乌鞘岭隧道软岩大变形防治技术问题探讨2005323111356983

12 乌鞘岭隧道软岩大变形防治技术问题探讨铁道第二勘察设计院卿三惠黄润秋

摘要我国正在修建中国隧道之冠的乌鞘岭特长铁路隧道全长20050m，隧道中部通过祁连山断褶带内F4～F7断层“挤压构造带”长约8000m的岭脊地段，在深埋高地应力的作用下，施工中于F7活动断层泥砾带及千枚岩夹板岩等软岩地段发生了严重的围岩大变形，最大变形量达1000mm以上，致使强大的初期支护遭受破坏并严重侵入隧道衬砌净空，不得不将初期支护全部或部分折除重做。文章分析了隧道围岩发生大变形原因，指出了隧道设计与施工中存在的问题，探讨了隧道大变形防治技术措施，并对乌鞘岭隧道的建设提出了建议，供有关部门决策及工程技术人员参考。

关键词深埋隧道高地应力软岩变形防治措施建议

1 前言[1]～[3]

我国正在修建的乌鞘岭特长铁路隧道全长20050m，位于改建铁路兰（州）新（疆）线打柴沟车站和龙沟车站之间，隧道洞身最大埋深1100m。设计为左、右两个单线隧道，线间距40m。由于工期紧迫，设计采取“长隧短打”措施，增设了13个斜井、一个竖井共14个辅助坑道，均采用复合衬砌，钻爆法施工。该隧道地处祁连山断褶带高地应力区，其中部通过长约8000m的岭脊地段，是一个由主体走向为北北西向展布的F4～F7四条区域性压性大断层构成的“挤压构造带”。在此带中分布的地层为奥陶系安山岩、志留系千枚岩夹板岩、三叠系砂岩夹页岩及薄层煤、加里东期侵入闪长岩及各断层带中的构造碎裂岩、泥砾岩等，工程地质条件复杂（见图1）。在深埋（450～1100m）高地应力（15～33MPa）作用下，围岩压力大，特别是隧道通过F7活动断层泥砾带及千枚岩夹板岩等软弱围岩地段发生了严重的大变形，最大变形量达1000mm以上（见表1），致使初期支护破坏并严重侵入隧道衬砌净空，不得不将初期支护全部或部分拆除重做，工程进度严重受阻。因此，分析隧道围岩大变形原因，探讨研究隧道大变形防治技术，对隧道设计与施工具有重要意义。

2 乌鞘岭隧道工程地质纵图1 乌鞘岭隧道工程地质断面示意图

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乌鞘岭隧道软弱围岩变形观测资料 表1

2 隧道软岩大变形原因分析 2.1 地应力场对隧道变形的影响

根据中国地震局地壳应力研究所《乌鞘岭特长隧道水压致裂地应力测量报告》[4]资料统计分析，在隧道标高（2550～2600m ）附近最大水平主应力σH 达32.84MPa ，一般为15～25MPa 。按照GB/50218-94《工程岩体分类标准》[5]判据（R c /σH ＜4 时为极高地应力；4＜R c /σH ＜7时为高地应力；7＜Rc/σH 时为低地应力﹚，根据统计分析结果判定隧道处于高地应力区。地应力场最大水平主应力S H 的方向（N220E ）与隧道洞轴线方向（N170W ）的夹角为390，致使作用在隧道侧壁上的压应力比二者平行时增大了1/3。因此，乌鞘岭隧道通过易变形的千枚岩夹板岩、F7断层泥砾等软弱围岩地段，隧道侧壁压应力较大，致使隧道发生了严重的挤压性变形破坏。

2.2 围岩强度对隧道变形的影响

乌鞘岭隧道中部穿过长约8000m 的岭脊地段（埋深450～1100m ），是由F4～F7四条区域性压性大断层构成的“挤压构造带”，在此带中分布的地层有奥陶系安山岩、三叠系砂岩夹页岩、志留系千枚岩夹板岩、加里东期闪长岩及各断层带中的构造碎裂岩、泥砾岩等。各种岩石的抗压强度差异较大，开挖后围岩的变形程度也明显不同。根据岩石（岩体）变形破坏理论[6]，当围岩压力超过某种岩石（岩体）的极限抗压强度时，岩石（岩体）将发生变形破坏。由于千枚岩及F7断层带受构造影响严重，节理裂隙发育，岩体破碎呈散体状结构，其抗压强度（2.5～3 MPa ）远低于三叠系砂岩、粉砂岩、奥陶系安山岩、闪长岩的抗压强度（80～170

