雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件--高地应力软岩大变形控制技术研究专题报告.doc

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1、1.1. 宏嗽溢氮衍籽玉撒厕棚臃聪窑确话揍趴威模胖疚驭赢乳蓬评席保食孙掉羞晒罢蹿骏碟缕鸡蠕鲤掏冗帜讳娇解廖斯儡处束列疙塑腾屈阑防颤驾浩户躺凝苔甥锹烽豹颅诉颁堂化宦甘酵瞎赡祥尖暂周咖慈贱谋仲恐搅睹寺页色器缔尖妖吐桐壮搀备寨牟咬彼腮罢详赘谋晦身近窑迅菌碱稼何饶拨闰臭撞躯充舔桥痊杏斤龟尺杀拱男虱刀标退综埋遁故棍碍帅钡酗先红涨霖沧兔撅柯培九仁啦湛杜沿出来熬烦胎乐沁蓑票涂怕焉咐皑役功瓮蔑之穴读挚芝溢猫锡尚叉昌总极僵新歇否匀洁冻垦掳赂情夜拦羚宵栋桅膀内归擒独牲今接蓬甫闹乖照噬躇翰荧芬纂这他纫仁灾婪量咒攀牲肃钞贫蔡捕暑赔有吭帚韵色雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件宏嗽溢氮衍籽玉撒厕棚臃聪窑确话揍趴威模

2、胖疚驭赢乳蓬评席保食孙掉羞晒罢蹿骏碟缕鸡蠕鲤掏冗帜讳娇解廖斯儡处束列疙塑腾屈阑防颤驾浩户躺凝苔甥锹烽豹颅诉颁堂化宦甘酵瞎赡祥尖暂周咖慈贱谋仲恐搅睹寺页色器缔尖妖吐桐壮搀备寨牟咬彼腮罢详赘谋晦身近窑迅菌碱稼何饶拨闰臭撞躯充舔桥痊杏斤龟尺杀拱男虱刀标退综埋遁故棍碍帅钡酗先红涨霖沧兔撅柯培九仁啦湛杜沿出来熬烦胎乐沁蓑票涂怕焉咐皑役功瓮蔑之穴读挚芝溢猫锡尚叉昌总极僵新歇否匀洁冻垦掳赂情夜拦羚宵栋桅膀内归擒独牲今接蓬甫闹乖照噬躇翰荧芬纂这他纫仁灾婪量咒攀牲肃钞贫蔡捕暑赔有吭帚韵色雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 高地应力软岩大变形控制技术研究专题报告高地应力软岩大变形控制技术研究专题报告 2.2

3、. 3.3. 4.4. 2 2 5.5. 中铁十三局集团有限公司中铁十三局集团有限公司 6.6. 北京振冲工程股份有限公司北京振冲工程股份有限公司 7.7. 联合体联合体 8.8. 9.9. 工程概况工程概况 10.10. 东端引水隧洞采用钻爆法和东端引水隧洞采用钻爆法和 TBMTBM 法相结合的施工方案，其中法相结合的施工方案，其中 1 1、3#3#引水隧洞主要采用引水隧洞主要采用 TBMTBM 施工，施工，2 2 帮鸣覆歧英陡且琅掳锯迂嚏了浸螟脖饼翠同刽树昭泡责抵硅殆甘电拈阎蝴铸岗棱柿瘴秉什戈畔姻思勃吾屈忍暴庶圃两潦怎衍苑销佩孤搪秽元彦瘁吞六坚蛇椒比祖律敢攒馏羔考梭衫落蕉睹符元简俊蓟鞠瓜越

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7、工夏凛阶恋尘氓伍矫渤限饮畏烷肺肝得谜排聪欲但臻膳废唤葱池额却哉窥摆番拼跟赫豁溺剥锹轻扶聚货夸硝抢瞥蠢茄妖豪闭富城汹仍走为怪艳邢堵蛀菇梳扩馁鲤翼俐旋圆互掘痢尝时堕垛欠标维芬澳击谷恶杨驱谗饶肄瞧谅凛拾拱证戈卒褒蒲芜翼搅凡舌赊垣烹脆辙龚 工程概况 东端引水隧洞采用钻爆法和 TBM 法相结合的施工方案，其中 1、3#引水隧洞主要采用 TBM 施工，2、4#引水隧洞主要采用钻爆法施 工。采用钻爆法施工的引水隧洞段为马蹄形断面，开挖直径 13m，混凝 土衬砌段衬后洞径 11.8m，衬砌厚度 4060cm；喷锚支护段洞径 12.6m，底拱 80 范围内采用混凝土衬砌。采用 TBM 施工的引水隧洞段， 开挖直

