(完整版)炭质页岩单线隧道大变形机理及其施工控制技术课件.ppt

1、印度板块印度板块亚欧板块亚欧板块四川盆地四川盆地青藏高原青藏高原塔里木盆地塔里木盆地鄂尔多斯鄂尔多斯灾害问题灾害问题突出突出，如：如：l高高地应力地应力大变形大变形l高高烈度区地震烈度区地震l岩溶涌岩溶涌水水突泥突泥l瓦斯突出与瓦斯突出与爆炸爆炸l 随着随着“一带一路一带一路”国家战略国家战略的推进，深埋的推进，深埋长大隧道已长大隧道已成为我国交通成为我国交通建设和能源开发中的控制性工程。建设和能源开发中的控制性工程。一、软岩隧道大变形成因一、软岩隧道大变形成因及及分类分类大量铁路、公路隧道及水工隧洞都大量铁路、公路隧道及水工隧洞都遇到了严重的大变形遇到了严重的大变形灾害：灾害：l 成兰铁路成

2、兰铁路、兰渝铁路兰渝铁路、川藏铁路川藏铁路、西成客运专线西成客运专线铁路铁路隧道隧道l 汶汶马高速、雅康高速、广甘高速、都汶高速马高速、雅康高速、广甘高速、都汶高速公路隧道公路隧道l 锦屏水电站、青龙江水电站、洞松水电站锦屏水电站、青龙江水电站、洞松水电站引水隧洞引水隧洞一、软岩隧道大变形成因一、软岩隧道大变形成因及及分类分类兰渝铁路两水隧道兰渝铁路木寨岭隧道一、软岩隧道大变形成因一、软岩隧道大变形成因及及分类分类都汶高速龙溪隧道锦屏电站引水隧洞一、软岩隧道大变形成因一、软岩隧道大变形成因及及分类分类一、软岩隧道大变形成因一、软岩隧道大变形成因及及分类分类软岩的定义软岩的定义类型来源定义指标性

3、定义国际岩石力学学会单轴抗压强度在0.525MPa之间的一类岩石部分学者抗压强度与上覆岩层荷重之比 2的岩石描述性定义原长春煤炭研究所松散、软弱的岩层原煤炭工业部软岩分会软弱、破碎、膨胀、流变、强风化及高地应力岩体的总称淮南矿业学院松软、破碎、软弱、膨胀及风化等岩层工程性定义董方庭围岩松动圈大于1.5m鹿守敏围岩松动圈大于1.5m，且常规支护不能适用的围岩国内外软岩无统一的定义！国内外软岩无统一的定义！一、软岩隧道大变形成因一、软岩隧道大变形成因及及分类分类大变形的定义大变形的定义K.Terzaghi挤压变形是指含有相当数量黏土矿物的岩石，会以“不容易察觉的体积增加”缓慢地侵入隧道净空。挤压变

4、形的先决条件是岩石中具有高含量的膨胀性细微或亚微云母矿物和黏土矿物。国际岩石力学学会挤压变形是一种与时间相关的变形行为，通常发生在地下空间开挖面周边，一般是由于极限剪切应力导致蠕变造成。这种变形可能会在开挖期间停止，也可能持续较长时间。铁二院大变形是相对正常变形而言，正常支护位移上限取为预留变形量的0.8倍，即单线隧道13cm、双线隧道25cm，高地应力隧道位移上限取为正常支护位移上限的2倍，即单线隧道25cm、双线隧道50cm。国内外大变形无公认的定义！国内外大变形无公认的定义！K.Terzaghi提出挤出性岩石和膨胀性岩石的概念G.nagnostou(1)开挖应力重分布塑性变形(2)膨胀性

5、矿物+水大变形.Aydan 等(1)完全剪切破坏(2)弯曲破坏(3)剪切和滑动破坏大变形原因 高应力作用下岩体剪切破坏剪切破坏 开挖引起的岩体结构面失稳结构面失稳 特殊岩体水化学反应水化学反应造成体积膨胀隧道隧道大变形成因机制大变形成因机制一、软岩隧道大变形成因一、软岩隧道大变形成因及及分类分类 挤压大变形挤压大变形l 塑性流动塑性流动塑性区塑性变形应力调整剪切滑移 隧道开挖引起隧道开挖引起应力重分布达到应力重分布达到屈服屈服面后，围岩处于塑性状态，面后，围岩处于塑性状态，发生塑性变形并引起围岩发生塑性变形并引起围岩应力继续应力继续调整，导致调整，导致围岩围岩剪切滑移剪切滑移，在地下，在地下水