MPa ），属软弱围岩，施工开挖后围岩易松

弛而发生塑性变形。由此可知，软弱围岩是乌鞘岭隧道发生大变形的主要物质因素。

2.3 围岩加固措施对隧道变形的影响 隧道发生大变形后，采用地震折射层分析法对隧道通过的F4、F7断层带及千枚岩夹板岩地段进行围岩松动圈（塑性变形区，下同）的测试资料[2]表明，千枚岩夹板岩地段的围岩松动圈厚度最大值为

3.1m ；F4断层带围岩松动圈厚度最大值为

4.5m ；F7断层带围岩松动圈厚度最大范围值为 4.8～7.9m 。而从隧道修改预设计加固Ⅴ、Ⅵ级围岩的拱墙锚杆长度分别只有3m 、4m 长的情况分析可判断，该隧道设计通过Ⅴ～Ⅵ级软弱围岩地段的加固力度不足，拱墙锚杆的长度偏短，大部分锚杆未打入松动圈外稳定岩层中形成围岩加固圈，对控制围岩的松弛变形范围不利。同时，设计预留变形量8～10cm 也显偏小。尽管Ⅴ、Ⅵ级围岩地段设置工20拱墙刚架间距达1榀/m ～3榀/2m ，也不足以抵抗巨大的围岩压力，因而使位于高地应力区的F7断层泥砾带及千枚岩夹板岩地段（属Ⅴ～Ⅵ级围岩）的初期支护发生大变形而严重侵入了隧道衬砌净空。

2.4 施工方法对隧道变形的影响

隧道围岩变形量的大小除与客观地质条件及控制变形的初期支护措施有关外，也与施工手段有关。该隧道施工期间，由于工期紧迫，施工急于赶工作业，盲目追求施工开挖进度，对软弱围岩的特性认识不足，预防软岩变形措施力度不够，锚喷支护体系不配套或未及时施作到位，变形监测不规范或不及时，衬砌滞后掌子面距离太远等施工行为，对F7断层带及千枚岩夹板岩地段围岩

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的大变形有直接影响。

综上所述，深埋高地应力及软弱围岩是隧道产生大变形的内因，初期支护力度不足及施工方法不当等因素是外因，二者共同作用产生了隧道围岩大变形。

3 隧道变形与初期支护变形破坏规律 （1）F7断层带以断层泥砾岩为主，已开挖500 m 多段未见地下水，有一定的自稳能力。根据有关变形观测资料[7][8]，从力学性质上分析，F7断层带的围岩大变形表现为深埋高地应力条件下的挤压-松弛型变形，即深埋、挤入、松弛产生了大变形，变形量较大，变形速率初期小，随着时间的推移而逐渐增大，而后又变小再趋于稳定。千枚岩夹板岩地段有囊状、窝状地下水，围岩大变形表现为深埋高地应力条件下的松弛-挤压型变形，即深埋、松弛、挤入产生了变形，变形量比F7断层带的变形量小；变形速率初期大，随着时间的推移而逐渐减小，而后趋于稳定。

（2）F7断层带与千枚岩夹板岩地段，隧道侧壁水平收敛量一般大于拱顶下沉量，说明隧道区总体上以水平地应力为主，且水平地应力大于垂直地应力。

（3）现场监测9号斜井工区正洞千枚岩夹板岩地段隧道初期支护体系（锚、网、喷、钢拱架）变形破坏规律表明：当变形量达150～250mm 时，拱部喷射混凝土开始出现微裂纹；当变形量达250～350mm 时，拱部喷射混凝土开始出现龟裂；当变形量达350～450mm 时，拱部喷射混凝土开始出现局部掉快；当变形量达450～600mm 时，工字钢架开始变形，继续发展将发生坍方。

