軟巖工程地質(zhì)力學研究進展

張紅義

（四川綿九高速公路有限責任公司，四川 成都 610041）

在當前，我國的高地應力軟巖隧道工程在施工過程中面臨很多的問題，其中變形是其面對的最大問題。隧道工程在施工過程中出現(xiàn)軟巖受理變形，使得軟巖支護出現(xiàn)破壞和開裂，嚴重會導致隧道塌方，形成不可逆的、難以修復的永久性支護破壞。與此同時，在軟巖隧道施工方法上，如果沒有采取科學、合理、恰當?shù)氖┕し绞?，那么不僅會造成軟巖隧道施工工程造價的不斷提高，同時也會大大的影響軟巖隧道工程的施工質(zhì)量和施工安全性。通過對軟巖工程地質(zhì)力學進行有效的研究，不斷結(jié)合軟巖隧道的施工現(xiàn)狀和具體情況來創(chuàng)新軟巖隧道的支護方法，有效的解決軟巖支護變形的問題，從而最大限度的提升軟巖隧道的施工效率和施工質(zhì)量。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)出一些新的技術(shù)或者理論來應對和解決軟巖隧道的支護問題，并取得了很大的成效，如聯(lián)合支護技術(shù)、松動圈技術(shù)、新奧法和大弧板理論或者技術(shù)等。但是由于工程軟巖具有很強的復雜性，軟巖隧道的支護原則、原理和對策、軟巖隧道變形力學的相關(guān)機制、軟巖隧道很難支護的問題及原因等缺乏全面且系統(tǒng)的把握和研究，這使得很多問題依然存在且亟待解決，這很容易導致在軟巖工程支護成功效率的降低，實踐過于盲目，導致存在嚴重的浪費資源的問題，不利于更好的提升軟巖隧道工程的支護效率和支護質(zhì)量。因此，本文主要對軟巖的概念及類型、軟巖的變形力學機制、軟巖的隧道支護相關(guān)內(nèi)容等進行深入的討論和研究，旨在更好的研究和把握軟巖隧道的支護問題，運用更加有效的技術(shù)方法來解決軟巖隧道的支護問題。

1 軟巖的概述

1.1 軟巖的概念及內(nèi)涵

軟巖是在一定的環(huán)境和條件下產(chǎn)生的一種塑性變形非常顯著的巖石力學介質(zhì)，其具內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有很強的復雜性。軟弱、松散的巖層與堅硬的巖層是相對的，其具有很低的自然強度，抗壓強度在20MPa 以下，且圍巖松動圈厚度1.5 米以上。軟巖的分類主要有兩種，一種是工程類軟巖，另一種是地質(zhì)類軟巖。工程類軟巖主要是指巖石受到了工程作用力的影響，是的巖石產(chǎn)生的塑性變形非常明顯的一種巖體工程，工程類軟巖主要強調(diào)的是巖石強度與工程荷載大小之間的對立統(tǒng)一關(guān)系，這樣能夠?qū)こ填愜泿r的實質(zhì)性進行更加全面的分析和把握。而地質(zhì)軟巖主要是指具有較大孔隙度、較低強度、較差膠結(jié)程度以及受構(gòu)造面切割和風化影響非常大的巖層，或者是含有大量膨脹性黏土礦物的弱、軟、松散的巖石，如泥質(zhì)礦巖、粉砂巖、頁巖、泥巖等等，這些都是地質(zhì)介質(zhì)都具有天然性和復雜性。依據(jù)軟巖的差異特性和塑性變形的顯著原理來給軟巖分類，可以分為復合型軟巖、節(jié)理化軟巖、高應力軟巖與膨脹性軟巖這四大類。其中高應力軟巖又有構(gòu)造力與自重應力之分。構(gòu)造應力軟巖與方向有關(guān)，與深度沒有關(guān)系；自重應力軟巖與深度有關(guān)系，而與方向沒有關(guān)系。

軟巖工程與地質(zhì)軟巖之間是存在著密切聯(lián)系的，當?shù)刭|(zhì)軟巖的強度顯著大于工程荷載強度時，地質(zhì)軟巖的塑性變形不會發(fā)生的那么明顯，因此，地質(zhì)軟巖不變成工程類軟巖。而如果地質(zhì)軟巖由于受到工程力的作用與影響，其產(chǎn)生的塑性變形非常明顯，這樣地質(zhì)軟巖就能夠轉(zhuǎn)變成工程軟巖。在高應力和大深度的作用下，一些地質(zhì)硬巖也會展示出一些非常顯著的變形特性，其也會被看做是工程軟巖。

1.2 軟巖工程的力學屬性

軟巖工程主要的研究對象就是軟巖工程，其多指邊坡、隧道和基坑開完擾動影響范圍內(nèi)的所有巖體，其包括結(jié)構(gòu)面、巖塊以及空間組合特性。軟巖工程的基本力學屬性主要有兩方面，一方面是軟化臨界荷載，另一方面是軟巖臨界深度，軟巖工程的基本力學屬性將軟巖的相對性實質(zhì)有效的揭示出來。軟化臨界荷載的基本力學屬性，經(jīng)過軟巖蠕變的試驗，當增加的荷載與某一荷載水平小時，巖石的變形狀態(tài)會趨于穩(wěn)定，入編的曲線值也會趨向某個變形值，且不會因為時間的增加或者延伸而產(chǎn)生任何變化。如果增加的荷載比某一荷載水平要大時，巖石的塑性變形就會變得非常顯著，塑性的速度也會提升，這會產(chǎn)生不穩(wěn)定性的巖石變形狀態(tài)，這就叫做軟巖的軟化臨界荷載，也是能夠使得巖石產(chǎn)生塑性變形非常顯著的最小荷載。當確定巖石種類時，其在客觀上存在軟化臨界荷載。而當巖石承受的荷載水平要比軟化的臨界荷載要低時，這類巖石屬于硬巖。