6、的进一步软化作用下，岩石强度应力比持续降低，产生大变形水的进一步软化作用下，岩石强度应力比持续降低，产生大变形。一、软岩隧道大变形成因一、软岩隧道大变形成因及及分类分类l 结构面滑移结构面滑移剪切滑移面剪切滑移面节理面节理面剪切滑移面次生构造断裂层状岩体剪切滑移面次生构造断裂层状岩体节理面节理面剪应力增加结构面错动穿切层间岩石碎裂松动带 隧道隧道开挖扰动引起开挖扰动引起应力应力重重分布导致分布导致岩体结构面滑力大于结构面岩体结构面滑力大于结构面抗剪强度，从而诱发的结构面变形。抗剪强度，从而诱发的结构面变形。一、软岩隧道大变形成因一、软岩隧道大变形成因及及分类分类 挤压大变形挤压大变形 流变大变

7、形流变大变形一、软岩隧道大变形成因一、软岩隧道大变形成因及及分类分类l 塑性流变塑性流变岩体损伤应力调整岩体蠕变阶段变化OA阶段阶段BC阶段阶段 塑性塑性流变是在流变是在高地应力的作用下，岩石抗压强度相对不足导致的岩石发高地应力的作用下，岩石抗压强度相对不足导致的岩石发生随时生随时间的增长产生不可恢复的变形。间的增长产生不可恢复的变形。流变大变形流变大变形l 结构性流变结构性流变结构面剪切滑移岩体流变效应非对称变形在在节理化岩体的既有结构面（层面、节理、裂隙等节理化岩体的既有结构面（层面、节理、裂隙等）上发生上发生塑性剪切塑性剪切滑滑移，移，在高应力作用下，围岩发生在高应力作用下，围岩发生结构

8、性流变滑移结构性流变滑移，滑移面受滑移面受既有结构面既有结构面和应力迹线和应力迹线共同控制。共同控制。一、软岩隧道大变形成因一、软岩隧道大变形成因及及分类分类 膨胀大变形膨胀大变形地下水龙泉山一号隧道龙泉山一号隧道断层带膨胀性软岩变形破坏断层带膨胀性软岩变形破坏膨胀性岩石地下水膨胀压力膨胀大变形膨胀性岩石、水和膨胀性岩石、水和应力应力是是岩石岩石膨胀的膨胀的必要条件。必要条件。当当地下水地下水与含有较高膨胀与含有较高膨胀势的围岩直接接触时，很快能形成很高的膨胀性围岩压力势的围岩直接接触时，很快能形成很高的膨胀性围岩压力，并导致围岩产，并导致围岩产生膨胀大变形生膨胀大变形。一、软岩隧道大变形成因

9、一、软岩隧道大变形成因及及分类分类大变形工程实例 鹧鸪山隧道（鹧鸪山隧道（川川藏公路北线）藏公路北线）以以薄层状炭质薄层状炭质千枚岩千枚岩为主，岩石为主，岩石强强度极低，度极低，地应力地应力17.023.0MPa。变形变形持续时间长，变形量达到总量的持续时间长，变形量达到总量的90%需需60120天。天。围岩大变形导致隧道结构在运营近围岩大变形导致隧道结构在运营近10年后出现大量的裂缝年后出现大量的裂缝！大变形工程实例 杜家山隧道（广元杜家山隧道（广元-甘肃高速）甘肃高速）掌 隧道围岩破碎，地下水发育。绢云母千枚岩遇水崩解。隧道最大收敛变形达到90cm。崩解崩解大变形工程实例G-1G-3G-2

10、G-5)G-445454545元器件埋设元器件埋设监测结果监测结果二衬受力显著增加二衬受力显著增加裂纹处钻心取样裂纹处钻心取样二次衬砌产生大量裂纹二次衬砌产生大量裂纹围岩大变形导致围岩大变形导致二次衬砌在隧道运营三年后二次衬砌在隧道运营三年后产生大量裂纹！产生大量裂纹！大变形工程实例 成都成都-兰州铁路茂兰州铁路茂县隧道县隧道 岩石以绢云母千枚岩夹炭质千枚岩为主，层理、节理裂隙极发育。大变形工程实例岩石岩石应力强度比高达应力强度比高达18.23围岩流变效应显著围岩流变效应显著断层断层破碎带发生松弛破碎带发生松弛变形变形收敛曲线收敛曲线岩石流变曲线岩石流变曲线掌子面围岩掌子面围岩大变形工程实例二

