公路隧道軟巖非線性力學(xué)變形特征及優(yōu)化控制支護探討

紀(jì)紅亮

（中鐵十五局集團第六工程有限公司，河南 洛陽 471013）

前言

軟巖是介于硬巖和土體之間的一種特殊工程介質(zhì)，軟巖在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形。軟巖可分為狹義的軟巖和廣義的軟弱巖石。在我國工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)和巖土工程勘察規(guī)范中，將飽和單軸抗壓強度Rc<30MPa的巖類稱為軟質(zhì)巖，并將小于5MPa的巖類稱為極軟巖。國際工程地質(zhì)學(xué)會把軟巖定義為1.5MPa

軟巖是由軟弱結(jié)構(gòu)體和軟弱結(jié)構(gòu)面組成的巖體，這種結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面具有它自身的地質(zhì)特征、物質(zhì)特征、物理力學(xué)性質(zhì)及工程地質(zhì)力學(xué)特性。軟巖物質(zhì)組成和巖體結(jié)構(gòu)因素決定了軟巖具有強度低、變形大、流動變形顯著的巖石力學(xué)特征。軟巖的環(huán)境因素力學(xué)效應(yīng)明顯，如圍壓效應(yīng)、水作用效應(yīng)、干濕交替效應(yīng)、水巖化學(xué)相互作用效應(yīng)等。研究軟巖應(yīng)以地質(zhì)為基礎(chǔ)，從微觀-細(xì)觀-宏觀不同尺度上去分析軟巖的再變形、再破壞的巖體力學(xué)特征，揭示軟巖的巖體力學(xué)作用規(guī)律，從而為軟巖工程的控制支護設(shè)計提供依據(jù)和基礎(chǔ)[1-4]。

1 軟巖的工程力學(xué)特征

1.1 軟巖的工程力學(xué)特性

軟巖中泥質(zhì)礦物成分和結(jié)構(gòu)面決定了軟巖的力學(xué)特性，顯示出可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性特點[5-7]。

1.1.1 可塑性

軟巖在工程力作用下，常產(chǎn)生不可逆變形的性質(zhì)，稱為可塑性。膨脹性軟巖的可塑性是由于軟巖受力后片架狀結(jié)構(gòu)的泥質(zhì)礦物發(fā)生滑移或泥質(zhì)礦物親水性引起的。節(jié)理化軟巖是由于結(jié)構(gòu)面滑動和擴容引起的，高應(yīng)力軟巖大多是上述兩種原因共同引起。

1.1.2 膨脹性

軟巖的膨脹性質(zhì)是在物理、化學(xué)、力學(xué)等因素的作用下，產(chǎn)生體積變形的現(xiàn)象，其膨脹機理有：內(nèi)部膨脹、外部膨脹和應(yīng)力擴容膨脹三種。工程中的軟巖膨脹為復(fù)合膨脹形式。

1.1.3 崩解性

軟巖的崩解性是指軟巖在物理、化學(xué)、力學(xué)等因素作用下，產(chǎn)生片狀解體。膨脹性軟巖崩解主要是粘土礦物集合體在水作用下，膨脹應(yīng)力不均勻造成的崩裂。節(jié)理化軟巖的崩解則是在工程力的作用下，由于裂隙發(fā)育不均勻造成局部張力引起的崩裂。高應(yīng)力軟巖則有可能多種崩解機制同時存在。

1.1.4 流變性

軟巖的流變性是指軟巖受力變形過程中與時間有關(guān)，包括塑性流動、粘性流動、結(jié)構(gòu)面閉合和滑移變形。膨脹性軟巖主要是泥質(zhì)礦物發(fā)生粘性流動，在工程力作用下，達(dá)到一定極限后，開始塑性變形；節(jié)理化軟巖流變性主要指結(jié)構(gòu)面的擴容和滑移；高應(yīng)力軟巖流變性多為諸形式的不同組合。巖石變形在應(yīng)力狀態(tài)不變的情況下不斷增長，處于蠕變狀態(tài)；或在約束變形條件下，軟巖的強度隨時間變形而降低。