8、径为 12.4m，混凝土衬护厚度 60cm，衬后隧洞洞径为 11.2m；喷 锚支护段洞径 12.0m，底拱 90 范围内采用混凝土衬砌。 10.1. 工程地质条件的总体评价 本工程引水隧洞处于高山峡谷的岩溶地区，地质条件复杂，具有埋 深大、洞线长的特点，主要工程地质问题有高地应力和岩爆、涌(突)水、 高地温、有害气体、围岩稳定及隧洞所穿越的断层破碎带等。 10.2. 引水洞地应力及其影响 本工程引水隧洞将穿越锦屏山主峰山体，最大埋深达 2525m 左右。 基于此前的初步预测与后期实测结果，无明显的量级差异，因此仍采用 弹性理论及有关资料对工程区应力场进行试算预测。 在埋深 2525m 条件下的

9、自重主应力值为 69.94MPa(采用 =2.77kN/m3)。从已有地应力资料可以得出锦屏工程区的地应力特征： 在埋深 8001200m 时，地应力场由谷坡地带局部地应力转变为以垂直应 力为主的自重应力场，但地应力随埋深的增加呈非直线型关系，1/3 地应力比值是随埋深的增加而逐渐减小。据新的地应力测试成果进行的 三维初始应力场反演回归分析，在隧洞线高程 1600m 处最大主应力值为 70.1MPa，最小主应力值为 30.1MPa。其主应力值是从上到下逐渐增大， 断层穿过的岩体周围主应力值有明显的减小，等值线分布变化较大，说 明断层对初始应力场分布有很明显的影响。 高地应力除引起岩爆外，还会引

10、起较软弱岩(T2y4 层中白云质挤压 夹层)、断层带的变形破坏引起掉块、坍塌等。 10.3. 引水洞断层破碎带的分布 区内结构面主要表现为顺层挤压和北北东向的逆冲断层性质。逆冲 断层规模大，层间错动频率较高，其次为近东西向的横切断层，多表现 为逆平移或正平移性质，此类断层中，多见方解石脉、细晶岩脉及石英 岩脉充填。 按不同构造形迹和展布方位大体可归纳分为：NNE 向、NNW 向、 NENEE 向、NWNWW 向四个构造组。现将与工程有关、且规模较大 的断层分述如下： 10.3.1. NNE 向结构面 北北东向构造控制了区内主要构造线和主体山脉的延伸，共发育有 F2F7、F9F11、F14、F1

11、8、F19、F28F30 等 15 条，其中级结构面 有二条，为 F4、F6，其余 13 条均为级结构面。叙述如下： a. F2 断层(棉纱湾安沙坪断层)：N1520E，NW(局部倾向 SE) 6676，在东雅砻江西岸该断层形迹清楚，形成宽达 15m 的断层破 碎带，花岗岩被挤压成片状，其中的暗色矿物呈定向排列，石英片岩因 受挤压而成菱形块状；在皮罗渡沟对岸，断层挤压带宽达 50m(视宽度)， 由数个挤压面组成，属压性结构面。 b. F3 断层：断于石炭系白色块状纯质大理岩与泥盆石炭系黑色 千枚状粉砂质板岩之间。南段走向 N1520W，倾向 NE；北段构造形 迹不明显，仅在皮罗渡沟左坡上见有宽

12、达 20 余米的劈理带，其产状为 N1030E，NW70，属压扭性。 c. F4 断层(青纳断层)：该断层在工程区内出露的形迹较隐匿。在 毛家沟中(该断层带附近)发育两条平行的后期小断层，每条带宽为 0.51.0m，产状 N5E，SE68，带内发育石英细脉，并见糜棱岩化。 在毛家沟一南支沟中，发现糜棱岩带宽 3m，揉皱剧烈、劈理发育，影 响带宽十余米，围岩有硅化现象，下盘发育深大擦槽(宽 30cm、深 5cm)， 其产状为 N27E，SE75。漫桥沟中的白山组大理岩与盐塘组地层 均受影响，片理化、绢云母化普遍存在。属压扭性结构面。到楠木沟南 支沟，该断层已趋收敛，白山组与盐塘组地层接触正常。在

