background image

 

 

 

Synthetical Analysis on Monitoring of Wushaoling Railway Tunnel  

 

 

Zhichun Liu, Wenjiang Li, Sumin Zhang, yongquan Zhu  

 

School of Civil Engineering, Shijiazhuang Railway Institute, Shijiazhuang, China, 050043 

 

 

 

ABSTRACT 

 

Wushaoling  railway  tunnel,  the  longest  single-track  railway  tunnel  in  China,  is  the  key  project  of 

Lanzhou-xinjiang  railway  line.  It  goes  through  four  regional  faults  (F4-F7).  The  geological  and 

geostress conditions are quite complicated. According to the characteristics of soft rock tunnel with 

large  deformation  on  complicated  stress  condition,  comprehensive  monitoring  is  executed  in 

construction  of  Wushaoling  tunnel.  Based  on  the  measured  results  of  the  crown  settlement,  the 

horizontal convergence, the axial force of rock bolt, the surrounding rock pressure, the stress in steel 

set,  the  stress  in  shotctete  and  the  stress  and  pressure  in  the  secondary  lining,  the  relation  between 

surrounding rock pressure and displacement, the distribution rule of displacement, the coefficient of 

lateral pressure, the shared ratio of secondary lining pressure, the construction time of secondary lining 

etc,  are  analysed  in  this  paper.  The  above  information  is  feedback  to  the  construction  in  time.  The 

structure  stability  is  analysed  and  the  corresponding  measures  are  adopted.  It  can  also  provide  the 

numerical  coefficients  for  data  simulation  and  theoretical  analysis.  It  is  proved  that  the  effect  is 

reliable,  the  surrounding  rock  is  stable  and  the  structure  is  in  good  condition,  providing  a  reliable 

technical guarantee for the perforation of the section. 

 

 

1. INTRODUCTION 

 

Monitoring plays an important role in design and construction of tunnels, since the diverse geology of 

tunnel and the complicated interaction between surrounding rock and tunnel support. The purpose, on 

the one hand, is to understand the goings of the surrounding rock and the support structure, to forecast 

dangerous case and take measures accordingly, and on the other hand, is to accumulates data for other 

analogous tunnels (Li Xiaohong (2002), Jiang Shuping et al.(2004), Yang Huijun et al.(2004)). The 

monitoring should be strengthened especially in the soft rock tunnel with large deformation for which 

there are no feasible measures in the current relative code for design and construction. There are many 

inconsistencies between the code and the practice (Professional Standard (2001)). Many scholars have 

studied on soft rock tunnels, and accumulated many experiences on the design and construction (He 

Manchao et al. (2002), Zhang Zhidao (2003)). But few corresponding systematic  monitoring data are 

reported. 

 

 

2. SURVEY OF PROJECT 

 

Wushaoling railway tunnel, the longest single-track railway tunnel in China, lies in south section of 

west Lanzhou –south Wuwei of Lanzhou-Xinjiang railway line. It consists of two single-track tunnels 

(left line and right line) spaced 40 m. The right line, the main tunnel, is built through earlier, and the 

left line is a parallel drift at first and enlarged to a main tunnel finally. The longitudinal gradient is 

mainly 11 , and the altitude of inlet is 2663 m and the outlet is 2447 m, and the maximal depth of the 

tunnel  is  1100  m.  It  goes  through four  broad regional  faults  (F4-F7).  The  geological  and  geostress 

condition are complicated.  

background image

 

Composite lining is adopted. Considering the fault activity and cracked rock, the circular cross-

section is used in F7 fault, and elliptical used in other places according to characteristics of each. In 

F4-F7 regional faults, especially F4 fault region, Silurian slate with phyllite rock region and F7 fault 

region,  the  surrounding  rock  is  quite  cracked, 

and  the  tunnel  stability  is  awfully  bad.  The 

tunnel  deformation  is  so  large  that  collapse 

appeared  in  few  regions  during  the  tunnel 

construction. 