1.1.5 易擾性

軟巖的易擾性指由于軟巖軟弱裂隙發(fā)育，吸水膨脹等特性，導(dǎo)致軟巖抗外部環(huán)境擾動的能力極差。對卸荷松動、施工震動等極為敏感，而且具有吸濕膨脹軟化、暴露風(fēng)化的特點。

1.1.6 軟化臨界荷載和軟化臨界深度

軟巖的臨界荷載，對于給定的工程圍巖，均由彈性變形為主的工程狀態(tài)向以塑性變形為主的工程狀態(tài)轉(zhuǎn)化的臨界點（軟化突變點），與之相對應(yīng)的應(yīng)力水平稱為軟化臨界荷載。與軟化臨界荷載相對應(yīng)，巖石中存在著一個軟化臨界深度。

1.2 軟巖的軟化路徑特征

巖石在工程力的作用下進(jìn)入軟巖狀態(tài)的途徑，從理論上可分為四種類型，即初始軟化型、強度軟化型、應(yīng)力增長型、強度降低與應(yīng)力增加復(fù)合型[2-3]。

1.2.1 初始軟化型

在工程開挖之初（T=0），巖石軟化臨界荷載（σ0）小于圍巖應(yīng)力 σmax，硐室圍巖持續(xù)變形不止，表明巖石即進(jìn)入軟巖狀態(tài)。該種類型為初始軟化型，其狀態(tài)方程如下：

式中：

μ＝μe+μp+μq；

μ-總變形，mm；

μe-彈性變形，mm；

μp-與時間無關(guān)的塑性變形，mm；

μq-與時間有關(guān)的流變變形，mm。

1.2.2 強度軟化型

在工程開挖一段時間以后（T叟C），圍巖應(yīng)力為常量，圍巖的軟化臨界荷載由于風(fēng)化、裂隙化等影響不斷降低，使得fs<1，隧道圍巖持續(xù)變形。該種類型為強度軟化型，其軟化狀態(tài)方程如下：

1.2.3 應(yīng)力增長型

1.2.4 強度降低和應(yīng)力增長復(fù)合型

1.3 軟巖的變形力學(xué)過程及影響因素

軟巖失穩(wěn)是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，通常伴隨著變形的非均勻性、非線性和大位移等特點，是一個高度非線性科學(xué)問題。根據(jù)近年來有關(guān)巖石破壞、失穩(wěn)的分叉與混沌研究，軟巖失穩(wěn)是一種分叉混沌現(xiàn)象，當(dāng)荷載達(dá)到某臨界點時，巖土工程系統(tǒng)的力學(xué)平衡控制微分方程的解不唯一；超過該臨界點后，可能出現(xiàn)多種分叉和混沌解。其結(jié)果與邊界條件、初始缺陷、幾何條件以及應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)[8-9]。

如圖1示，軟巖的變形力學(xué)過程可分為三個階段，即體積壓縮的線性變形力學(xué)階段（OL段）、塑性擴容的突變力學(xué)階段（LP段）、體積膨脹的混沌力學(xué)階段（PC段）。第一階段與第二階段的分界點為體積應(yīng)變曲線的拐點L，第二階段與第三階段的分界點為體積應(yīng)變曲線與縱坐標(biāo)軸的交點P，L點稱為非線性分界點，P點稱為混沌分界點。變形力學(xué)過程是否存在混沌力學(xué)階段，是軟巖與線形力學(xué)介質(zhì)最顯著的區(qū)別。在工程實踐中，巖體變形的前兩個階段發(fā)展很快，在軟巖工程開挖的同時即已完成，從而軟巖工程的變形力學(xué)過程主要表現(xiàn)為混沌變形過程。軟巖工程的這一特點又使軟巖工程的變形力學(xué)過程表現(xiàn)出對工程力學(xué)條件的敏感依賴性等混沌力學(xué)特點，并使軟巖工程的變形破壞具有很大的隨機性，從而使軟巖工程的力學(xué)行為具有長期不可預(yù)測性。因此軟巖工程的變形力學(xué)過程是一個以混沌運動為主的力學(xué)過程，這是軟巖工程與硬巖工程的根本區(qū)別，也是軟巖工程難支護的主要原因。