11、、软岩隧道大变形施工控制技术二、软岩隧道大变形施工控制技术u 开挖方法的选择与优化开挖方法的选择与优化 岩性相岩性相同同不同不同开挖方法开挖方法变形与受力变形与受力不同不同台阶法：二台阶台阶法：二台阶 三台阶七步三台阶七步中隔墙法：中隔墙法：CDCDCRDCRD法（交叉中隔墙法）法（交叉中隔墙法）侧壁导坑法：单侧侧壁导坑法：单侧双侧壁导坑法双侧壁导坑法其它：导坑超前其它：导坑超前大拱脚台阶大拱脚台阶临时仰拱法临时仰拱法主主流流工工法法l 主流工法二、软岩隧道大变形施工控制技术二、软岩隧道大变形施工控制技术有效有效抑制抑制岩体变形岩体变形改善改善支护结构受力支护结构受力“中隔墙中隔墙”“侧壁导坑

12、侧壁导坑”跨度大跨度大 地表沉降要求高等地表沉降要求高等适宜适宜 均施做临时支护均施做临时支护 工序复杂工序复杂 效率低效率低 成本高成本高台台阶阶法法 灵活性强灵活性强 技术成熟技术成熟 经济合理经济合理 主主流流趋趋势势特点特点 扰动大扰动大 变形相对过大变形相对过大 工序相对简单工序相对简单 支护结构支护结构匹配、及时、辅助匹配、及时、辅助二、软岩隧道大变形施工控制技术二、软岩隧道大变形施工控制技术特点特点u 支护方法的选择与优化支护方法的选择与优化 “强支护”成为当前软岩大变形成为当前软岩大变形隧道的主要隧道的主要支护支护手段手段：它可有效抑制变形，保持岩体自承载能力。及时强及时强支护

13、支护隧道开挖后隧道开挖后及早施做二衬及早施做二衬加大支护结构刚度加大支护结构刚度加厚喷射砼加厚喷射砼、加密高强、加密高强拱架、锚杆拱架、锚杆等等二、软岩隧道大变形施工控制技术二、软岩隧道大变形施工控制技术 强强支护特点支护特点：刚度大、延展性差、抗震性能低刚度大、延展性差、抗震性能低 易产生如喷砼开裂、剥落、锚杆（索）拉断、钢拱架易产生如喷砼开裂、剥落、锚杆（索）拉断、钢拱架扭曲等破坏扭曲等破坏 特殊情况下，若采用强支护特殊情况下，若采用强支护难以有效控制围岩大变形，难以有效控制围岩大变形，可采用可采用分层初期支护分层初期支护、让压支护等新型结构、让压支护等新型结构形式！形式！二、软岩隧道大变

14、形施工控制技术二、软岩隧道大变形施工控制技术收敛约束曲线 分层初期支护分多层施设后，在刚度、厚度相同条件下，作用在结构上的荷载将变小，Pa2 Pa1；初期支护安全系数得以提高。单层初期支护分层初期支护二、软岩隧道大变形施工控制技术二、软岩隧道大变形施工控制技术利用泡沫混凝土作为预留变形层混凝土预切槽横阻大变形锚杆二、软岩隧道大变形施工控制技术二、软岩隧道大变形施工控制技术U型可缩式钢架格栅混凝土核心筒二、软岩隧道大变形施工控制技术二、软岩隧道大变形施工控制技术13摩阻接口301可缩段缩动后钢架缩入到摩阻接口的部分钢架 针对针对层状岩体大层状岩体大变形的非对称变形的非对称，则采用则采用局部强化技

15、术、局部强化技术、支护耦合技术、定位弧线超挖支护耦合技术、定位弧线超挖技术技术进行治理：进行治理：。二、软岩隧道大变形施工控制技术二、软岩隧道大变形施工控制技术1112341098713II1412(地下水发育区)(地下水较发育区)(地下水弱发育区)(地下水较发育区)重点注浆区定位弧线超挖锚杆加密区环向锚杆(层状软岩)长锚杆环向锚杆定位弧线超挖Local reinforcementCombinative supportingOriented arc over excavation 通过通过局部强化局部强化技术进行弱区域强化技术进行弱区域强化支护支护通过通过定位超挖定位超挖技术释放变形技术释放变

16、形能能通过通过支护耦合支护耦合技术使整体支护技术使整体支护协调协调三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 宗思隧道全长2205m，其中级围岩955米，级围岩1250米。隧道最大埋深190m，隧道围岩的单轴饱和极限抗压强度RcRc5MPa5MPa，属极软质岩石极软质岩石，具有塑性蠕变特性。施工中，隧道发生大变形初期支护侵限，致隧道大范围换拱，换拱长度达换拱长度达282.8m282.8m，占，占总施工长度总施工长度452.7m452.7m的的62.562.5%。丽江丽江-香格里拉铁路宗思隧道香格里拉铁路宗思隧道洞洞身身附附近近岩岩芯芯炭炭质页岩质页岩，结构，结构松散，稳定