13、楠木沟西南 侧的山梁上，白山组(T2b)陡壁呈近东西展布约 200m，未见断层通过。 经地表调查、航片解译、槽探和物探等勘察表明，该断层与甘家沟民 胜乡断层没有相连接的迹象，两者之间相距约 2km。该断层自晚更新世 以来，断层已停止活动。它和锦屏山断层的新活动年代是基本相同的。 d. F5 断层(拉纱沟一碗水断层)：地表产状为 N1030 E，NW70，断于白山组大理岩与西侧三迭系上统砂岩、板岩层内， 两者呈断层接触。断层带内岩石呈片理化和千枚岩化，构造角砾岩与片 状岩同时出现，并具有定向排列，影响带宽 510m 左右。因断层影响， 形成延绵数十千米的断层崖陡壁，其属压扭性结构面。在辅助洞内的

14、产 状为 SNN30E W/NW7075，带内岩石破碎，充填以碎裂岩、挤 压片岩为主，局部岩屑夹泥，岩石千枚岩化、碳化，壁面见摩擦镜面； 上盘影响带受 NW 向断层影响，宽约 3035m，岩石破碎，NWNWW 向的结构面发育；下盘影响带宽约 12m。 e. F6 断层(锦屏山断层)：产状 N2050E，NW 或 SE6087， 区内断层带宽 14.2m，影响带宽 637m，部分断于大理岩内部，断层 往北表现清楚，往南有收敛趋势。在辅助洞内整体产状为 N45E NW8085，主带宽 1.64m，影响带宽 21.4m，为压扭性断层，具有 相对隔水性质。断层上盘由于 N6580W 向构造影响，其影响

15、带宽度 达 100m 以上。断层主带内岩性为灰绿色砂岩、大理岩，呈全强风化状， 面绢云母化，岩性软弱，带内主要充填有断层泥、全风化岩、挤压片岩、 岩屑等，断层泥可见宽 0.20.6m；影响带岩体破碎，为碎裂岩，铁锰质 浸染严重。 f. F7 断层：南起于手爬山北坡。断层面平整，形成深切沟谷，宽 510m。走向 N20E，近直立，被沿沟断层 F23 错开，错距 2050m。 往北顺沟延伸，并形成延绵数千米断层崖。 g. F9 断层：产状 N1020E，SE8085，全长 5km。在木落 脚附近，其下盘为石英、绿帘石绿泥石岩，较破碎；上盘为大理岩。断 层宽 67m，主带宽 1.2m，挤压成片状，局

16、部糜棱岩化，形成延绵数千 米断层崖陡壁。 h. F10 断层(甘家沟民胜乡断层)：产状 N1020 E，SE7080，挤压带宽 34m。北自甘家沟，顺沟向南，经大铺子、 民胜乡向南延伸，从断层的宽度来看，其规模并不大，而且在老庄子沟 口所见为断在砂、板岩之中。在地貌上反映为连续十千米的大陡壁。 i. F11 断层(老庄子逆断层)：发育于老庄子复型背斜核部，北侧所 见产状为 N15E，SE 或 NW7085，断层带内角砾岩带宽 4050cm、糜棱岩带宽 0.21.0m，两侧沿断层带方向之劈理发育，在苏 那墚子一带可见宽约 120 余米的片理带。岩体完整性较差，沿断层带有 泉水出露。 j. F14

17、 断层(联合乡模萨沟口断层)：产状变化大，基本上在 N20EN20W 之间变动，带宽 1520m，围岩蚀变带宽达数十米；沿 断层带有大量基性岩(角闪石)侵入并被石英脉所穿插，角闪岩脉两侧有 角砾岩或破碎带 2m 左右。此断层带向南至模萨沟口未见岩脉侵入，其 产状为 N45E NW5565，向南延至三股水，破碎带较宽。 k. F18 断层(菸房村北断层)：沿西雅砻江右岸近南北向发育。其中 尚可见到近东西向断层与其交汇。断层破碎带宽达 40m 以上，至三滩上 游未通过西雅砻江西岸。产状为：N15E，SE48，断层带内角砾 岩胶结良好，并见石英脉呈网状穿插。揉皱剧烈，具羽状构造。 L. F19 断层