軟巖的工程力學(xué)特性，對一些內(nèi)在和外在影響因素表現(xiàn)出異常的敏感性。比如，①礦物成分：礦物對軟巖性質(zhì)有較大的影響，并且表現(xiàn)出異常敏感，如軟巖中粘土礦物蒙脫石含量的不同對軟巖的膨脹性和吸水性影響很大；②含水量：軟巖的含水量對力學(xué)試驗結(jié)果也有較大影響，并且表現(xiàn)的異常敏感。含水量的微小變形對軟巖的剪切強度的影響將會很大；③圍壓：軟巖的力學(xué)性質(zhì)具有對圍壓的敏感依賴性。以圍壓對軟巖三軸壓縮試驗的影響為例。對同類軟巖，隨著圍壓增大，其變形破壞過程、峰值強度、殘余強度、破壞形式等變形力學(xué)性質(zhì)均有較大變化，試驗結(jié)果具有較大的分散性和隨機性，并且對圍巖的變化十分敏感。④加載過程：軟巖的變形力學(xué)性質(zhì)對加載過程（加載的時間、速率、大小、方式等）的變化也十分敏感。

2 軟巖工程的優(yōu)化控制支護設(shè)計技術(shù)

2.1 軟巖工程優(yōu)化控制支護設(shè)計

軟巖支護與硬巖支護不同，由于硬巖強度高，自穩(wěn)能力強，為充分利用硬巖的自承能力，進(jìn)行支護時一般不允許硬巖的變形力學(xué)過程發(fā)展至混沌變形階段；而軟巖則強度低，自穩(wěn)能力差，圍巖蘊含極大的變形能，其變形力學(xué)過程發(fā)展很快，一般在工程開挖完成的同時即進(jìn)入混沌變形階段。因此，軟巖支護應(yīng)在混沌變形階段進(jìn)行。進(jìn)行軟巖支護時，可利用軟巖工程在變形力學(xué)過程中所呈現(xiàn)出的不同軟化路徑特征、以及對工程力學(xué)條件的敏感依賴性特點，通過對軟巖工程力學(xué)條件（初始條件、邊界條件及作用過程）的調(diào)整與控制，消除或減小對圍巖穩(wěn)定不利的混沌力學(xué)效應(yīng)，控制軟巖工程變形力學(xué)過程的發(fā)展趨勢。確保其向有利于軟巖工程穩(wěn)定與安全的方向發(fā)展，從而達(dá)到軟巖支護的目的。

因此，對軟巖工程的控制支護優(yōu)化設(shè)計著重在如下三方面：①工程優(yōu)化設(shè)計：強調(diào)通過對工程力學(xué)初始條件、邊界條件、作用過程的優(yōu)化控制，消除對軟巖工程穩(wěn)定不利的混沌力學(xué)效應(yīng)，從而使由工程開挖而引起的工程應(yīng)力及作用于支護結(jié)構(gòu)上的工程應(yīng)力趨向最小，這是軟巖工程控制支護優(yōu)化的基礎(chǔ)和前提。②支護應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計：強調(diào)通過軟巖工程的大變形，釋放圍巖中積聚的巨大變形能，轉(zhuǎn)化圍巖承受的高應(yīng)力，充分利用圍巖的自承能力，從而減小作用于支護體上的工程應(yīng)力，這是軟巖工程控制支護優(yōu)化的關(guān)鍵。③支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計：強調(diào)通過支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，使其受力均勻、合理，從而充分發(fā)揮支護材料的承載能力，達(dá)到降低工程造價的目的，這是確保軟巖工程控制支護技術(shù)經(jīng)濟合理的重要環(huán)節(jié)。

2.2 軟巖優(yōu)化控制支護技術(shù)

