震,1、地质构造,兰渝铁路高地应力软岩隧道大变形问题,第47页,沿线与线路有关的断裂构造共87条，其中区域性大断裂10条（7条活跃），多以断层束形态表现。 断裂

18、分布也与构造体系的活动性密切相关，沉降为主的古河西构造体系分布断带5条；活动强烈的秦岭昆仑纬向构造体系61 条；较为稳定的华夏构造体系分布断带22条。,1、地质构造,（1）断裂,第48页,沿线共查明大的褶皱构造43个，其中秦岭昆仑纬向构造体系37个，属于华夏构造体系6个。 其中对线路影响最大的是大草滩复背斜，位于古迹坪至素子沟(DK144+000DK189+700)段,由中生界、上古生界中一系列次级褶皱组成，总体作近东西北西向伸展，长约200km。,1、地质构造,（2）褶皱构造,第49页,（1）兰渝线所处的地应力场，经历了多期多次地质构造运动的影响，并且各个时期的地应力场之间存在着多种复合、归

19、并、利用关系，地应力场非常复杂且多变。,2、地应力,第50页,（2）全线均处于极高高地应力区。 实测木寨岭隧道最大水平主应力最大值为27.16MPa，西秦岭隧道最大水平主应力最大值为33.82MPa。 以木寨岭隧道级围岩为例，围岩强度为0.265 Mpa，围岩强度应力比为0.010.2，与规范极高地应力（max/R4）相比，兰广段隧道处于“特极高地应力”水平。,2、地应力,第51页,兰渝铁路高地应力软岩隧道大变形问题,（三）高地应力软岩隧道大变形控制技术,第52页,1、围岩特征、大变形情况 2、软岩大变形变形控制（各地层以代表性工点进行说明） 3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析 4、高地

20、应力软岩挤压定义、分级标准及控制基准 5、软岩大变形地层支护参数建议 6、存在问题及几点认识,（三）高地应力软岩隧道大变形控制技术,兰渝铁路高地应力软岩隧道大变形问题,第53页,1、围岩特征、大变形情况,（1）围岩特征 本线发生软岩大变形的地层为：二叠系、三叠系、志留系等软岩地层 ，总长83Km。其围岩特征如下：,1）岩性为板岩、炭质板岩、千枚岩、炭质千枚岩及构造岩等软质岩，并少量砂岩、灰岩夹层属硬质岩。特点是软硬不均、岩性交替分布，沿隧道轴向变化频繁，总体上岩质软、强度低。 2）岩层以薄层、片状为主，局部中厚层，层厚变化频繁；岩体结构呈层状、碎（块）石状、松散及角砾状。 3）受地质构造影响严

21、重，节理裂隙发育，褶皱及小揉皱构造发育，岩体中含层间挤压破碎带及次生小断层； 4）地下水分布不均，对围岩稳定性存在不利影响。,第54页,木寨岭 二叠系炭质板岩，级围岩,木寨岭 二叠系板岩 扭曲、破碎，级围岩,二叠系板岩、炭质板岩,木寨岭 掌子面揉皱,木寨背斜构造,第55页,同寨隧道岩层节理扭曲,同寨隧道薄层板岩,三叠系板岩、炭质板岩,第56页,志留系千枚岩、炭质千枚岩,两水隧道斜井工区开挖后粉末状石碴,两水隧道炭质千枚岩,两水隧道掌子面揉皱情况,两水隧道斜井工区挤压破碎情况,第57页,木寨岭隧道DK180+441-DK180+461段初支开裂,木寨岭DyK188+344+367变形大，初支侵限

22、、换拱,木寨岭大坪斜井变形拆换（斜6+15）,木寨岭yK187+871-DyK187+882段钢架扭曲剪断,（2）大变形情况,第58页,哈达铺初支H175钢架扭曲变形,哈达铺DK276+850+860段变形过大， 支立套拱、横撑变形情况,哈达铺初支侵限换拱情况,哈达铺隧道变形严重，设置临时横撑,第59页,同寨隧道H175钢架变形严重,马家山DK241+400-DK241+345段变形拆换,第60页,两水DK357+808+815段拱顶H175钢架断裂,DK359+208DK359+196段初支侵界 V级围岩，V级软岩支护（H175）,毛羽山DK285+163变形拆换（H175钢架）,毛羽山隧道