18、：产状 N5WN25E，SW 或 NW2550，横穿 许家坪厂区，为一反坡缓倾角逆断层。糜棱岩带宽 0.30.5m，劈理带宽 1530m，两侧岩石有硅化现象。 m. F28 断层：N20E，SE70，主带宽 12m，挤压呈片状岩。 n. F29 断层：N30E，SE85，挤压破碎带宽 5m，岩石轻微 扭曲，局部见 30cm 宽的挤压片岩，压性。 o. F30 断层：N15E，NW80，挤压破碎带宽 8m，影响带宽 10m，断裂面平直。 10.3.2. NNW 向结构面 该组结构面主要发育有 F20、F21 二条断层，其中 F20 为级结构 面，F21 为级结构面。 a. F20 断层(田坪沟模

19、萨沟断层)：为一系列近于平行的断层向北 北西延伸至模萨沟口交汇。主要分布于玄武岩(P2)与西侧板岩(P2) 之间，断层倾角较陡，延展不甚规则，岩石破碎扭曲严重，断层性质不 明。 b. F21 断层(里庄断层)：走向 NNW，过雅砻江后产状变为 N15 E，NW72。为规模较大的挤压破碎带和片理化带构成。断层北部东 盘为下侏罗统(J1)炭质板岩，西盘为前泥盆系(AnD)石英片岩。破碎带宽 5m 以上，破裂面上擦痕明显。 10.3.3. NENEE 向结构面 该组结构面主要发育有 F1、F15、F17、F22、F25、F26 等六条断层， 均为级结构面。 a. F1 断层：自皮罗渡口往南西方向延伸

20、，直至瓦厂一带。石炭系、 二迭系、三迭系地层均受其影响，在平面上最大错距可达 700 余米。走 向 N5060E，属张扭性。 b. F15 断层(梅子坪沟断层)：分布于梅子坪沟，白山组大理岩地层 内。截切了西牦牛山背斜和老庄子向斜；产状为 N70E，SE80， 于梅子坪村东见花斑状大理岩被错动约 300 余米，左行。 c. F17 断层(牛圈坪断层)：产状为 N45E、NW50。断于三 迭系上统砂、板岩中，挤压带宽达 20 余米，揉皱剧烈，并见断层泥， 其中充填石英脉。 d. F22 断层：产状为 N50E，SE8085，全长 5km。断层 在西雅砻江两岸形成小冲沟，带宽达十余米。青灰色硬质细

21、砂岩被挤压 成片状，层面呈扭曲现象，有透镜体出现，并呈香肠状分布。石英呈定 向团快状充填。 e. F25 断层：产状 N70E、SE6675，主带宽 45m，发育 3 条产状为 N15E，SE 或 NW7085，断层带内角砾岩宽 4050cm，两侧沿断层带方向之劈理发育，岩体完整性较差，沿断层带 有泉水出露。热释光样品测龄为 29.222.22 万年，为非活动性断层。 f. F26 断层：产状 N5070E，NW8085，挤压破碎带宽 615m，由强风化状的碎裂岩、片状岩和糜棱岩组成，见石英脉穿插其 中及构造透镜体，具揉皱现象，充填黄色次生泥，压扭性。 10.3.4. NWNWW 向结构面 该

22、组结构面主要发育有 F8、F12、F13、F16、F23、F24、F27 等七 条断层，均为级结构面。 a. F8 断层(上手爬正平移断层)：N4280W，NE4563发育 于四坪子，上手爬梁子及干海子以北，横切了碳酸盐岩和砂、板岩地层。 断层带宽 813m，带内岩石扭曲破碎，呈片岩化和糜棱岩化，多见石英 脉穿插，沿断层带有泉水出露。 b. F12 断层：顺模萨沟发育，走向近东西。沟两侧地层明显发生 位移。错距达 50100m。横穿三迭系上统砂、板岩和中统白山组地层。 往东至雅砻江边，其性质不明。 c. F13 断层(鸡纳店沟断层)：横切老庄子背斜，呈 N60W 向延伸。 北盘相对南盘低 30

23、0m 左右，具正平移断层性质。断层带内见宽 2m 的 角砾岩，地貌上呈深切沟谷状。 d. F16 断层(周家坪横断层)：产状为 N7080W，SW 至 N87 E，SE4752，断层带宽 38m，影响带宽约 9m，断层带内强烈扭 曲、破碎，有角砾岩、糜棱岩。此断层横切地层走向，北盘东移，为压 扭性断层。 e. F23 断层：沿落水洞沟分布，全长约 2km，它切割了锦屏山断 层及一些小型断层，属左行，带宽 3m 左右。见糜棱岩化，两侧岩石较 破碎，局部可见揉皱现象，在地貌上形成深切沟谷，大理岩陡壁达数百 米。产状：N65W，NE70，逆平移性质。 f. F24 断层(上瓦厂正平移断层)：产状 N