The  monitoring  has  been  taken  for  over 

one  year  since  April  2004,  consisting  of  axial 

force  of  rock  bolt,  surrounding  rock  pressure, 

stress  in  steel  liner  plate,  shotcrete,  and 

secondary lining, secondary lining pressure, and 

the  settlement  of  arch  crown,  the  horizontal 

convergence,  in  F4  fault  region,  Silurian  slate 

with  phyllite  rock  region  and  F7  fault  region. 

Fig.  1  shows  the  arrangement  of  observation 

points. 

 

 

3. MONITORING RESULTS 

 

3.1 Deformation

 

 

Monitoring deformation, which can offer direct information for tunnel stability, is direct reflection of 

reciprocity between the surrounding rock and the tunnel support. It consists of the settlement of arch 

crown,  horizontal convergence  of  spring  of  arch, middle  of  wall  and  footing  of  initial  support,  and 

horizontal  convergence  of  secondary  lining.  Table.  1  shows  the  statistical  results  of  monitoring 

deformation.

 

 

Table 1. Statistical results of measured deformation

 

initial support 

 

total deformation(mm)    max. deformation  

rate (mm/d) 

 

secondary  

lining(mm) 

region 

line 

site 

max. 

aver. 

 

max. 

aver.    max.  aver. 

main zone 

324.31 

125.12   

73.46 

25.62    3.97  2.50 

F4 fault 

right line 

influencing zone 

343.10 

91.87 

 

58.58 

19.55    3.41  1.98 

phyllite mostly 

932.45 

422.97    165.33 

80.65    10.06  4.66 

Silurian slate with 

phyllite rock 

right line 

slate mostly 

473.91 

211.25    122.05 

38.72    17.40  4.55 

initial stages 

716.12 

353.54    153.21 

70.24   

 

 

right line 

after modification 

310.51 

124.87   

79.65 

30.76    23.00  2.70 

initial stages 

1209.38 

831.01    167.53 

87.54    21.53  0.16 

F7 fault 

left line 

after modification 

367.03 

195.60   

81.61 

35.90    13.56  3.94 

 

3.2 axial force of rock bolt

 

 

Through monitoring of axial force of rock bolt, the development of the tunnel deformation and the 

limit  of  drop  zone  of  surrounding  rock  strength  can  be  estimated.  And  the  effect  of  the  bolt  and 

reasonability  of  the  parameters  for  the  bolt  can  be  evaluated.  Six  measure  bolts,  4-5m  long,  are 

installed in every measuring profile with four measurement points on each bolt. As is shown in Table 

2, the axial force of rock bolt is tension, and the depth of max. tension point is two to three meters 

from tunnel wall.

 

 

 

Figure 1. Arrangement of observation points 

horizontal convergence 

tension in bolt 

surrounding rock pressure

stress in shotcrete and 

steel set  

settlement of arch crown 

stress and pressure in 

secondary lining 

background image

 

Table 2. Statistical results of measured axial force of rock bolt  

region 

line 

max. tension(kN) 

depth of max. tension point (m) 

F4 fault 

right line 

97.4 

main zone: 2.1~2.7, influencing zone: 1.4~2.1 

Silurian slate with phyllite rock 

right line 

68.9 

phyllite mostly: 2.1~3.4 

right line 

52.0 

main zone: 2.1~3.4 

F7 fault 

left line 

50.00 

main zone: 2.7~3.7 

 

3.3 support pressure

 

 

Support pressure includes  the surrounding rock pressure and the secondary lining pressure. Table  3 

illustrates the results of measurement support pressure.

 

 

Table 3. Statistical results of measured support pressure (MPa)

 

the surrounding rock pressure   

the secondary lining pressure 

region 

line 

max. 

aver. 

 

max. 

aver. 

F4 fault 

right line 

0.887 

0.286 

 

0.270 

0.112 

Silurian slate with phyllite rock  right line 

0.926 

0.325 

 

0.349 

0.165 

right line 

0.952 

0.381 

 

0.663 

0.211 

F7 fault 

left line 

0.737 

0.311 

 

0.492 

0.189 

 
3.4 support stress 

 

Support stress includes the sprayed coatings stress, the steel liner plate stress, and the secondary lining 

stress. Table 4 illustrates the results of measurement support stress. 