23、DK285+178 H175钢架扭曲变形,第61页,（2）大变形情况,重点隧道变形统计表,1、围岩特征、大变形及科研情况,第62页,（2）大变形情况,重点隧道变形统计表,1、围岩特征、大变形及科研情况,第63页,2、软岩大变形变形控制：各地层以代表性工点进行说明,（1）木寨岭隧道-二叠系板岩、炭质板岩,按两座单线隧道设计，线间距40m，考虑其长度及复杂性，共设8座斜井辅助施工。通过地层主要有第三系砾岩、泥岩夹砂岩，二叠系板岩、炭质板岩，石炭系砂岩夹板岩、砂岩、灰岩、板岩，泥盆系砂岩、泥岩、板岩等。 地质构造复杂，通过包括区域性大断裂F2在内的共11条大断裂、三个背斜和及两个向斜。,第64页,二

24、叠系板岩V级软岩原设计支护参数表,一般地段原设计支护参数表,木寨岭隧道二叠系板岩、炭质板岩总长为12535m，其中6250m V级围岩按照软岩断面设计，其余地段均按一般地段支护参数进行设计。,2、软岩大变形变形控制：各地层以代表性工点进行说明,（1）木寨岭隧道-代表二叠系板岩、炭质板岩,第65页,DK178+080+050段拱顶变形,DK178+080+050段边墙变形照片,第66页,2）正洞隧道变形控制技术,1、采用H175、I20b钢架为主，加强支护强度和刚度 2、加大预留变形量 3、锁脚及锁固锚杆 4、注浆加固围岩,2、软岩大变形变形控制：各地层以代表性工点进行说明,（1）木寨岭隧道-代

25、表二叠系板岩、炭质板岩,第67页,通过木寨岭隧道现场变形控制研究，对二叠系板岩、炭质板岩地段初支钢架应以I20b、H175为主进行系统设计。,2、软岩大变形变形控制：各地层以代表性工点进行说明,（1）木寨岭隧道-代表二叠系板岩、炭质板岩,变形控制效果：大部分地段大变形得到有效控制，个别工区支 护措施仍在调整。,第68页,(2)同寨隧道(8827m)-三叠系板岩、炭质板岩 三叠系板岩、炭质板岩隧道变形控制情况，以同寨隧道为例，详述施工中变形情况及采取的应对措施。,第69页,DK248+343掌子面：近竖直薄层板岩，岩石层厚较薄，岩石自稳性差,DK248+343薄层板岩，节理发育，褶皱扭曲，产状凌

26、乱,（2）同寨隧道-代表三叠系板岩及炭质板岩,第70页,试验段变形控制技术（DK247+959+370） （3个阶段：工18工20bH175）,（2）同寨隧道-代表三叠系板岩及炭质板岩,第71页,试验段前后最大变形值及变形速率,2、软岩大变形变形控制：各地层以代表性工点进行说明,（2）同寨隧道-代表三叠系板岩及炭质板岩,第72页,（2）同寨隧道-代表三叠系板岩及炭质板岩,2、软岩大变形变形控制：各地层以代表性工点进行说明,1、主要采用I20b 、H175钢架，加强支护强度和刚度 2、加大预留变形量 3、锁脚及锁固锚杆 4、注浆加固围岩,正洞隧道变形控制技术,变形控制效果：大部分地段大变形得到有

27、效控制。,第73页,两水隧道 (L-4945m)，斜井工区以炭质千枚岩，极破碎，呈散状。,（3）两水隧道-代表千枚岩地层,2、软岩大变形变形控制：各地层以代表性工点进行说明,DK359+459掌子面围岩,第74页,DK359+407+427段初支侵限、拱架变形,第75页,DK359+427+442段双层支护初支开裂,第76页,在斜井工区重庆方向DK359+407+552段控制变形主要分以下3个阶段：,（3）两水隧道-代表千枚岩地层,工20b钢架,工20+工16双层支护,H175型钢,变形控制过程,2、软岩大变形变形控制：各地层以代表性工点进行说明,第77页,1、加大预留变形量 2、采用长锚杆，