軟巖工程的優(yōu)化控制支護技術(shù)可分為兩大類：①柔性控制支護技術(shù)：支護結(jié)構(gòu)主要是由錨桿、編織網(wǎng)、噴層等柔性支護構(gòu)件組成?？刂茩C理是在柔性支護體的作用下，圍巖產(chǎn)生控制的混沌變形，從而釋放圍巖變形能，轉(zhuǎn)化圍巖高應(yīng)力，最終控制工程巖體的變形。②剛?cè)峤Y(jié)合控制支護技術(shù)：支護結(jié)構(gòu)的組成有支架澆注砼、砌碴等剛性支護構(gòu)件；錨桿、編織網(wǎng)、噴層及預(yù)留空隙層，柔性充填物等柔性支護構(gòu)件?？刂茩C理是，在柔性支護體的作用下，圍巖產(chǎn)生有控制的混沌變形，從而釋放圍巖變形能，轉(zhuǎn)化圍巖高應(yīng)力，而當(dāng)圍巖變形發(fā)展到一定程度，剛性支護體開始發(fā)揮作用，從而達(dá)到最終控制工程巖體變形的目的。軟巖優(yōu)化控制支護方法見表1。

3 軟巖工程優(yōu)化控制支護實例

福建省某高速公路隧道斷面為圓拱曲墻型，底寬 10.25m，高 5.0m，全長 4075m，隧道穿越地層主要為全-強風(fēng)化花崗巖及全-強風(fēng)化凝灰熔巖（見圖2）。隧道工程破壞一般自洞周開始，首先出現(xiàn)的張性破壞，表現(xiàn)為冒頂、片幫，接著塑性破壞，洞周失穩(wěn)。通常隧道工程失穩(wěn)為拱頂冒落，其變形力學(xué)機制為重力機制；全-強風(fēng)化的花崗巖及全風(fēng)化、強風(fēng)化凝灰熔構(gòu)造帶遇水時，表現(xiàn)為水力機制。針對不同的地質(zhì)條件選擇不同的優(yōu)化控制支護對策。在全風(fēng)化的凝灰熔巖及全強風(fēng)化花崗巖構(gòu)造帶內(nèi)，支護對策為：預(yù)設(shè)超前管棚，對圍巖進(jìn)行預(yù)注漿，設(shè)臨時支護，開挖后噴射第一層混凝土，架設(shè)鋼支撐，并打設(shè)中空注漿錨桿，再進(jìn)行掛網(wǎng)噴射二次混凝土；在強風(fēng)化凝灰熔巖層內(nèi)，支護對策為：開挖后噴射第一層混凝土，架設(shè)鋼支撐，打設(shè)中空注漿錨桿，再進(jìn)行掛網(wǎng)噴射二次混凝土。

同時，在優(yōu)化控制支護過程中做到：①及時封閉開挖的圍巖表面，防止膨脹性礦物與地下水發(fā)生物化反應(yīng)；②隧道支護結(jié)構(gòu)以聯(lián)合支護為佳，具備讓壓、加固、強力的綜合能力，既能使軟巖膨脹壓力釋放，又能保護巖體強度，以保持圍巖穩(wěn)定性和充分發(fā)揮圍巖自承能力；③圍巖初步釋放能量后，支護體須以高阻力限制軟巖變形，并具有必要的卸壓通道；④支護設(shè)計優(yōu)化斷面參數(shù)，既預(yù)留變形空間和補強余地，又要避免斷面過大使膨脹性礦物的物化反應(yīng)向惡性發(fā)展；⑤重視對底板的加固及涌滲水的治理。

在隧洞掘進(jìn)過程中，通過采用以上優(yōu)化控制支護對策，取得了良好的支護效果，確保了施工期的隧道安全，同時臨時支護后的斷面在澆筑混凝土前符合設(shè)計要求。

4 結(jié)論

軟巖是一種具有非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性、大變形、各向異性和流變性特點的特殊力學(xué)介質(zhì)，軟巖的變形過程是一個高度非線性的混沌力學(xué)過程，其變形破壞和力學(xué)行為具有很大的隨機性和不可預(yù)測性；軟巖工程力學(xué)條件（初始條件、邊界條件及作用過程）對其工程力學(xué)特性的影響非常敏感；因此，對軟巖工程力學(xué)條件實施控制是達(dá)到優(yōu)化控制支護的有效途徑。

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