 

Table 4. Statistical results of measured support stress (MPa) 

 

the sprayed coatings    the steel liner plate    the secondary lining 

region 

line 

max. 

av. 

  max. 

av. 

 

max. 

av. 

F4 fault 

right line 

12.83 

5.41 

  160.65 

104.45   

9.88 

5.89 

Silurian slate with phyllite rock 

right line 

11.74 

3.09 

  196.66 

72.46 

 

5.55 

2.43 

right line 

16.21 

6.78 

 

 

 

 

9.26 

6.08 

F7 fault 

left line 

18.43 

6.05 

  282.90 

82.52 

 

13.30 

5.62 

 

 

4. SYNTHETICAL ANALYSIS AND FEEDBACK OF MONITORING DATA 

 
4.1 The rules and synthetical analysis of deformation

 

 

Figure  2  shows  the  relation 

between  the  total  deformation 

and  the  max.  deformation  rate 

of  initial  support,  and  the 

deformation 

of 

secondary 

lining  in  Silurian  slate  with 

phyllite rock region. In order to 

compare  conveniently,  the  Y-

coordinate 

is 

logarithm 

coordinate.  Figure  2  shows 

rules as follows. 

(1)  The  deformation  of  initial 

support in most phyllite region 

is  bigger  than  in  most  slate 

region. 

0.01

0.1

1

10

100

1000

YDK175+000

YDK175+200

YDK175+400

YDK175+600

YDK175+800

mileage

de

fo

rm

at

io

n/

m

m

initial support deformation
final lining deformation
maximum of initial support deformation rate

most slate

most phyllite

Figure 2. The distribution rules of deformation in Silurian slate 

with phyllite rock region 

background image

 

(2) The total deformation of initial support increases with the of the max. deformation rate of initial 

support. 

(3) The relation between deformation of initial support and secondary lining is not obvious. 

 
4.2 The analysis of lateral pressure coefficient

 

 

Lateral pressure coefficient, which is an important parameter in action-reaction calculation model, is 

the direct reflection to the result of initial geostress re-distribution after the tunnel construction. It can 

be worked out by the statistic analysis of the monitoring support pressure. It can be shown using the 

following equations:

 

V

H

P

P

=

l

                                                                  (1) 

where 

l

 is the lateral pressure coefficient; and 

H

P

 is the horizontal vector of the surrounding rock 

pressure of tunnel wall; and 

V

P

 is the vertical vector of the surrounding rock pressure of tunnel arch. 

 

The Statistical results of lateral pressure coefficient are shown in Table 5. 

 
4.3 The shared ratio of secondary lining pressure

 

 

The shared ratio of secondary lining pressure, which is also an 

important  parameter  in  action-reaction  calculation  model,  is  a 

popular  topic  in  tunnel  fields.  It  impacts  on  the  stress  and  the 

stability of the secondary lining. The ratio can be worked out by 

the statistic analysis of the monitoring pressure of initial support 

and  secondary  lining,  and  can  be  shown  using  the  following 

equations: 

100%

™

=

F

S

P

P

m

                              (2) 

where m is the shared ratio of secondary lining pressure; and 

S

P

 

is the statistical monitoring pressure of secondary lining; and 

F

P

 

is the statistical monitoring pressure of initial support. 

The Statistical results of the shared ratio of secondary lining 

pressure  are  shown  in  Table  5.  And 

Figure  3  illustrates  the  shared  ratio 

distribution along contour line. It can be 

seen the shared ratio of secondary lining 

pressure  on  tunnel  wall  is  bigger  than 

that on arch. 