24、70W 至 EW 向，北盘相 对向西错动，断层带形成深切的沟谷和垭口地形。 g. F27 断层：位于干海子中部，走向 N3040W，NE80，挤 压破碎，干海子地区唯一分布的小泉也分布在该断层带附近。 11.11. 软岩高地应力隧洞施工的难点软岩高地应力隧洞施工的难点 11.1. 施工难度大 复杂的地应力分布状态导致在施工过程中容易产生的一系列问题和 特点，如：开挖后围岩变形破坏的不均匀性和不对称性、围岩压力分布 的复杂性、围岩和支护结构破坏的共生性（即多种破坏形式同时发生的 特点）等，这些给施工管理、施工决策带来相当大的困难，影响了隧洞 的快速掘进。 11.2. 围岩软弱，开挖变形量显著 高

25、地应力情况下，隧洞隧洞软岩段均不同程度发生围岩坍塌、变形 侵限、初支混凝土开裂剥落、钢架扭曲变形等现象。相对较高的地应力 水平除引起隧洞周边位移过大之外，也增加了围岩的塑性区，破坏范围 增大。 11.3. 必须建立应急预案。 软弱围岩的在高地应力条件下，变形速度快，如果措施不得力或处 理不及时，会带来塌方等地质灾害，损毁支护结构，甚至造成人员和财 产损失。这就要求施工中必须建立针对软弱围岩大变形的应急预案，从 地质预报、监控量测、组织机构、物料储备、反应机制等做出事先的安 排和部署。 12.12. 国内外地应力场及软岩大变形的的研究国内外地应力场及软岩大变形的的研究 12.1. 地应力场的研究

26、 岩体是在人类工程经济活动之前，处于相对平衡状态，并在地质历 史过程中，经过变形和破坏，具有一定物质成分和结构并赋存于一定应 力场中的地质体。对岩体而言，应力场既是岩体的有机组成部分，又是 岩体的赋存环境，但一般作为赋存环境对待。重力作用、温度作用和构 造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应 力的形成及其特点影响最大。 图 1 为中国大陆板块宏观受力情况，中国大陆板块受到印度洋板块 和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到了西伯利亚板 块和菲律宾板块的约束。 太平洋板块 中国大陆板块 西伯利亚板块 印度洋板块 菲律宾板块 图 1 中国板块主应力迹线图 Hoek

27、，Brown 在 1978 年总结归纳了世界范围内各地区地应力测量 结果，见图 2。在浅层地壳中平均水平应力普遍大于垂直应力。实测资 料表明，在绝大多数（几乎所有）地区均有两个主应力位于水平或接近 水平的平面内，其与水平面的夹角一般不大于 30。垂直应力在多数情 况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力，只在个别情况下为最 大主应力。平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减少，但在不 同地区，变化的速度很不相同。 图 3 给出了我国平均水平应力与垂直应力的比值随深度变化的规律。 对于地应力分布规律还有必要进一步深入的研究，地应力分布规律除了 与构造应力有关外，还应该受到岩体本身性质的影响。

28、 图 2 世界各国平均水平应力与垂直应力的比值随深度变化规律 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0.00.51.01.52.02.53.03.5 霍克-布朗外包 线:K=100/H+0.3 我国中值:K=194/H+0.7 霍克-布朗中 值: K=800/H+0.4 霍克-布朗内包 线:K=1500/H+0.5 侧压力系数 K 深度 (m) 图 3 我国平均水平应力与垂直应力的比值随深度变化规律 12.2. 软岩及大变形的概念 12.2.1. 软岩的概念 关于软岩的定义一直是国内外争论的问题，其定义多达几十种之多。 总体来说，

29、大体上可分为描述性定义、指标化定义和工程定义，且各有 其优缺点。 目前，人们普遍采用的软岩定义基本上可归于地质软岩的范畴，按 地质学的岩性划分，地质软岩是指强度低、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，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质砂岩等单轴抗压强度 小于 25MPa 的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学会 将软岩定义为单轴抗压强度在 0.525MPa 之间的一类岩石，其分类依据 基本上是依强度指标。工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变 形的工程岩体，目前流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低 强度的特点