28、L-6-8m（斜井工区） 3、采用H175钢架，加大初支刚度 4、工20（ H175 ）+工16型钢双层支护 5、小导管注浆加固围岩,（3）两水隧道-代表千枚岩地层,2、软岩大变形变形控制：各地层以代表性工点进行说明,两水隧道大变形控制技术,第78页,变形控制效果,2、软岩大变形变形控制,通过两水隧道等志留系千枚岩地层变形控制试验研究，该套地层支护参数应以H175为主进行系统设计。 对于两水隧道局部变形仍未有效控制地段，应进一步加强刚度和强度，建议采用H200等大刚度支护。,第79页,（1）兰渝线挤压性软岩变形及受力特征(两水隧道为例),1）隧道变形特征 隧道掌子面的挤出位移大、掌子面稳定性差

29、 实测掌子面内部纵向位移6天量测结果127mm，内部沉降99.8mm 。 理论计算结果掌子面最大纵向位移可达500-600mm，洞周支护最大纵向位移153.3mm，平均62.1mm。,3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析,第80页,第81页,1）隧道变形特征 变形量大 两水隧道变形以拱顶下沉为主，实测最大拱顶下沉达761.9mm，最大水平收敛达498.85mm。,斜井工区变形量测纵向分布曲线,斜井工区试验段变形量测纵向分布曲线,3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析,（1）兰渝线挤压性软岩变形及受力特征(两水隧道为例),第82页,1）隧道变形特征 变形速率高 两水隧道斜井工区最大拱顶下沉

30、变形速率达107mm/d。最大水平收敛变形速率为35mm/d。,水平收敛速率时间曲线图,拱顶下沉速率时间曲线图,3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析,（1）兰渝线挤压性软岩变形及受力特征(两水隧道为例),第83页,1）隧道变形特征 变形持续时间长 两水隧道开挖后无明显稳定趋势，26天以后变形基本趋于稳定。施做二次衬砌后变形仍在持续。,拱顶下沉时间曲线,水平收敛时间曲线图,DK357+773.3断面二次衬砌变形时间曲线,3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析,（1）兰渝线挤压性软岩变形及受力特征(两水隧道为例),第84页,2）支护结构受力特征 围岩压力、接触压力大 两水斜井最大围岩压力0.

31、546MPa，平均0.267MPa，围岩压力以形变压力为主；最大接触压力达0.489MPa，平均0.210MPa；接触压力承担围岩压力比例达78.65%。,DK359+476围岩压力图,DK359+476断面围岩压力时间曲线,DK359+476断面二衬接触压力时间曲线,3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析,（1）兰渝线挤压性软岩变形及受力特征(两水隧道为例),第85页,2）围岩压力和支护结构应力特征 支护受力大、早期应力大 两水斜井最大喷层应力20.88 MPa，最大钢架应力达235.53 MPa，最大混凝土应力8.98 MPa，支护结构受力较大。,DK357+370 围岩喷混凝土（MPa

32、）,DK357+370断面钢架应力时间曲线,DK357+370断面喷混凝土应力时间曲线,3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析,（1）兰渝线挤压性软岩变形及受力特征(两水隧道为例),第86页,3）锚杆轴力测试 系统锚杆受力测试表明：拱部锚杆受压，边墙锚杆受拉，施工时可取消拱部锚杆、加长边墙锚杆。,断面锚杆轴力图（KN）,3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析,（1）兰渝线挤压性软岩变形及受力特征(两水隧道为例),第87页,1） 板梁（层状）的弯曲破坏： 对于在层状(特别是薄层状)岩体中的隧道, 由于开挖卸载，特别是在高地应力条件下,层状岩体以板的方式横弯或纵弯挠曲，引起隧道壁侧向变形。弯曲

33、变形的大小受岩层产状、岩层厚度、地应力状况等因素影响，岩层产状将决定弯曲变形所发生的部位，倾斜层状围岩将引起拱脚鼓出变形，竖直层状围岩中，隧道边墙岩层的弯曲变形常引起边墙的鼓出；在水平层状围岩中，隧道顶部岩层的弯曲变形常引起顶部下沉。 板梁弯曲破坏主要有三种：倾斜、水平、竖直。,（3）兰渝铁路挤压大变形机理分析,3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析,第88页,1） 倾斜岩层 木寨岭隧道是典型的倾斜岩层变形引起的隧道围岩变形的例子。,（3）兰渝铁路挤压大变形机理分析,3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析,第89页,2） 垂直岩层 毛羽山隧道是典型的竖直状岩层变形引起的隧道变形破坏的例子。