17、性松散，稳定性极差极差三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制掌子面岩体在完成初支喷护后自然溜坍 边墙岩体在立完钢架未喷浆前自然溜坍换拱时打开孔洞（0.5米宽2米高）时岩体自然溜坍三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制掌子面溜坍掌子面溜坍 边墙溜坍边墙溜坍 打开孔洞时溜坍打开孔洞时溜坍初支开裂初支开裂侵限侵限横撑弯曲横撑弯曲三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 地应力反分析地应力反分析 反演反演回归回归中选取自重中选取自重、东、东西及南北向挤压西及南北向挤压构造、水平面构造、水平面内、竖直面内的内、竖直面内的剪切构造

18、剪切构造。6666121211111111111666222221111116621111()()()mmmmnjkjkjkjkjkjkjkkjkjkjkjmmmnjkjkjkjkjkkjkjkjnmmnnjkjkjkkjkjbbb 对称最小二乘法多元回归最小二乘法多元回归三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 地应力分布特征地应力分布特征02468101232003250330033503400345035000200400600800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200应力值（MPa）高程（m）山体轮廓线水平应力分量竖向应力分量隧

19、道轴线初始应力场分布隧道轴线初始应力场分布地应力场随着埋深的增地应力场随着埋深的增加而逐渐加大加而逐渐加大；竖向应力分量占绝对主导地竖向应力分量占绝对主导地位，其量值大于以构造应力为主的位，其量值大于以构造应力为主的水平应力水平应力分量。分量。12345=1.793+21.099+4.907 +32.534+38.645+116.424自重构构构构构 测点位置地应力参数最大主应力1中间主应力2最小主应力3DK125+300量值/MPa2.231.261.06方向/178.7847.80-49.72DK126+059量值/MPa6.233.492.74方向/62.04-69.88174.53DK

20、126+490量值/MPa3.681.351.16方向/213.4718.56121.36三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 宗思隧道出口DK126+777下台阶、DK126+774断面分别进行围岩松动圈及原位强度测试，测试结果为：松动圈厚度在松动圈厚度在5.0-5.7m5.0-5.7m，测点原位强度内聚力，测点原位强度内聚力220kPa220kPa左右左右,摩擦角摩擦角1515左右左右。松动松动圈及原位强度测试圈及原位强度测试三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 宗思隧道软弱炭质页岩大变形机制宗思隧道软弱炭质页岩大变形机制大变形的影响

21、因素大变形的影响因素1 1）岩）岩性性岩岩性软弱破碎、节理发育、承载能力差。性软弱破碎、节理发育、承载能力差。2 2）地下水）地下水因素因素水的软化和润滑水的软化和润滑作用，降低围岩的承载能力。作用，降低围岩的承载能力。3 3）施工）施工方法方法不同施工方法对围岩的扰动范围、次数、程度都不一致。不同施工方法对围岩的扰动范围、次数、程度都不一致。4 4）软弱）软弱夹层夹层进一步弱化围岩的承载能力。进一步弱化围岩的承载能力。大变形机理大变形机理1 1）软岩）软岩的塑性剪切滑移变形的塑性剪切滑移变形2 2）岩层的弯曲变形）岩层的弯曲变形3 3）软弱夹层的软化作用形）软弱夹层的软化作用形；炭炭质页岩软

22、弱破碎、强度低是大变形的内在质页岩软弱破碎、强度低是大变形的内在因素；因素；地下水地下水与软弱夹层等环境因素加剧了大变形的与软弱夹层等环境因素加剧了大变形的发展；发展；施工施工扰动则影响着围岩变形发生的概率与程度。扰动则影响着围岩变形发生的概率与程度。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 大变形分级研究现状大变形分级研究现状在在各种大变形分级中，很多方案都采用了各种大变形分级中，很多方案都采用了相对变形相对变形指标指标和和强度强度应力比应力比指标指标。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 大变形分级标准的确定大变形分级标准的确定 根据大变

23、形特征及其成因，参考国内外多个地下工程大变形的资料，提出宗思隧道围岩的大变形分级方案。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制软岩隧道支护体系及开挖方法计算模型全图计算模型全图锚杆和喷射混凝土锚杆和喷射混凝土为了研究软岩隧道的支护体系及开挖方法，考虑如下工况：为了研究软岩隧道的支护体系及开挖方法，考虑如下工况：三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制v 大变形隧道应尽量采用刚度大的钢拱架，在条件允许情况下，采用I25b及其以上型号工字钢；同时应尽量减小钢拱架间距，推荐钢拱架间距为0.