 
4.4 The relation between the surrounding rock pressure and the displacement

 

 

Theoretically,  the  relation  between  the  surrounding  rock  pressure  and  the  displacement  can  be 

illustrated  by  the  ground  and  support  reaction  curve  in  convergence-confinement  model,  which  is 

illustrated  in  Figure  4  (Jing  Shiting  et  al. (2002)).  The  curve    is  the  typical  soft  ground  reaction 

curve. The curve   is support reaction curve, which is intersected with curve   at point A, showing 

balance of the ground pressure and the support reaction. If the stiffness of the support becomes bigger, 

the intersection point is B, showing a greater support reaction as curve  . If the support is applied too 

late,  the  ground  will  become  loose  and  collapse  will  occur  as  in  curve  .  In  practice,  the  ground 

reaction curve is difficult to draw because of various reasons. But the support reaction curve can be 

drawn  with  the  monitoring  pressure  and  deformation  of  support.  In  Figure  5,  X-coordinate  is 

horizontal convergence of support, and the upper Y-coordinate is monitoring ground pressure, and the 

Figure 3. Shared ratio distribution

along  contour  line  for  secondary 

lining pressure in right line of  F7 

fault 

31.1% 

25.2% 

14.2% 

56.3% 

48.9% 

55.2% 

60.2% 

39.9% 

29.3% 

initial support  final lining 

Table 5. Statistical result of 

l

 and m 

region 

line 



 

F4 fault 

right line 

0.842 

32.2% 

Silurian slate with phyllite rock 

right line 

0.967 

28.2% 

right line 

1.563 

39.7% 

F7 fault 

left line 

1.251 

44.2% 

 

background image

 

lower Y-coordinate is time. It shows the actual support reaction curve of arch spring and middle of 

wall  of  YDK170+610  section,  and  illustrates  the  pressure-deformation  curve  and  deformation-time 

curve.  Furthermore,  it  can  forecast  the  relevant  deformation  to  pressure  relying  on  pressure-

deformation curve, i.e. 109.902 mm (spring of arch) and 235.209 mm (middle of wall). It can also be 

shown, compared between spring of arch and middle of wall, that the former has bigger pressure and 

less deformation. 

Regarding  the  forecast  deformation  and  the  final  pressure  as  stable  data,  the  dimensionless 

development correlation between the surrounding rock pressure and horizontal convergence of middle 

of  wall  is  worked  out  in  Figure  6.  It  can  be  seen  that  ground  pressure  grows  more  slowly  than 

deformation.

G

 

4.5 Construction time of secondary lining 

 

Comparing between the  soft-rock and rigid-rock, 

the  former  has  less  elastic  modulus  and  strength. 

Therefore, the deformation in soft-rock tunnel is much 

larger than in rigid-rock tunnel, and the time of lining 

construction of soft-rock tunnel should not be confined 

within limit of 0.2mm/d as in the code. If the limit was 

applied  mechanically,  the  time  of  lining  construction 

should  be  delayed,  and  the  deformation  cannot  be 

controlled easily, and too large deformation can bring 

collapses.  In  addition,  it  is  wasteful  using  stronger 

rigid support to decrease deformation, and it is feasible that lining is constructed earlier to bear partial 

loading in soft-rock tunnel. 

The construction time of secondary lining of Wushaoling tunnel in situ is shown in Table 6. 

 

Table 6. The construction time of secondary lining  

classification of large deformation 

items 

general deformation 

 

 

 

U

M

/B

 

<3% 

3% 5% 

5% 8% 

8% 

U

R

/ U

L

 

80%~90% 

70%~80% 

65%~75% 

60%~70% 

U

M

/ U

L

 

55%~62% 

47%~55% 

43%~51% 

39%~47% 

V

F

/U

M

 

<0.5% 

0.5%~1.0% 

0.5%~1.5% 

0.5%~2.0% 

Notes: where U

M

 is monitoring deformation,  and  B is  tunnel  width,  and U

L

  is  limit  deformation after  initial  support construction,  and U

R

  is  the 

actual deformation emerged before lining construction, and V

F

 is deformation rate before lining construction. Because of the actual deformation (U

R

consist of not only the monitoring deformation (U

M

), but also the elastic deformation and the lost deformation in measure, the U

R

 is larger than U

M

And U

L

 can be worked out according to calculation and monitoring of each region. 