34、,（3）兰渝铁路挤压大变形机理分析,3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析,第90页,3）水平岩层 同寨隧道下尕沟斜井及出口工区是典型的水平状岩层变形引起的隧道变形破坏的例子。,（3）兰渝铁路挤压大变形机理分析,3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析,第91页,2）层状碎裂结构：兰渝线软岩大变形隧道最主要的破坏形式。,围岩大体上为层状结构，节理裂隙发育，且层间存在着软弱夹层，开挖卸载后，由于裂隙发育的不均匀造成局部应力集中，原本在高地应力和自重应力作用下闭合的节理张开、扩张，部分围岩切割为碎裂状，开挖时易坍塌掉块和顺层滑移；但仍有部分较完整围岩沿层状弯折、溃曲破坏，此时隧道破坏表现为弯折、

35、溃曲、顺层滑移、坍塌等组合形式方式。,（3）兰渝铁路挤压大变形机理分析,3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析,第92页,3）散体压密结构,受地质构造影响及极高地应力作用，低强度的薄层围岩被压碎、挤密，呈散体压密结构，在隧道开挖形成临空面后，隧道周边围岩难以承受高-极高地应力的作用，原本压实闭合的结构面张开滑移，围岩被挤入，产生坍塌，支护强度不足时，出现开裂、掉块。 有裂隙水时，结构面及矿物颗粒间的胶结强度进一步弱化，岩体结构面间与矿物颗粒间的胶结作用失效，围岩变形效应进一步加大。 这时围岩呈流塑扩容状态，围岩的变形破坏表现为松动圈累进性扩展特点。最后导致大变形发生。,（3）兰渝铁路挤压大变

36、形机理分析,3、兰渝挤压性围岩变形特征及变形机理分析,第93页,3）散体压密结构 两水隧道斜井工区大变形就属于这种变形机制类型。,3、高地应力软岩挤压大变形机理、分级标准及控制基准,（4）兰渝铁路挤压大变形机理,第94页,（1）挤压性软岩大变形的定义,1）软岩的概念 软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层。,岩石坚硬程度的定性划分（ 工程岩体分级标准（GB 50218-94） ）,4、高地应力挤压围岩定义、分级标准及控制基准,RC与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系,第95页,2）挤压性围岩的概念 国际岩石力学学会关于挤压性围

37、岩定义：“一种由于极限剪切应力失稳而导致隧道开挖面周边发生大变形的围岩，挤压变形是一种与时间相关的变形行为，是一种蠕变行为，这种变形可能会在开挖期间停止，也可能持续时间非常长”。(Barla，1995),（1）挤压性软岩大变形的定义,4、高地应力软岩挤压定义、分级标准及控制基准,第96页,3）兰渝线挤压性围岩定义 结合乌鞘岭隧道、襄渝线和兰渝铁路的研究，大变形隧道涉及的围岩由薄层板岩（含炭质板岩）、千枚岩（含炭质千枚岩）、页岩及煤系地层等地层，其岩石单轴饱和抗压强度一般均小于5Mpa，属极软岩范畴。通过科研研究和对国内外大变形研究现状的调研，对兰渝线挤压性围岩定义如下： 围岩强度不大于5MPa

38、； 地应力值大于围岩强度，围岩强度应力比小于0.25； 围岩的极限应变大于1.5%。,（1）挤压性软岩大变形的定义,4、高地应力软岩挤压定义、分级标准及控制基准,第97页,2)兰渝线大变形分级指标的确定 根据上述大变形分级国内外现状分析，以及对大变形机理和大变形规律的研究，兰渝线软岩隧道大变形分级，在设计阶段采用相对变形和围岩强度应力比Rcm/P0两项指标进行预测，在施工阶段采用变形和变形速率进行验证评价。,（2）挤压性软岩大变形分级,4、高地应力软岩挤压定义、分级标准及控制基准,第98页,3) 设计阶段预测 根据兰渝线围岩特征和变形情况，提出了兰渝线软岩大变形分级标准如下图：,兰渝线软岩大变