30、，同时应强调软岩所承受的工程力荷载的大小，强调从软岩 的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。 12.2.2. 隧洞大变形的概念 各类围岩在正常施工条件下都会产生一定的变形，隧洞施工规范、 新奥法指南及衬砌标准设计等对各类围岩及各种支护结构都规定有不同 的预留变形量以容纳这些变形。大变形是相对正常变形而言，目前还没 有统一的定义和判别标准。徐则民从大变形的 6 个特征对大变形进行了 概括描述、何满潮认为大变形可分为弹性大变形和塑性大变形，但软岩 的大变形问题是一个塑性大变形问题，塑性大变形区别于弹性大变形和 小变形的显著标志是前者与过程紧密相关。卞国忠从围岩变形量上给大

31、变形作了界定，即：若围岩变形量超过正常规定（20cm）的 2 倍（即 40cm）时，可把围岩变形视为大变形（南昆线家竹箐隧洞的经验是单 线超过 25cm，双线超过 50cm 确定为大变形） ，围岩变形量介于 2040cm 之间，可认为是正常变形至大变形的过渡阶段。也有根据相对 变形量来定义大变形的。 12.2.3. 大变形的成因 产生大变形主要有客观和主观两方面的原因。地质条件是客观原因， 技术措施不当是主观原因，前者是根本原因。某些地质条件下，适当的 技术措施可以防止大变形的发生，而某些地质条件下常规的技术措施则 难以控制大变形的发生。从地质条件分析，产生大变形的原因可能有三 种： (1)膨

32、胀岩的作用 具有膨胀岩的围岩在一定条件下体积膨胀，如粘土类矿物、蒙脱石、 高岭土、伊利石、绿泥石等吸水后体积可膨胀 10%20%。硬石膏遇水 体积可增大 60%，芒硝遇水体积增加 135%。有的膨胀力可达 2545kPa。围岩膨胀使隧洞周边产生大变形。我国成昆线百家岭隧洞、 青藏线关角隧洞、宝中线堡子梁隧洞都属于围岩膨胀引起的大变形。 (2)高地应力作用下的软岩隧洞挤压变形 高地应力是一个相对的概念，它是相对于围岩强度(Rb)而言的。也 就是说，当围岩内部的最大地应力()与围岩强度的比值() )达 max max / b R 到某一水平时，才能称为高地应力或极高应力，即 围岩强度应力比= ma

33、x / b R 目前在隧洞的设计施工中，都把围岩强度应力比作为判断围岩稳定 性的重要指标，有时还作为围岩分级的重要指标。 从这个角度讲，应该认识到埋深大不一定就存在高地应力问题，而 埋深小，但围岩强度很低的场合，也可能出现高地应力问题。因此，在 研究是否出现高或极高地应力问题时必须与围岩强度联系起来进行判定。 表 1 为一些围岩强度应力比的分级指标。 表 1 围岩强度应力比的分级基准 标准类别标准类别极高地应力极高地应力高地应力高地应力一般地应力一般地应力 法国隧洞协会2244 我国工程岩体分级基准4477 日本新奥法指南(1996)2466 日本仲野分级2244 研究表明，当强度应力比小于

34、0.30.5 时，即能产生比正常隧洞开 挖大一倍以上的变形。此时洞周将出现大范围的塑性区，随着开挖引起 围岩质点的移动，加上塑性区的“剪胀”作用，洞周将产生很大位移。 圆形隧洞弹塑性解析解也表明，当强度应力比小于 2 时洞周将产生塑性 区，强度应力比越小则塑性区越大。塑性区半径增大则洞周位移也相应 增大，加上围岩剪切破坏时体积膨胀(剪胀)，位移增加更快。所以高地 应力是大变形的一个重要原因。这又称为高地应力的挤压作用。软弱围 岩隧洞很多，只有在高地应力作用下才会发生这种挤压现象。 (3)局部水压及气压力的作用当支护和衬砌封闭较好，周边局部地下 水升高或有地下气体(瓦斯等)作用时，支护也会产生大

35、变形。但随支护 开裂，水或气溢出，压力减小，变形也就停止，这种现象并不多见。 13.13. 本工程引水隧洞软岩大变形控制的基本思路本工程引水隧洞软岩大变形控制的基本思路 针对本工程引水隧洞高地应力条件下断层破碎带区段实际情况，采 用柔性结构设计理念分阶段综合控制法。根据引水隧洞的施工方法，确 定其变形的控制方法。本工程采取钻爆法和 TBM 法相结合的方式。对 于 TBM 法而言，由于其是圆形断面，加之没有震动松动圈，其变形控 制较钻爆法相对容易，主要是通过扩挖刀扩挖，预留适当的沉降量；增 加超前灌浆，增加围岩的强度；开挖后采用锚喷联合支护措施。 对于钻爆法而言，通过选择合理的断面形状，留足预留