24、6m。v 隧道拱部锚杆处于受压状态，不能有效发挥作用，锚杆长度的增加可以减小隧道收敛变形量。建议取消隧道拱部的锚杆，仅在隧道边墙布置8m长锚杆。v 随着超前加固长度的增加，超前加固长度的增加，对控制拱顶沉降和上台阶水平位移作用较好，但对中台阶水平位移几乎不起作用，超前加固6m与超前加固3m的支护效果几乎一致。因此，施工中推荐采用3m的超前加固距离。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制v隧道施工安全控制标准及其预留变形量 宗思隧道施工安全控制标准宗思隧道施工安全控制标准允许极限位移控制基准允许极限位移控制

25、基准隧道变形的监控量测数据可以通过如下公式进行回隧道变形的监控量测数据可以通过如下公式进行回归分析：归分析：1 1）隧道进口工区）隧道进口工区V V级级弱风化围岩弱风化围岩段段回归分析得到隧道进口工区回归分析得到隧道进口工区V级弱风化围岩段拱顶沉降位移约级弱风化围岩段拱顶沉降位移约为为122219mm，水平收敛位移约为，水平收敛位移约为186283mm。2 2）隧道进口工区隧道进口工区V V级强风化级强风化围岩围岩段段回归分析得到隧道进口工区回归分析得到隧道进口工区V级强风化级强风化围岩段拱顶沉降位移约围岩段拱顶沉降位移约为为561653mm，水平收敛位移约，水平收敛位移约为为726761mm

26、。3 3）隧道出口）隧道出口工区工区V V级级弱风化围岩弱风化围岩段段回归分析得到回归分析得到隧道出口隧道出口工区工区V级弱风化围岩段拱顶沉降位移约级弱风化围岩段拱顶沉降位移约为为93193mm，水平收敛位移约为，水平收敛位移约为150237mm。4 4）隧道出口）隧道出口工区工区V V级强风化级强风化围岩围岩段段回归分析得到隧道进口工区回归分析得到隧道进口工区V级弱风化围岩段拱顶沉降位移约级弱风化围岩段拱顶沉降位移约为为449728mm，水平收敛位移约，水平收敛位移约为为606966mm。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 宗思隧道施工安全控制标准宗思隧道施工安

27、全控制标准允许极限位移控制基准允许极限位移控制基准借鉴借鉴公路隧道施工技术细则公路隧道施工技术细则(JTGT F60-2009)(JTGT F60-2009)中规定中规定的位移管理等级的位移管理等级三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 宗思隧道施工安全控制标准宗思隧道施工安全控制标准允许位移速率控制允许位移速率控制基准基准在变形阶段在变形阶段I I，曲线呈下弯状，曲线呈下弯状，位移速率位移速率减小减小，围岩，围岩发生松弛，但仍然处于连续介质状发生松弛，但仍然处于连续介质状态，隧道变形量态，隧道变形量趋于趋于收敛收敛；在在变形阶段变形阶段IIII，曲线近似呈直线状，曲

28、线近似呈直线状，位移位移速率保持不变速率保持不变，围岩处于临界状态，围岩特此围岩处于临界状态，围岩特此处于连续介质和离散介质之间的过渡状态，隧处于连续介质和离散介质之间的过渡状态，隧道变形量稳定增加，道变形量稳定增加，难于收敛难于收敛；在在变形阶段变形阶段IIIIII，曲线呈上扬状，曲线呈上扬状，位移位移速速率增大率增大，围岩，围岩处于离散状态，隧道变形量迅速处于离散状态，隧道变形量迅速增加，支护结构必然发生增加，支护结构必然发生破坏破坏。前前40天天位移曲线呈位移曲线呈下弯状，位移变形速率显著降低下弯状，位移变形速率显著降低。40天以天以后位移曲线近似呈直线上升，达到隧道变形的临界状态，位移

29、速后位移曲线近似呈直线上升，达到隧道变形的临界状态，位移速率主要分布于率主要分布于4.08.0mm/d。位移位移曲线在曲线在35天天以后近似以后近似呈直线上升，隧道变形处于呈直线上升，隧道变形处于临临界状态，位移界状态，位移速率逐渐下降，逐渐靠近接近速率逐渐下降，逐渐靠近接近4.08.0mm/d。累计位移曲线呈下弯状，隧道变形处于松弛阶段且最终趋于稳累计位移曲线呈下弯状，隧道变形处于松弛阶段且最终趋于稳定，位移速率近似呈直线下降，定，位移速率近似呈直线下降，40天后都降低到天后都降低到4.0mm/d以下。以下。拱顶及上台阶的累计位移曲线呈下弯状，收敛变形最终趋于稳定拱顶及上台阶的累计位移曲线呈