 

5. CONCLUSION 

Figure 4. Convergence/confinement curve 

 

 

 

 

P

i

 



r

 



0

 

O 

u

B  A 

Figure 5. Test initial support reaction curve 

0.00 

0.05 

0.10 

0.15 

0.20 

0.25 

0.30 

0.35 

50 

100 

150 

200 

250 

u

r

 (mm) 

P

(M

Pa

P=0.0509exp(0.0075u

R

2

=0.9306

 

P=0.0863exp(0.0119u

R

2

=0.9239

 

10 
15 
20 
25

 

(

d)

 

spring of arch  
middle of wall 

inverted arch 

20 

40 

60 

80 

100 

10 

20 

30 

(d)

 

ra

te

 (%

deformation 

ground pressure 

Figure  6.  The  dimensionless  development 

correlation  of  the  ground  pressure  and 

deformation 

background image

 

 

(1)The tunnel deformation is very large, and the max. horizontal convergence reacheso 1209.38 mm 

in left line of F7 fault, and the max. deformation rate is 167.53mm/d. The tunnel displays all signs of 

large deformation tunnel, i.e. large deformation, high early deformation rate, and long duration. The 

max. lining deformation is 13.30 mm. The deformation in initial construction stage is large. But after 

modification of design and construction, the deformation has been controlled to a certain extent. 

(2)The rock bolts are all in tension, and the depth of max. tension point is two to three meters from 

the tunnel wall, which shows the bolt length is reasonable. 

(3)The max.  surrounding rock pressure is 0.952 MPa , the max. lining pressure is 0.663 MPa, and 

the support pressure of arch is larger than of wall. The max. lateral pressure coefficient is 1.563, the 

min is 0.842. The max. of the shared ratio of secondary lining is 44.2%, the min is 28.2%. The lining 

bears partial loading. 

(4)The max. of the stress of the steel liner plate is 282.90 MPa, and the max. of shotcrete stress is 

18.43 MPa, and the max. of lining stress is 13.30 MPa. None of these data exceeds limit strength of 

their material.  

(5)The  monitoring  data  in  main  fault  zone  is  larger  than  in  influencing  fault  zone,  and  the 

monitoring data in most phyllite region is larger than in most slate region. Therefore, different support 

parameters should be adopted in different region according to measure data. 

(6)In large-deformation tunnel region, the construction time of secondary lining should be rectified 

according to the measure deformation. 

In conclusion, after modification of design and construction, tunnel deformation has been controlled 

to a certain extent, and the structures of support and lining are stable. The measure has provided the 

scientific basis of the modification of support parameter and the construction time of secondary lining, 

and has offered calculation parameters. The results have given the basis data for subsequent research, 

and  have  accumulated  experience  of  design  and  construction  of  very  long  tunnel  on  complicated 

geostress condition. 

 

 

REFERENCES 

 

He  Manchao,  Jing  Haihe  and  Sun  Xiaoming,  2002.  “Research  progress  of  soft  rock  engineering 

geomechanics in China coal mine”. Journal of Engineering Geology, China, 8(1), pp. 46~62. 

Li  Xiaohong,  2002.  “The  NATM  of  Tunnel  and  Monitoring  Technology”,  Beijing:  Science  Press, 

China. 

Jiang Shuping and Zhao Yang, 2004. “Study on monitoring and Back Analysis ofr road tunnel with 

Complex  Geology.  Chinese  Journal  of  Rock  Mechanics  and  Engineering”  23(20),  pp.  3460-

3464. 

Jing Shiting, Zhu Yongquan and Song Yuxiang, 2002. “Tunnel structure reliability”. Beijing: China 

Railway Publishing House, China. 

Professional Standard Compilation Group of People’s Republic of China, 2001. “Code for design of 

railway tunnel”(TB 10204-2002). Beijing: China Railway Publishing House, China. 

Professional  Standard  Compilation  Group  of  People’s  Republic  of  China,  2001.  “Code  for 

construction on tunnel of railway”(TB 10003-2001). Beijing: China Railway Publishing House, 

China. 

Yang  Huijun,  Hu  Chunlin  and  Chen,  Wenwu,  2004.  “Information  Construction  of  the  Tunnel  in  a 

Fault and Crush Zone”. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering” 23(22), pp. 3917-

3922.  

Zhang  Zhidao, 2003. “Discussion and  study on large deformationg of tunnel in squeezing  ground”, 

Modern Tunneling Technology, 40(2), China, pp. 5~12.