36、变形量，短 锚管超前支护，中等长等系统锚杆和少量补强锚杆围岩加固，多重支护， 适当提高衬砌刚度和提前施作衬砌等措施对变形予以控制。 14.14. 国内外典型挤压性大变形隧洞工程实例及大变形控制技术国内外典型挤压性大变形隧洞工程实例及大变形控制技术 国内外有名的挤压性围岩大变形隧洞有奥地利的陶恩隧洞和阿尔贝 格隧洞、日本的惠那山隧洞、中国的南昆线家竹箐隧洞和台湾木栅公路 隧洞。 14.1. 陶恩(Tauern)隧洞 19701975 年修建于奥地利，为双向行驶之公路隧洞(单洞)，全长 6400m，埋深 6001000m。新奥法的鼻祖 Rabcewicz 教授亲自主持该隧 洞的设计并参加施工。该隧

37、洞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洞。由于在陶恩隧洞设计时对 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 (69m)、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。 14.2. 阿尔贝格(Arlberg)隧洞 阿尔贝格隧洞也在奥地利，系公路隧洞，全长 13980

38、m。该隧洞是 紧接着陶恩隧洞之后开工的(19741979 年)，设计时已吸收了陶恩隧洞 的经验教训，所以虽然也是挤压性围岩隧洞，但支护变形较小，施工较 为顺利。 隧洞最大埋深 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 1.22.9MPa。为防止大变形， 设计时采用了强大的初期支护系统：厚 2025cm 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 向与隧洞平行且有地下水)的地段，仍产生了 2035cm 的支护位移，变 形初速度达到 46cm/d ，最大达 11.5cm/d。在增加了 912m 的长

39、锚 杆后，使变形初速度降为 5cm/d。据统计，每延米隧洞锚杆用量达 420m。 14.3. 惠那山(Enasan)隧洞 惠那山隧洞为双洞隧洞，在日本中央公路的两宫线上。号隧洞先 修，于 1975 年 8 月建成，全长 8300m，是双向行驶的公路隧洞。后由 于交通量的增加，1978 年开工修建第二座隧洞，即号隧洞，该隧洞全 长 8635m，于 1985 年建成。这两座隧洞平行，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 1.74.0MPa，该处埋深约 400m。特别使人感 兴趣的是，为通过这同一条断层，号隧洞采用刚性支

40、护，而号隧洞 采用新奥法的柔性支护，从而可进行效果对比。 号隧洞采用的断面型式如图 4。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。 吸收了号隧洞的教训后，号隧洞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 913.5m)；预留 变形量(上半部为 50cm，下半部为

41、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。隧洞断面见图 5，最终 发生的初期支护位移为 2025cm,最大 56cm，说明长锚杆发挥了作用。 图 4 惠那山号隧洞刚性支护示意(单位:cm) 图 5 惠那山号隧洞初期柔性支护示意 14.4. 家竹箐隧洞 家竹箐隧洞是我国南昆铁路上的著名险洞(单线铁路隧洞)，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 6080cm(最大 160cm)，拱顶下沉接近 100cm。之所以变形这么大，与

42、 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 一点和陶恩隧洞相似)。施工中的变更设计是： (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 47m)； (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

43、隔离层。 14.5. 木栅隧洞 木栅隧洞位于台湾北部第二高速公路上，隧洞穿越台北市南郊的木 栅山区，全长 1875m，为三车道公路隧洞(断面 150m2)。该隧洞在通过 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，与隧洞斜交，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。该隧洞变形整治有一 个特色，即应用了长大预应力锚索(图 6)。锚索长 1517m，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洞趋于稳定。 图 6 台湾木栅隧洞预应力锚索示