30、下弯状，收敛变形最终趋于稳定，位移速率近似呈直线下降，位移速率近似呈直线下降，35天后都降低到天后都降低到4.0mm/d以下。中台阶以下。中台阶的累计位移曲线在的累计位移曲线在30天后近似呈直线，处于临界状态，位移速率分天后近似呈直线，处于临界状态，位移速率分布在布在4.08.0mm/d之间。之间。拱顶、上台阶及中台阶的累计位移曲线均近似呈直线状，拱顶、上台阶及中台阶的累计位移曲线均近似呈直线状，变形难于收敛，对应的位移速率几乎都大于变形难于收敛，对应的位移速率几乎都大于8.0mm/d，需要采，需要采取措施才能保证变形收敛。取措施才能保证变形收敛。DK125+370断面、断面、DK125+45

31、0断面、断面、DK126+300断面、断面、DK126+350断面、断面、DK126+600断面及断面及DK126+650断面断面的拱顶的拱顶、上台阶及中台阶的累计位移曲线均呈下弯状，收敛变形最终都趋上台阶及中台阶的累计位移曲线均呈下弯状，收敛变形最终都趋于稳定于稳定，位移，位移速率在速率在20天后都降低到天后都降低到4.0mm/d以下并趋于零以下并趋于零。DK126+715断面、断面、DK126+790断面断面的累计的累计位位移移曲线，曲线，监测监测40天后的近天后的近似呈直线，其位移速率均似呈直线，其位移速率均分布在分布在4.0mm/d左右，隧左右，隧道变形难于收敛。道变形难于收敛。通过上

32、面的分析，针对宗思隧道炭质页岩提出变形速率控制基准通过上面的分析，针对宗思隧道炭质页岩提出变形速率控制基准三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 隧道隧道合理预留变形量确定合理预留变形量确定预留变形量的大小可根据围岩级别、断面大小、埋置深度、施预留变形量的大小可根据围岩级别、断面大小、埋置深度、施工工方法方法、支护支护情况情况等等决定决定，采用工程类比预测，当无预测值时可参采用工程类比预测，当无预测值时可参照照铁路隧道设计规范铁路隧道设计规范TB10003-2016中推荐的预留变形量中推荐的预留变形量选用选用。根据宗思隧道自身的特点，考虑隧道位移监测前的逸失位根据宗思

33、隧道自身的特点，考虑隧道位移监测前的逸失位移，移，结合前述结合前述分析结果分析结果以及允许以及允许位移控制基准，针对宗思隧道位移控制基准，针对宗思隧道提出相应的合理提出相应的合理预留变形量。预留变形量。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 二衬合理的施工时机二衬合理的施工时机考虑围岩流变荷载时考虑围岩流变荷载时，初支表面的，初支表面的位移可用如下公式计算位移可用如下公式计算现场监测的隧道拱顶沉降、净空收敛与时间的回归关系可现场监测的隧道拱顶沉降、净空收敛与时间的回归关系可以有多种表达式，其中，回归表达式以有多种表达式，其中，回归表达式 与上面的公式与上面的公式有有相

34、似的形式。对比这相似的形式。对比这2个关系式，可以推导得到计算围岩流个关系式，可以推导得到计算围岩流变参数变参数 的的表达式：表达式：tuABe1 1）进口工区）进口工区V V级级弱风化围岩段弱风化围岩段对监控量测数据进行对监控量测数据进行包络包络回归分析，回归分析，外包络线为监控量外包络线为监控量测位移测位移的最大值的最大值，内包络线为监控量，内包络线为监控量测位移测位移的最小值。对外包络线拟合的最小值。对外包络线拟合得到位移得到位移的上限，对的上限，对内包络线拟合内包络线拟合得到位移得到位移的下限。的下限。结合软岩隧道应该及时构筑二次衬砌以分担围岩压力并控结合软岩隧道应该及时构筑二次衬砌以