39、形分级标准曲线图(隧道支护抗力pi / p0=0.05),（2）挤压性软岩大变形分级,4、高地应力软岩挤压定义、分级标准及控制基准,第99页,根据实测地应力和点荷载情况，设计阶段大变形进行分级如下表：,兰渝线软岩隧道大变形分级标准(设计阶段预测),（2）挤压性软岩大变形分级,4、高地应力软岩挤压定义、分级标准及控制基准,第100页,4) 施工阶段验证,兰渝线软岩隧道大变形分级标准(cm),（2）挤压性软岩大变形分级,4、高地应力软岩挤压定义、分级标准及控制基准,第101页,大变形分级与现行规范围岩特征对应关系,4、高地应力软岩挤压定义、分级标准及控制基准,第102页,不同大变形等级的处理措施表

40、,4、高地应力软岩挤压大变形机理、分级标准及控制基准,6) 大变形主要支护参数,（2）挤压性软岩大变形分级,第103页,本线采用乌鞘岭隧道、襄渝线软岩大变形控制技术，仍出现长段落的初期支护的开裂、变形、侵限和拆换，难以抑制软岩大变形；反应受高地应力作用强烈，前期变形“猛烈”。 个别隧道衬砌开裂和掉快，二次衬砌出现变形，显示地应力的强大和释放缓慢，具明显的“后期来劲”的特点。,（1）高地应力作用强烈，软岩变形具前、后期“均来劲”的特点,6、存在问题和几点认识,第104页,1）初期支护的开裂、变形是释放地应力的方式，拆换已破损的初期支护是直接、彻底释放地应力的方式。一般在拆换后支护结构和二次衬砌均

41、没有问题。 2）小导洞可以释放地应力，但需要一定的空间和时间。 其也是拆换支护以释放地应力，但其与隧道开挖轮廓有一定距离，效果上要差一点。,（2）关于初期支护的拆换和有关小导洞的问题认识,6、存在问题和几点认识,第105页,在围岩压力相当强大的情况下，采用台阶法施工，接中、下台阶钢架时，拱部、中台支护已变形破损、钢架内缩，使钢架接头连接薄弱，常常接好下腿时，初期支护已破坏，无法施做二次支护。在目前采用台阶法留核心土施工时，采用一次大刚度支护更现实。,（3）关于双层支护与一次大刚度支护的认识,6、存在问题和几点认识,第106页,四、桃树坪、胡麻岭隧道第三系富水泥质弱胶结粉细砂岩地层,长大隧道目前

42、面临的地质问题及对策,第107页,1、工程概况,桃树坪隧道（DK3+430DK6+655，L-3220m）全隧道通过第三系富水泥质弱胶结粉细砂岩地层 ，设斜井5座。,第108页,1、工程概况,胡麻岭隧道（DK68+626DK82+237），长L-13611m，洞身DK76+350-DK79+600段（3250m）通过第三系富水泥质弱胶结砂岩地层,洞身DK76+350-DK79+600段（3250m）和3号、4号、7号、8号斜井,第109页,（1）第三系未成岩粉细砂岩，成岩性差，受地下水作用，开挖扰动后后基本呈粉细砂，呈稀糊状，基底有涌水现象发生，工程性质迅速恶化。,2、施工中出现问题,第110

43、页,（2）下半断面拱架接腿施工难度极大，开挖时砂随水快速流出，造成拱架背后脱空，两侧边墙极易垮塌，钢架多次分段连接、不能及时封闭成环。,2、施工中出现问题,第111页,（3）隧道变形大，施工中需采用加设横撑或临时仰拱等措施控制变形；已支护地段变形不稳定，伴有喷混凝土剥落、钢架扭曲现象。,桃树坪隧道 3号斜井加设横撑,桃树坪隧道 3号斜井加设横撑,2、施工中出现问题,第112页,（4）出现集中的涌水、涌砂点：其分布不均匀，开挖时常伴有涌水、涌砂现象。出水水流带走砂粒，导致掌子面前方或边墙背后出现坍塌，岩体结构被破坏，形成空腔，施工风险极大。,胡麻岭隧道4号斜井 右侧拱腰涌水、涌砂,桃树坪隧道3号