4 乌鞘岭隧道设计与施工有关问题的思考

4.1 软弱破碎围岩物理力学参数取值问题

乌鞘岭隧道经过F7活动大断裂及千枚岩夹板岩地段，属挤压性围岩大变形段。因岩质软弱破碎，现场取样和室内制样都十分困难，目前取得物理力学参数资料甚少，对

隧道结构检算缺乏可靠的地质参数，仅取经

验值计算存在一定安全风险。

4.2 软弱破碎围岩地应力问题

目前乌鞘岭隧道围岩地应力测试仅见8号斜井内志留系板岩为主的一处水压致裂法测试资料，其它5处地应力均是在三叠系、白垩系砂岩为主的地层中测试的，而发生大变形的F7活动断层泥砾带及千枚岩地层中却无地应力测试资料。原因是现今国际上通用的地应力测试方法（如水压致裂法、应力解除法、应力恢复法、声发射法等）都要求岩石有较好的完整性，在软弱破碎围岩中测试地应力十分困难。因此，如何考虑F7活动断层泥砾带、千枚岩等软弱岩层中的地应力问题值得探索研究。

4.3 地应力与衬砌结构相互作用问题 复杂地应力与支护衬砌结构相互作用荷载计算，是乌鞘岭隧道目前遇到的关键技术难题。由于复杂地应力与支护衬砌结构相互作用机理，目前国内外研究甚少，还未找到合适的荷载计算方法。为此，建设单位邀请有关专家多次论证后，决定通过开展软弱破碎围岩物理力学参数的原位测试及工程试验段支护衬砌结构应力应变的测试，反演分析计算支护参数及衬砌结构强度，评价隧道结构的安全性，目前正在进行测试研究工作。在预设计本隧道结构计算分析中，按现行《隧道设计规范》规定考虑地应力影响，将Ⅳ～Ⅴ级围岩降为Ⅴ～Ⅵ级围岩计算，而未考虑高应力比条件下的侧压力系数λ等因素的影响，有待进一步研究。

4.4 围岩加固问题

如前分析，该隧道修改预设计对Ⅴ、Ⅵ级围岩的加固力度不足，拱墙锚杆的长度偏短（分别只有3m 、4m ），大部分锚杆未打入松动圈外稳定岩层中形成围岩加固圈，对控制围岩的松弛变形范围不利。因此，应将加固围岩作为主动控制变形的主要手段，适当加大拱墙锚杆长度，控制软弱围岩松弛变形范围，减少作用于被动控制变形的初期支

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护及衬砌结构上的荷载，以节省工程投资。

4.5 预留变形量与衬砌结构安全问题 目前为赶工期节省施工时间，对Ⅴ、Ⅵ级围岩地段，变更设计预留变形量10～25cm 仍然偏小，不足以释放深埋高地应力条件下的围岩挤入变形。施工中采取衬砌紧跟掌子面及时“强支硬顶”措施，对防止围岩大变形或塌方有有利的一面，但衬砌结构早期受力较大，存在衬砌未来开裂风险。如9号斜井工区正洞千枚岩夹板岩地层中局部施作的50cm 厚的钢筋混凝土衬砌发生开裂，F5断层带YDK170+294～+528已发生5处50cm 厚钢筋混凝土衬砌开裂等事实，充分说明了这一点。因此，应适当加大预留变形量，释放地应力。

4.6 衬砌结构断面形式问题

目前设计采用的圆形及椭圆形衬砌断面形式值得商讨。圆形断面虽在理论上受力条件较好，但开挖断面最大，对围岩稳定不利，施工工艺难做，尤其是开挖下半断面时容易发生拱部下沉变形或塌方；椭圆形断面受力条件最好，但高跨比较大，施工工艺也较难做，开挖下半断面时也容易发生拱部下沉及边墙围岩挤入变形；马蹄形与圆形、椭圆形衬砌断面比较，开挖断面最小，对围岩稳定有利，施工工艺简单易做，圬工省，造价少，对节省投资也有利。因此，应实施马蹄形曲墙仰拱衬砌断面工程试验，与已实施的圆形、椭圆形衬砌断面试验进行技术经济比较。

4.7 隧道施工工序问题

截止2004年9月，乌鞘岭隧道进出口段开挖已完成左线、右线各14km ，占隧道

全长70%。但隧道衬砌仅完成14km （其中左线9k ，右线5km ），占隧道全长35%；衬砌滞后掌子面距离太远（左、右线分别滞后5km 、9km ），特别是右线正洞断面较大，存在第三系、白垩系、三叠系等砂泥岩夹页岩地层未衬砌段的初期支护可能发生累进性变形破坏或塌方问题，应加快衬砌施工进度，防止大变形或塌方灾害。