35、分担围岩压力并控制隧道变形的原则，根据规范隧道二衬的合理支护时机取为隧制隧道变形的原则，根据规范隧道二衬的合理支护时机取为隧道的变形值达到道的变形值达到80%(V级围岩级围岩)最终变形量时所对应的时间。最终变形量时所对应的时间。2 2）进口工区进口工区V V级强风化级强风化围岩段围岩段3 3）出口）出口工区工区V V级级弱风化围岩段弱风化围岩段4 4）出口）出口工区工区V V级强风化级强风化围岩段围岩段三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制最初支护方案最初支护方案V级级围岩围岩复合复合式衬砌初期支护参数表式衬砌初期支护参数表 宗思隧道进、出口工区初期支护变形较大地段地

36、层岩性以页岩夹砂岩（进口工区）、炭质页岩（出口工区）为主，设计采用V V级级围岩围岩复合复合式式衬砌衬砌。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制支护方案第一次调整支护方案第一次调整I18工字钢架间距:0.8m 0.5m预留变形量：0 20cm锚杆长度：3.0m 拱部4.5m/墙身3.0m 衬砌厚度:40cm 拱顶45cm/边墙48cm进口：三台阶法三台阶法出口：三三台阶预留核心台阶预留核心土法土法。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 进口（三台阶施工工法）出口（三台阶预留核心土施工法）三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理

37、与施工控制原断面V级加强断面较较原设计对控制变形有更好的效果，三台阶预留核心土比三台阶工原设计对控制变形有更好的效果，三台阶预留核心土比三台阶工法更能法更能控制初控制初支变形，但不能对变形起到根本性控制作用。支变形，但不能对变形起到根本性控制作用。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制调整调整横断面形状横断面形状+台阶台阶临时仰拱临时仰拱进一步调整了边墙进一步调整了边墙曲率曲率增大预留变形量：增大预留变形量：拱拱腰中部腰中部位置位置55cm/55cm/其余部位其余部位40cm40cm增大增大锚杆长度锚杆长度:6.5:6.5米米进口进口：三台阶三台阶+临时仰拱临时仰拱出

38、口：出口：三台阶三台阶+临时仰拱临时仰拱支护方案支护方案第二次第二次调整调整三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 通过锚杆经通过锚杆经拉拔试验，在拉拔试验，在9090140kN140kN之间之间锚杆就失效锚杆就失效，无法继续，无法继续加载（要求加载（要求180kN180kN）；在二衬施作时，初期支护仍有）；在二衬施作时，初期支护仍有1 15mm/d5mm/d的变形的变形速率速率，存在，存在二衬开裂的风险二衬开裂的风险，还，还需要进一需要进一调整参数调整参数。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制再次再次调整调整横断面形状横断面形状+长长锚杆

39、锚杆进一步调整了边墙进一步调整了边墙曲率曲率预留变形量预留变形量：拱腰中部位置拱腰中部位置55cm/55cm/其余部位其余部位40cm 40cm 拱腰拱腰中部中部位置位置60cm60cm/其余部位其余部位40cm40cm锚杆长度锚杆长度:6.5 6.5米米 8.08.0米米进口进口：三台阶三台阶法法出口：三台阶法出口：三台阶法支护方案第三次调整支护方案第三次调整三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制三三台阶台阶+长长锚杆在锚杆在未未出现特殊地质出现特殊地质（渗水、突泥）的情况下能有效（渗水、突泥）的情况下能有效地减小初支变形，较临时仰拱地减小初支变形，较临时仰拱法法可

40、可提高提高施工进度施工进度。通过通过锚杆经拉拔试验锚杆经拉拔试验，锚杆轴力锚杆轴力在在180kN180kN以上，与二衬共同受以上，与二衬共同受力力，可可减小减小二衬开裂的风险。二衬开裂的风险。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 软岩隧道支护体系研究软岩隧道支护体系研究-施工控制技术施工控制技术1 1）钢架施工）钢架施工钢拱架预变措施对钢拱架分节段方案进行调整，分为对钢拱架分节段方案进行调整，分为A A、B B、C C、D D、E E和和F F单元，依照变形后单元，依照变形后的的A A单元和单元和B B单元相对位置来加工单元相对位置来加工C C单元，单元，B B单元

41、钢架包括弧形的钢架本体和钢架单元钢架包括弧形的钢架本体和钢架连接板，钢架本体的端部斜向切割有斜连接板，钢架本体的端部斜向切割有斜口。口。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 软岩隧道支护体系研究软岩隧道支护体系研究-施工控制技术施工控制技术1 1）钢架施工）钢架施工钢架间增设“X”型纵梁利用利用“X”X”型工字钢进行型工字钢进行钢拱架加固，使连接比普通纵向连接更钢拱架加固，使连接比普通纵向连接更加牢固，整体受力更强，支撑效果有极为明显的加牢固，整体受力更强，支撑效果有极为明显的提升。提升。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制锁脚小导管双层