44、斜井 右侧边墙涌水、涌砂,2、施工中出现问题,第113页,桃树坪隧道4号斜井拱腰渗水,胡麻岭隧道3号斜井掌子面渗水,胡麻岭隧道3号斜井涌水,胡麻岭隧道3号斜井涌水,第114页,鉴于桃树坪、胡麻岭隧道地质条件复杂，施工难度大、施工进度缓慢、施工风险高，引起部建设司、鉴定中心、工管中心、兰渝公司及设计、施工、监理等各方的高度重视，多次组织现场会勘、方案研讨及专家会。从2010年3月到现在，规模较大的专家会召开了10多次。 （1）先后进行了平纵断面优化、部分隧道改为两座单线研究 （2）采用盾构、插板机、预切槽机等施工方案的研究 （3）对施工方法和辅助施工工法研究：对 CD、CRD、双侧壁导坑法工法，

45、对超前支护、掌子面保护、加强锁脚锚管、洞内井点降水、基底换填、插板、排桩、水平旋喷、注浆技术等研究 （4）我院和北京交大开展第三系富水弱胶结粉细砂岩围岩特性和支护结构技术研究，以解决桃树坪、胡麻岭隧道的施工难题。 （5）针对第三系富水弱胶结粉细砂岩支护结构参数，按部鉴定中心要求在桃树坪、胡麻岭隧道进行系列工程试验。,3、技术方案研究,第115页,1）前期试验工法及效果-超前支护 超前支护主要有密排小导管、大管棚+小导管、水平旋喷桩、插板法四种,第116页,2）前期试验工法及效果-降水,集水井,针对桃树坪、胡麻岭隧道有水未成岩砂岩地层，现场展开深井降水、集水井降水、分步超前降水、边墙侧向深井降水

46、等试验，最后确定正洞采用深井与轻型井点相结合的降水方案，斜井采用轻型井点降水的方案，目前降水，总体上是成功的、必须的。,多级轻型井点降水管网,3、技术方案研究,第117页,3）前期试验工法及效果-排桩（管）,第118页,4）前期试验工法及效果-注浆技术 径向注浆：考虑到初支背后易形成空洞，待初期支护封闭成环后，全断面施做径向压浆回填。 帷幕注浆：对出现突涌局域和段落，采用帷幕注浆或掌子面注浆加固。 化学注浆： 固砂剂、聚亚胺胶脂材料、马丽散等 对超细水泥浆、水玻璃类、化学浆液等注浆材料做进一步进行实验研究。,3、技术方案研究,第119页,5)主要物理力学指标对砂岩稳定性的影响分析：,第120页

47、,第三系砂岩部分物理力学指标统计表,第121页,各斜井土样渗透系数对比,土样力学参数表,第122页,6）施工技术关键： 在经过一年的施工探索和研究后，对前期的各项施工方案和工法、辅助施工措施进行了系统的研究分析和施工探索，确定采用“重降水、密导管、强支护、辅注浆、快挖快支快封闭”的设计原则，对隧道出口采用大功率设备进行水平旋喷技术试验。 “重降水”在掌子面前的各台阶，设大功率、间距为0.5m的轻型井点进行降水；在下台阶处，采用长度为15-20m的大直径管井进行降水。 “密导管”在开挖后利用掌子面有限的稳定时间，施工密排小导管，达到超前支护和防止顶部流沙和漏砂的目的。 “强支护”采用大刚度型钢钢

48、架、双层支护、CRD及双侧壁导坑法等施工工法。 “辅注浆”针对受承压水出现的流沙引起的初期支护背后空洞和掌子面空洞采用注浆技术，确保支护和掌子面的稳定。,3、技术方案研究,第123页,正洞试验段主要支护参数表,第124页,桃树坪隧道出口水平旋喷参数,第125页,桃树坪隧道出口水平旋喷设计,第126页,（1）桃树坪隧道 桃树坪隧道进口采用CRD法，各斜井施工的正洞工区采用CRD或双侧壁导坑法，出口采用水平旋喷台阶法施工，目前各工作面施工逐步进入正常，施工进度10-15左右m/月。,4、目前试验段实施情况,桃树坪隧道施工情况统计表,第127页,（2）胡麻岭 胡麻岭隧道4号斜井施工逐步进入正常，其它

49、各工作面（主要斜井建井）施工仍困难。,4、目前试验段实施情况,胡麻岭隧道第三系砂岩段施工情况统计表,第128页,第129页,第130页,五、关角隧道道注浆堵水技术,长大隧道目前面临的地质问题及对策,第131页,（一）关角隧道概况 （二）注浆堵水技术,主要内容,关角隧道道注浆堵水技术,第132页,（一）关角隧道概况,关角隧道道涌水的处理对策,第133页,二、隧道概况,1、隧道概况 关角隧道位于既有铁路天棚车站至察汗诺车站之间，隧道长32.645km（隧道进口高程为3380.75，出口高程为3324.05）。隧道设计为“人”字坡，进口段为8的上坡，出口段为9.5的连续下坡。,第134页,新建隧道为