5 软岩隧道大变形防治技术措施探讨 5.1 “以刚克刚”和“以柔克刚”效果的对比

在深埋挤压性软岩中修建隧道一般有两种做法：“以刚克刚”和“以柔克刚”。“以刚克刚”是开挖后立即设置强大的刚性支护，以此抵抗强大的地层挤压力；“以柔克刚”是开挖后先设置柔性支护，允许地层有一定程度变形，以此释放地应力后再设置刚性支护。显然，后者符合新奥法原理。日本惠那山隧道Ι号线及我国家竹箐隧道曾分别采用120cm 、80cm 厚的钢筋混凝土支护，结果都发生了破坏。实践证明在深埋挤压性软岩中修建隧道采取“以刚克刚”效果不如“以柔克刚”。因此，对深埋高地应力条件下的软岩隧道应贯彻“以柔克刚”的设计理念。

5.2 软岩隧道总体设计原则

研究总结并借鉴国内外典型挤压性围岩大变形隧道的成功防治经验[9] （表2），隧道设计应贯彻“加固围岩，控制变形；改善洞型，缩小断面；先柔后刚，先放后抗；变形留够，防侵净空；底部加强，抑制隆起。”四十字方针的总体设计原则。

国内外典型挤压性围岩大变形隧道 表2

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（1）加固围岩，控制变形。深埋高地

应力及软弱围岩是隧道产生大变形的内在原因。地应力自然存在无法改变，但围岩可采取措施加固。国内外软弱围岩典型挤压性变形隧道（奥地利陶恩隧道、阿尔贝格隧道、日本惠那山隧道及我国家竹箐隧道等）的成功处治经验证明，长锚杆是主动控制软弱围岩大变形的主要手段。因此，应特别加强软弱围岩的加固力度，按照“锚杆打入围岩松动圈外稳定岩层中不小于2m ”的原则确定锚杆长度，形成较厚的围岩加固圈，控制围岩松驰变形范围，减少围压对支护衬砌结构的作用力。

（2）改善洞型，缩小断面。马蹄形与圆形、椭圆形衬砌断面相比，开挖断面较小，对围岩稳定有利，施工工艺简单，圬工省，造价少。在保证结构检算安全的前提下，应优先采用马蹄形曲墙仰拱衬砌断面。

（3）先柔后刚，先放后抗。“先柔后刚”是指支护结构，即要求初期支护是柔性的，一般认为钢筋网喷混凝土、可缩钢架及长锚杆是最佳构成（也可用钢纤维代替钢筋网）；而二次支护应是刚性的（模注混凝土），以承受残余的地层荷载。“先放后抗”是指施工组织和施工顺序，即要求初期支护施作完成后允许发生一定程度的变形，达到设计预

留的变形量后再施作二次模注混凝土衬砌。

（4）变形留够，防侵净空。在高地应力条件下的挤压性软弱围岩坑道一般都可能发生大变形，在确定开挖轮廓时必须预留足够的变形量，宁超勿欠，防止变形后的初期支护侵入二次模注混凝土衬砌净空。同时，预留足够的变形量可较大幅度地释放地应力，减少作用在二次衬砌上的荷载，有利于隧道结构安全。

（5）底部加强，抑制隆起。为防止隧底隆起，隧道底部支护的强度应足够，并应及时施作隧底钢筋混凝土仰拱或增设底部锚杆。

6 结论与建议

（1） 深埋高地应力及软弱围岩是隧道产生大变形的主要内因，初期支护力度不足及施工方法不当等因素是外因，二者共同作用导致隧道大变形。

（2） 深埋高地应力条件下的软弱围岩隧道应贯彻“以柔克刚”的设计理念及“加固围岩，控制变形；改善洞型，缩小断面；先柔后刚，先放后抗；变形留够，防侵净空；底部加强，抑制隆起。” 四十字方针的总体设计原则。

（3）长锚杆是加固软岩控制变形的主要手段。因此，应按照“锚杆打入围岩松动圈外

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稳定岩层不小于2m ”的原则确定锚杆长度。建议乌鞘岭隧道经过F7断层带的拱墙系统锚杆长度采用8～10米，千枚岩夹板岩地段的拱墙系统锚杆长度采用4～6米为宜。