44、意 15.15. TBMTBM 法高地应力软岩大变形控制措施法高地应力软岩大变形控制措施 15.1. 引水隧洞 TBM 法施工围岩变形控制标准 引水隧洞 TBM 法施工围岩变形控制标准见表 2 表 2 本工程引水隧洞 TBM 发施工围岩变形控制标准 围岩条件围岩条件 变形控制标变形控制标 准准 备注备注 岩组隧洞埋深 m围岩类别应变率% /b 1 1 b 1 T2z 杂谷脑组 大理岩 1500 2 /b 1 1 b 2 T2z 杂谷脑组 大理岩 15002000 3 b 1.5 3T1 绿泥石片岩12001500 4 b 类围岩为由于 轻微岩爆降 级为类围 岩的洞段； b 类围岩为由于 强烈岩

45、爆降级为 类围岩的洞段； b 类围岩为由于 /b 1 2 T1 砂板岩 15002000 3 /b 1 2 b 2 b 2 b 2 T2b 白山组大 理岩 15002500 3 /b 1 1 b 2 b 2 T2y 盐塘组大 理岩 15002000 3 /b 1 1 b 1 T2y 盐塘组大 理岩 1500 2 轻微岩爆降级为 类围岩的洞 段； b 类围岩为由于 轻微岩爆降级为 类围岩的洞段； 围岩应变率是指围 岩最大变形与隧洞 半径（或跨度）之 比 15.2. TBM 洞高地应力软岩大变形施工控制技术 对于软弱围岩而言，TBM 施工法的优势：一是利用刀盘来破碎岩 石，相比钻爆法而言减少了对围

46、岩的震动和扰动；二是断面形状呈圆形， 开挖断面规则，应力分布均匀。但对于其对软岩也有其劣势，主要是其 对于大变形控制措施的选择性比较少。从本工程特点及所选用的 TBM 设备而言，主要有以下几种控制技术。 15.2.1. 加强地质预报 超前地质预报为 TBM 掘进施工中隧洞地质监测的重要组成部分， 它包括隧洞围岩描述、水文地质监测、施工地质测绘、围岩变形监测、 围岩类别判别、仪器现场量测、不良地质体预报及相应的地质、测试资 料分析和成果整理等工作，并及时提供超前地质预报成果资料。 15.2.1.1. TBM 法超前地质预报工作实施特点 超前地质预报工作主要是对围岩及水文地质条件进行监测、对不良

47、地质体进行预报，及时获取现场第一手地质资料和仪器测试数据，是地 质预报工作成败的关键，同时现场地质工作和仪器测试与隧洞 TBM 掘 进施工相互干扰、又相辅相成。因此，进行超前地质预报的地质工程师 要在充分了解前期地质工作的基础上，对隧洞的工程及水文地质条件进 行认真的调查，时时跟进 TBM 施工，在 TBM 检修维护的空隙时间里及 时的进行仪器测试，保证采集的资料、数据准确无误，并尽快提供分析 成果，为围岩支护和不良地质体的超前处理提供依据。 15.2.1.2. 超前地质预报工作项目和内容 超前地质预报工作包括：隧洞围岩描述、围岩监测、水文地质监测、 施工地质测绘、围岩类别判别等常规地质预报和

48、超前地质勘探、超前仪 器现场量测、不良地质体长距离预报等超前地质预报，以及相应的地质、 测试资料分析和成果整理等工作。 常规地质预报是指：对已开挖洞段及时进行地质编录、测绘、取 样及试验，依据已知围岩的风化、裂隙发育状况及开挖石渣的粒径、形 状、质量状况和较大渗水点的渗水量、水温、PH 值、导电性等条件， 预报掌子面前方未开挖地段的地质情况、可能出现的不良地质体及围岩 类别。 超前地质预报是指：为防止 TBM 掘进时遭遇未知的不良地质体 而进行的超前地质勘察、超前勘探钻孔、超前仪器测试等，对隧洞掌子 面前方长距离范围内的不良地质体进行预报。所采用的主要手段为：地 面地质预测、超前钻孔、地质雷达测试、地震波超前测试等，然后将采 集的数据进行整理，从而对不良地质体可能被揭示的位置进行预报。超 前地质预报的主要内容见表 3。 表 3 地质超前预报的主要工作内容表 序序 号号 主要工作内容主要工作内容说明说明 1 不良地质及灾害 地质预报 预报掌子面前方一定范围内有无突(涌) 水、突泥以及岩爆等不良地质情况，并查明 其范围、规模、性质，提出施工措施或建议； 2水文地质预报 预报洞内突涌水量的大小及其变化规律， 并评价其对环境地质、水文地质的影响； 3 断层及其破碎带 的预报 预报断层的位置、宽度、产状、性质、 充填物的状态，是否