42、定位环这种锁脚小导管双层定位环，制作简单方便这种锁脚小导管双层定位环，制作简单方便，可实现锁脚小，可实现锁脚小导管的准确定位，加强小导管与钢拱架的连接效果。导管的准确定位，加强小导管与钢拱架的连接效果。软岩隧道支护体系研究软岩隧道支护体系研究-施工控制技术施工控制技术2 2）锁脚导管施工）锁脚导管施工三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 1.调整锚杆长度、优化锚杆型式调整锚杆长度、优化锚杆型式 根据现场锚杆拉拔试验及松动圈测试结果，调整锚杆长度至松根据现场锚杆拉拔试验及松动圈测试结果，调整锚杆长度至松动圈以外，通过长锚杆抑制围岩变形动圈以外，通过长锚杆抑制围岩变形,

43、前期将长锚杆调整为前期将长锚杆调整为6.56.5米，米，因现场拉拔试因现场拉拔试90%90%在在140kN140kN以下，锚杆即失效，目前边墙锚杆长度已以下，锚杆即失效，目前边墙锚杆长度已调整为调整为8.08.0米施工，抗拔力均在米施工，抗拔力均在180kN180kN以上。以上。为进一步提高锚杆的作用，采用为进一步提高锚杆的作用，采用硫铝酸盐硫铝酸盐水泥浆作为锚杆灌浆水泥浆作为锚杆灌浆材料，提高早期强度材料，提高早期强度,并重点控制锚杆的灌浆质量并重点控制锚杆的灌浆质量。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 2.优化断面、适当调整预留变形量大小及其位置优化断面、适当

44、调整预留变形量大小及其位置 现场实施过程中，按实际变形规律优化调整预留变形量，预留变现场实施过程中，按实际变形规律优化调整预留变形量，预留变形量宁大勿小，优先解决超限换拱问题，待稳步提高施工进度后再动形量宁大勿小，优先解决超限换拱问题，待稳步提高施工进度后再动态优化调整预留变形量态优化调整预留变形量。下一步下一步边墙曲率边墙曲率将将进一步进一步加大加大，二次衬砌调整为二次衬砌调整为等厚等厚形式形式。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 3.加强锁脚锚管及钢架联接质量增强支护刚度加强锁脚锚管及钢架联接质量增强支护刚度 每每钢架节头位置采用钢架节头位置采用4242钢管作

45、锁脚锚管，单根长度钢管作锁脚锚管，单根长度4.0m4.0m，每，每节节头处设置头处设置2 2根，钢架设置定位环（孔）、纵向设工字钢加强联接。根，钢架设置定位环（孔）、纵向设工字钢加强联接。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 4.上台阶设临时斜撑控制拱顶沉降上台阶设临时斜撑控制拱顶沉降中台阶设置有临时仰拱，抑制收敛效果好，由于在中台阶加临时中台阶设置有临时仰拱，抑制收敛效果好，由于在中台阶加临时仰拱之前，上台阶围岩已经发生部分变形，加之上台阶初支喷砼重仰拱之前，上台阶围岩已经发生部分变形，加之上台阶初支喷砼重约约1010吨，导致竖向承载较大，故喷砼前，于上台阶增设吨

46、，导致竖向承载较大，故喷砼前，于上台阶增设2 2组组4 4根圆木根圆木斜撑进行辅助加固，圆木上端与钢架顶紧，斜撑进行辅助加固，圆木上端与钢架顶紧，通过实践总结，对控制通过实践总结，对控制拱顶沉降有一定的作用拱顶沉降有一定的作用。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制 5.拱脚扩大基础采用垫钢板和塞木板方式拱脚扩大基础采用垫钢板和塞木板方式 钢钢架拱脚设计架拱脚设计垫垫28a28a型型槽钢槽钢，提高拱脚承受面，但施工过程中，提高拱脚承受面，但施工过程中，由于前后钢架的变形速率不一致，而且拱脚与槽口无法完全密，由于前后钢架的变形速率不一致，而且拱脚与槽口无法完全密贴，存在安装误差，现场调整采用厚贴，存在安装误差，现场调整采用厚2cm2cm钢板代替垫槽钢作为拱脚钢板代替垫槽钢作为拱脚扩大基础，在钢板上垫设木板，钢板扩大基础，在钢板上垫设木板，钢板增加受力面刚度，木板增加增加受力面刚度，木板增加拱脚水平摩擦力拱脚水平摩擦力。三、三、单线隧道大变形机理与施工控制单线隧道大变形机理与施工控制