（4） 在确定深埋高地应力条件下的软岩隧道开挖轮廓及初期支护时必须预留足够的变形量，以释放地应力，防止初期支护变形过大侵入衬砌净空或过早的衬砌因受力较大发生开裂破坏。根据现场监测9号斜井工区正洞千枚岩夹板岩地段隧道初期支护变形破坏规律，建议乌鞘岭隧道Ⅴ～Ⅵ级围岩地段初期支护预留变形量25～45cm 为宜（尽管拱部喷射混凝土开始出现龟裂或局部掉快现象，支护体系仍有一定的支撑能力），以此释放地应力。当初期支护变形量达到此限值时，应尽快施作二次衬砌，防止变形过大发生塌方。

（5）建议在乌鞘岭隧道F7断层泥砾带及千枚岩夹板岩中已实施圆形、椭圆形衬砌断面工程试验的基础上，增加马蹄形衬砌断面的工程试验，作三者技术经济比较后，选择确定最佳支护衬砌结构参数。在保证结构检算安全的前提下，应优先采用马蹄形曲墙仰拱衬砌断面，有利于围岩稳定和节省投资。

（6）建议对乌鞘岭隧道F7活动断层带及千枚岩夹板岩地段，尽快进行“现场原位测试为主，室内试验为辅”的强度与变形测试研究，确定岩石（或岩体）的重度、抗压强度、变形摸量、泊松比、内摩擦角、粘聚力、弹性抗力系数、侧压力系数等，为隧道结构检算提供可靠的物理力学参数。

（7）建议结合乌鞘岭隧道开展地应力与隧道结构相互作用机理研究，科学评价隧道结构的安全性。鉴于目前国内外对隧道结构分析中如何考虑地应力影响的理论并不成熟，F7断层带及千枚岩夹板岩工程试验段采用的结构计算模式“结构-荷载法”、“位移反分析法”等，均难以考虑复杂地应力对衬砌结构长期累进性作用的影响，对衬砌结构的安全性评价仅得出了“目前（或现阶段）

结构是安全的”结论。

鉴于目前乌鞘岭隧道工期十分紧迫的实际情况，建议采取如下措施：①在考虑地应力影响降低围岩级别的基础上，按实测围岩压力值（其值是地应力与围岩压力的综合反应）进行乌鞘岭隧道衬砌结构检算。②由于地应力的长期累进性作用效应，难以准确地确定其对乌鞘岭隧道的影响程度，故在大变形地段的隧道衬砌宜预留适当的补强净空，特别是F7活动断层挤压带，变形延续时间会更长，更需预留足够的补强净空。若已开挖段难以预留，应采取加强衬砌措施。③设置乌鞘岭隧道衬砌应力应变的长期观测，进一步分析评价隧道运营期间衬砌结构的安全性，发现问题及时补强，确保隧道运营安全。

（8）目前乌鞘岭隧道衬砌滞后掌子面距离太远（左、右线分别滞后5km 、9km ），建议调整施工工序，缩小衬砌滞后开挖掌子面距离，防止未衬砌的软弱围岩地段初期支护发生累进性变形破坏或塌方。

参考资料：

[1]铁道第一勘察设计院.乌鞘岭隧道地质勘察报告.2003.2

[2]铁道第一勘察设计院.乌鞘岭隧道补充地质勘察报告.2004.7

[3]铁道第一勘察设计院.乌鞘岭隧道变更设计文件. 2004.5

[4]中国地震局地壳应力研究所.乌鞘岭特长隧道水压致裂地应力测量报告.2004.6

[6]凌贤长，蔡德所.岩体力学.哈耳滨: 哈耳滨工业大学出版社，2002

[5] GB/50218-94《工程岩体分类标准》.北京:中国建筑工业出版社，1994

[7]石家庄铁道学院.乌鞘岭隧道F7断层变形试验研究阶段成果报告.2004.9

[8]石家庄铁道学院.乌鞘岭隧道9号斜井工区变形试验研究阶段成果报告.2004.8

[9]铁道第二勘察设计院。隧道高应力比煤系地层巷道稳定及支护技术研究报告。1997.3

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