50、两座平行的单线隧道，线间距40m，均位于直线段上。关角隧道的修建，使该区间既有线缩短37.7km。,平面概况,线隧道,线隧道,第135页,1号斜井,2号斜井,3号斜井,4号斜井,5号斜井,6号斜井,7号斜井,8号斜井,9号斜井,平导,平导,10号斜井,关角隧道设计采用钻爆法施工，总体设计思路是采用10座斜井及局部平导来辅助正洞施工，即在线隧道设置3座斜井（3、4、5号斜井），线隧道设置7座斜井（1、2、610号斜井），同时在线DyK296+110DyK300+210及DyK305+021DyK310+777段分别设置长为4100m及5756m的平导。所有斜井施工到位后先施工线隧道及平导，完成线

51、隧道施工任务的斜井及平导贯通地段即可通过施工横通道进入线隧道施工，平导的扩挖在线隧道施工完成后进行。,施工组织概况,第136页,二郎洞断层束，长约3km,（1）涌水量大，涌水范围长，施工及运营安全风险高、工程投资大； （2）地质条件复杂，隧道变形大，施工安全风险高； （3）部分地段围岩破碎，时常发生塌方，威胁施工安全。,三叠系、二叠系灰岩,滞留系砂岩夹板岩，涌水突泥,目前施工中存在的主要技术难题,第137页,（二）注浆堵水技术,关角隧道道涌水的处理对策,（1）地下水类型及分布特征 隧道通过区地下水类型主要为岩溶裂隙水、构造裂隙水、侵入岩网状裂隙水。 （2）地下水补、径、排特征 大气降水、冰雪融

52、水为隧道地下水的主要补给来源。并最终以泉的形式排泄于沟谷中，或通过断裂以泉的形式溢出。 隧道建成后形成新的排泄、径流系统，洞身通过段地下水将涌入隧道向洞内排泄。,1、水文地质特征,第139页,关角隧道施工中涌水量大，给隧道建设带来了极大困难和损失： （1）涌水量太大，会导致淹井等风险事件的发生，隧道施工中曾发生过多次淹井事故，4号斜井2009年发生淹井后因抽水导致停工时间长达4个多月，影响掘进半年以上。 （2）涌水量太大，会导致施工效率极其低下，进度缓慢。 （3）抽水费用巨大。 （4）注浆堵水可以超前封堵或开挖后封堵，减少涌水量，降低施工风险，减少施工排水费用，因此在关角隧道采取多种堵水措施是

53、施工建设和运营安全的必要保障。 为此，根据涌水的形式，针对不同情况，制定了采用不同堵水措施的标准和具体措施。,2、涌水处理原则,3、斜井、正洞已开挖段涌水及注浆情况,第141页,4、注浆方式,（1）顶水注浆 （2）径向注浆 （3）帷幕注浆,第142页,顶水注浆主要参数： 1）本措施一次加固范围长10m。 2）注浆孔布置：出水点周边2m范围，46个钻孔。 3）分段前进式注浆，每段前进5m。 4）注浆参数如下： 水玻璃浓度:35Be； 水泥浆与水玻璃体积比为1：11：0.6; 注浆终压：不小于3MPa并通过试验确定； 扩散半径：2.5m； 钻孔深度：10m； 钻孔直径：50mm，现场可调整； 5）

54、注浆结束标准：集中出水点单孔涌水量10m3/h。,（1）顶水注浆,第143页,径向注浆主要参数 一次加固范围为45m。 全孔一次性注浆。 注浆参数 浆液：HCH-单液浆； 注浆设备：专用注浆泵； 注浆终压：建议3MPa并试验确定； 扩散半径：1.5m； 钻孔深度：5m； 钻孔直径：30mm； 孔底间距：不大于2.2m； 孔口间距：1.02.0m（环向纵向）, 施工中根据实际出水点位置等进行调整。 注浆结束标准：集中出水点单孔涌水量10m3/h。,（2）径向注浆,第144页,帷幕注浆主要参数 一次注浆长度27m。 分段前进式注浆，每段前进5m。 注浆参数如下： 水玻璃浓度:35Be； 水泥浆与水

