軟弱圍巖松動(dòng)圈形成和發(fā)展對(duì)支護(hù)變形的作用分析

趙鵬宇 王龍 申連平

摘要：目前，對(duì)于軟弱圍巖大變形特性機(jī)理的理論認(rèn)識(shí)還不夠完整，在眾研究者中尚未達(dá)成共識(shí)。本文以軟弱圍巖松動(dòng)圈的形成和發(fā)展為理論出發(fā)點(diǎn)，并結(jié)合之前相關(guān)研究者所得到的部分結(jié)論進(jìn)行軟巖變形機(jī)理分析，以期為軟巖變形理論的發(fā)展及軟巖隧道施工提供一定的思路和參考。

關(guān)鍵詞：隧道工程 軟弱圍巖 松動(dòng)圈 變形

軟弱圍巖具有大變形、難支護(hù)的工程性質(zhì)已為廣大隧道建設(shè)人員所了解，但是對(duì)于其變形特性機(jī)理的理論認(rèn)識(shí)還不夠完整，在眾多研究者中尚未達(dá)成共識(shí)，比如姚國圣等提出巖體擴(kuò)容和塑性軟化對(duì)軟巖變形的影響；陳宗基提出的應(yīng)力釋放對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響；張社榮等提出圍巖隨開挖面的推進(jìn)形成三維應(yīng)力旋轉(zhuǎn)而造成圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改變，引起圍巖變形等，這些結(jié)論在某一點(diǎn)上都很好地解釋了軟巖的變形特性，然而卻沒有很好地進(jìn)行串聯(lián)，以形成一套比較完整的分析理論。所以，本文從松動(dòng)圈的形成和發(fā)展出發(fā)，并結(jié)合之前研究者所提出的部分相關(guān)結(jié)論，對(duì)軟弱圍巖大變形機(jī)理進(jìn)行相對(duì)比較完整的分析。

1.軟弱圍巖的定義

目前，關(guān)于軟弱圍巖的定義主要從兩個(gè)角度出發(fā)，即圍巖的物理性質(zhì)和圍巖所處的應(yīng)力狀態(tài)及相應(yīng)的變形特征，分別得到地質(zhì)軟巖定義和工程軟巖定義。

地質(zhì)軟巖：單軸飽和抗壓強(qiáng)度低于30Mpa的巖石，結(jié)構(gòu)面發(fā)育、強(qiáng)度低、膠結(jié)度較差、常含有泥質(zhì)礦物或者膨脹性礦物，遇水易軟化。

工程軟巖：指在工程力的作用下會(huì)發(fā)生顯著塑性變形的巖體。即不管巖體的強(qiáng)度有多大，在其所處的圍巖應(yīng)力狀態(tài)下，將發(fā)生顯著的塑性變形的巖體即稱為軟巖。在隧道施工領(lǐng)域，目前普遍采用該軟巖定義。

2.松動(dòng)圈的形成和發(fā)展與支護(hù)變形的關(guān)系

2.1松動(dòng)圈的定義

松動(dòng)圈指隧道開挖后，首先因?yàn)殚_挖擾動(dòng)而形成的一定破裂范圍，而后因?yàn)閲鷰r的受力狀態(tài)發(fā)生改變，由三向受力變?yōu)榻频亩蚴芰顟B(tài)，巖體抗壓強(qiáng)度發(fā)生明顯的下降。當(dāng)此時(shí)圍巖所受的應(yīng)力小于下降后的巖體強(qiáng)度，則圍巖能夠自穩(wěn)，相反圍巖將發(fā)生破裂，且破裂區(qū)由開挖面周邊開始向圍巖深處發(fā)展，直至某處其三向應(yīng)力狀態(tài)重新達(dá)到平衡，因而形成一個(gè)圓環(huán)形的塑性破裂帶。

在松動(dòng)圈內(nèi)巖體破碎，裂隙中充滿水、空氣等介質(zhì)，而界面以外的巖體比較完整，一般多為塑性軟化變形和彈性變形，物性差異較大。

2.2松動(dòng)圈的最初形成

松動(dòng)圈的形成最直觀的理解是由于隧道的開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，造成圍巖最原始的破裂、松動(dòng)。此時(shí)圍巖松動(dòng)圈的范圍主要取決于圍巖的物理性質(zhì)，包括圍巖強(qiáng)度、膠結(jié)程度以及結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度等等，還有掌子面的開挖方法。

還有一個(gè)原因，即隧道開挖后，圍巖應(yīng)力釋放所造成的圍巖松動(dòng)、解體。在未擾動(dòng)之前，圍巖在初始地應(yīng)力的作用下，處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，且內(nèi)部積蓄有因外力對(duì)其做功而形成的一定的勢(shì)能uε。由于開挖引起的巨大擾動(dòng)，該平衡被打破，而且在開挖面附近，圍巖由三向受力變?yōu)榻频亩蚴芰顟B(tài)（未進(jìn)行支護(hù)之前），一部分約束力被解除，積蓄在圍巖內(nèi)部的勢(shì)能將會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)得到釋放，而圍巖將會(huì)沿約束力最小的方向，即臨空面方向，發(fā)生膨脹。因?yàn)閹r體中各巖石單元的力學(xué)性質(zhì)各有差異，如其彈性模量等，所以不可避免地將形成各自不同大小的膨脹量，從而形成圍巖的松動(dòng)破壞。