55、玻璃体积比为1：11：0.6; 注浆终压：不小于3MPa并试验确定； 扩散半径：2.5m； 钻孔水平投影长度：27m； 孔口钢管直径：108mm； 超前钻孔直径：100mm； 孔底间距：2.5m; 注浆结束标准：集中出水点单孔涌水量5m3/h且掌子面总涌水量100m3/h。,（3）帷幕注浆,第145页,跨越2000注浆材料有多种型号，可以组合使用，关角隧道采用了其中的三种型号。 HCH-型高分子水胶固结材料 HCH-型高分子水胶固结材料是一种单液树脂类材料，该材料以水为固化剂，遇水后立即发生化学反应产生气体，体积膨胀并生成一种不溶于水并具有一定强度的弹性胶状固结体，从而达到很好的止水堵漏的目的

56、。由于固化后的高分子固结体有很高的强度,不仅可以防水堵漏，更适合于加固补强。,1）注浆加固原理及材料性能,5、注浆材料及主要工艺-跨越2000化学浆,第146页,具有下述特点： A、浆液遇水后自行分散、乳化、发泡，立即进行化学反应，形成不透水的弹性胶状固结体。 B、粘度低，遇水迅速反应而固结、膨胀，反应后形成的弹性胶状固结体有良好的延伸性、弹性及抗渗性、耐低温性，在水下永久保持原形。对基层有很强的粘着力、韧性好。 C、与水混合后粘度小，可灌性好，无害、无毒、无污染。 D、浆液遇水反应形成弹性固结体物质的同时，释放CO2气体，借助气体压力，浆液可进一步压进结构的空隙，使多孔性结构或地层能完全充填

57、密实。具有二次渗透的特点。 E、膨胀率大，不收缩，正常与水反应浆液可以形成10-20倍泡沫体，因而可以进一步充实空隙，起到防水堵漏的作用。固化速度可以根据需要进行调节。,第147页, HCH-型无机堵漏材料 HCH-型无机堵漏材料主要用于隧道、坝下工程的防水堵漏。它具有以下特点： A、凝结时间快，遇水迅速反应而固结、膨胀。初凝:12分钟，终凝:35分钟。 B、对基层有很强的粘着力，强度增加快。 C、初期强度高，后期强度稳定增加。 D、使用方便快捷。 E、具速凝、早强、抗渗、微膨胀、无毒、无害、不含氯化物特点。,第148页,跨越2000型锚喷抢险材料 跨越2000型锚喷抢险材料主要用于各种地下工

58、程的软弱围岩喷锚支护、涌水渗水喷射堵漏，具有凝结时间快、贴结力强、早期强度高、微膨胀、负温性能好、抗硫酸盐侵蚀等优良特性。,第149页,径向注浆时，对于大面积渗水或者漏水的地方，包括隧道拱顶、拱肩及拱壁，应该先打钻孔引水，尽量使散状水集中。 在钻孔中植入注浆管，然后用跨越2000型锚喷抢险材料对大面积漏水部位进行锚喷封堵，减少出水点，使散状水归拢集中，并防止注浆时跑浆。 采用HCH-型无机材料对其他较为集中的出水点进行封堵，进一步减少出水点，同时使出水点进一步归拢集中。 采用HCH-型高分子水胶固结材料进行注浆堵水。 在注浆过程出现跑浆现象、注浆过程中或注浆后新增出水点时，及时采用HCH-型无机堵水材料进行封堵，最后全面完成注浆堵水。,3）注浆工艺,第150页,采用跨越2000注浆材料堵水后，至少使4号斜井涌水减少1万m3/d。,第151页,5、注浆材料及主要工艺马丽散化学浆,马丽散堵水材料是由两种组分组成（树脂和催化剂）的高分子化学产品，适用于围岩涌水的封堵和加固。马丽散浆液的特点是密度与水非常相近，而且粘度较小，在其发生化学反应之前，流动性较好，是一种非常易于注浆和扩散的材料，材料在进入有水的裂隙及空间后，遇水即发生膨胀，快速的充填孔隙，封堵水流，达到堵水效果，膨胀系数为325倍左右（无水时膨胀系数大于3，有水时膨胀系数大于10）；材料反