所以綜上所述，松動(dòng)圈的形成范圍是以上兩者相互疊加的結(jié)果，其所形成的圍巖壓力屬于松動(dòng)圍巖壓力，對(duì)軟巖隧道大變形的影響較小。

2.3松動(dòng)圈的發(fā)展與支護(hù)變形的關(guān)系

在完成隧道支護(hù)后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)將進(jìn)行重新調(diào)整，且隨著掌子面的向前推進(jìn)而不斷變化，不僅包括圍巖的應(yīng)力大小，而且包括應(yīng)力方向的改變，就如張社榮提出的隨著隧道的向前推進(jìn)，圍巖主應(yīng)力方向發(fā)生三維旋轉(zhuǎn)。

如果調(diào)整后的應(yīng)力狀態(tài)的偏應(yīng)力σd（在三軸試驗(yàn)中σd=σ1-σ3）大于擴(kuò)容閥值f﹡時(shí)將產(chǎn)生不穩(wěn)定的擴(kuò)容變形，使已有的裂紋進(jìn)一步張開、連通，并伴有新裂紋的產(chǎn)生，使圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步降低，出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，而使巖體在圍巖應(yīng)力作用下發(fā)生體積膨脹，并形成相應(yīng)的碎脹力，構(gòu)成圍巖壓力的一部分。當(dāng)圍巖壓力增長至支護(hù)屈服強(qiáng)度時(shí)，將形成支護(hù)的變形，而支護(hù)的變形又將導(dǎo)致內(nèi)部圍巖應(yīng)力的釋放，使得原本塑性區(qū)與破裂區(qū)交界面上的接觸應(yīng)力減小，相當(dāng)于在此處又形成了一個(gè)相對(duì)薄弱面，使得在塑性區(qū)一定范圍內(nèi)圍巖又發(fā)生應(yīng)力釋放以及應(yīng)力重分布而發(fā)生破裂，從而導(dǎo)致松動(dòng)圈向圍巖深部發(fā)展，進(jìn)而形成新的圍巖壓力以及相應(yīng)的支護(hù)變形。如此反復(fù)，直至松動(dòng)圈深度達(dá)到某一位置時(shí)，其在支護(hù)反力作用下，三向應(yīng)力狀態(tài)恰好能達(dá)到平衡，不再出現(xiàn)不穩(wěn)定擴(kuò)容。

所以，目前很多學(xué)者認(rèn)為，軟弱圍巖支護(hù)的最大載荷是松動(dòng)圈發(fā)展過程中所形成的碎脹力。碎脹力是支護(hù)的主要對(duì)象，是造成軟弱圍巖支護(hù)大變形的最主要的圍巖壓力。

3.結(jié)語

軟弱圍巖大變形最直接的原因?yàn)閲鷰r的不穩(wěn)定，而根本原因在于松動(dòng)圈的不穩(wěn)定發(fā)展，造成巨大的圍巖擴(kuò)容膨脹，以及相應(yīng)的碎脹力，所以必須將控制松動(dòng)圈的形成和發(fā)展作為軟巖隧道施工的重中之重，重點(diǎn)把關(guān)。具體施工中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）做好超前支護(hù)，在開挖時(shí)提前做好支護(hù)工作，以減小松動(dòng)圈的形成范圍，同時(shí)，在開挖時(shí)，盡量注意減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

（2）提高注漿質(zhì)量，利用注漿提高圍巖的強(qiáng)度，相應(yīng)地提高圍巖擴(kuò)容閥值f*，降低圍巖受力后的塑性軟化，同時(shí)利用漿液填補(bǔ)巖體中因擴(kuò)容膨脹而產(chǎn)生的裂隙，避免地下水進(jìn)入，造成圍巖遇水軟化。

（3）合理選擇支護(hù)參數(shù)，以充分調(diào)動(dòng)圍巖變形釋放的能量，并能最大程度的發(fā)揮圍巖的自承能力。

以上只是一部分理論定性的分析，還有很多實(shí)際問題目前還無法解決，比如如何利用松動(dòng)圈范圍的測(cè)定，進(jìn)而較為準(zhǔn)確的估算包含碎脹力在內(nèi)的圍巖壓力，從而選擇合理的支護(hù)參數(shù)，方便施工。

參考文獻(xiàn)：

[1]何滿朝，景海河，孫曉明，編著.軟巖工程力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2002-05.

[2]張社榮，梁禮繪.考慮三維應(yīng)力旋轉(zhuǎn)的隧道襯砌支護(hù)時(shí)機(jī)研究[J].2006.

[3]姚國圣，李鏡培，谷栓成.考慮巖體擴(kuò)容和塑性軟化的軟巖巷道變形解析[J]. 2007.

[4]沈明榮.巖體力學(xué)[M].同濟(jì)大學(xué)出版社，2000.