軟化臨界深度與軟化臨界荷載的存在處于相對狀態(tài)。當隧道的位置比某個開采深度要大時，圍巖就會產(chǎn)生非常大的塑性變形和明顯的大地壓現(xiàn)象，大大的增加了支護的難度。但是如果隧道的位置不深，其深度比某一深度要小，那么大地壓、大變形的現(xiàn)狀或者問題就會明顯消失，此時的臨界深度就會被叫做巖石軟化臨界深度。軟化臨界荷載與其深度的地應力水平基本持平。

1.3 膨脹性軟巖的相關(guān)概述

我國的膨脹性軟巖有古生代、中生代與新生代軟巖之分。由于地質(zhì)時期不同，軟巖的生成條件與環(huán)境也不盡相同，且軟巖的礦物質(zhì)含量、成分也存在很大的差別，其主要表現(xiàn)在水理性質(zhì)、力學性質(zhì)和化學性質(zhì)上。從水理性質(zhì)來方面來看，古生代軟巖不含蒙脫石，吸水量與吸水率都很低，其軟化性質(zhì)并不明顯，同時也沒有明顯的崩解性與膨脹性；中生代軟巖含有很少的蒙脫石，具有明顯的吸水性，巖塊的吸水率在10%-70%之間，膨脹性很強，吸水性很弱，且有很少的軟巖具有很低的吸水力和膨脹性。新生代軟巖含有大量的蒙脫石，具有很強的吸水量，巖塊的吸水率在20%-80%之間，具有非常顯著的吸水軟化性和膨脹性。從化學性質(zhì)上來分析，古生代軟巖的PH 值在5.4-10.1 之間，最小值為4.98，最大值為10.38，比表面積在20-100m2g-1之間，陽離子交換量在10-20meg.100g－1之間，最小為5.09meg.100g－1，最大為38.07meg.100g－1.中生代軟巖的PH 值在7.1-10.1 之間，最小值為6.82，最大值為10.18.比表面積在100-350m2g-1之間，最小為24.27m2g-1,最大值為717m2g-1.陽離子交換量在20-50m2g-1之間，最小值為8.13m2g-1，最大值為86.73m2g-1。新生代軟巖的PH 值在7.8-10 之間，最小值為4.4，最大值為10.02.比表面積在150-450m2g-1之間，最小為18.15m2g-1,最大值為555.4m2g-1.陽離子交換量在25-60m2g-1之間，最小值為7.02m2g-1，最大值為79.8m2g-1。從力學性質(zhì)方面來分析，古生代軟巖的抗壓強度在24-40MPa 之間，抗壓強度在1-2MPa 之間，長期強度或者瞬時強度在40-70MPa 之間，彈性模量較大，泊松比較小。而中生代軟巖的抗壓強度在15-30MPa 之間，抗壓強度在0.4-1MPa 之間，長期強度/瞬時強度在30-60MPa 之間，彈性模量很低，泊松比很大。新生代軟巖的抗壓強度在10MPa以下，抗壓強度在0.5MPa 以內(nèi)，長期強度或者瞬時強度在10-40MPa 之間，彈性模量很低，泊松比較大。

2 研究工程軟巖地質(zhì)力學的變形機制

在軟巖工程中，隧道支護是比較常見的軟巖工程。而在支護軟巖隧道時，很多人不清楚工程軟巖地質(zhì)力學的變形機制，因此，在支護軟巖隧道方面存在很大的盲目性和局限性。由于地質(zhì)環(huán)境不同、地質(zhì)力學不同、不同類工程軟巖的變形機制也是不盡相同的。與此同時，軟巖隧道圍巖的變形力學機制不是一成不變的，也不是單一的，其會受到很多力學作用和影響而發(fā)生變形，其地質(zhì)力學機制是復合型的。復合型的軟巖隧道在支護上會存在很大的困難，且具有大地壓、大變形的特性。軟巖工程的地質(zhì)力學機制并不是單一且固定的，其每種變形力學機制都具有特殊的結(jié)構(gòu)、力學作用、特征型礦物等特點，且軟巖隧道還具有不同的破壞特征?；诖耍瑸榱四軌蛱嵘泿r隧道支護的效果和質(zhì)量，如果運用單一的支護方法或者手段是很難取得很好的效果的，我們必須要結(jié)合軟巖工程的地質(zhì)力學的特殊性來“對癥下藥”,運用綜合、聯(lián)合的支護方法來進行軟巖隧道的支護，提升軟巖隧道的支護質(zhì)量。

首先，確定軟巖變形力學機制。經(jīng)過廣大專家、地質(zhì)人員的反復實踐，基本能夠?qū)泿r工程的變形力學機制的種類進行合理、有效的確定，其主要分為三個類型。第一類主要是結(jié)合軟巖隧道的微隙發(fā)育的具體狀況與其特征礦物來確定的變形力學機制。第二類主要是根據(jù)軟巖隧道在工程力作用下的特征或者受力特點來確定軟巖隧道的變形力學機制。第三類主要是先明確軟巖隧道結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)、構(gòu)造體系、隧道走向以及軟巖隧道的產(chǎn)狀，以此來確定受結(jié)構(gòu)面影響的非對稱變形力學機制。

其次，合理轉(zhuǎn)化復合型變形力學機制。在轉(zhuǎn)化復合型力學機制之前，要先對變形力學機制的復合性進行全面的了解，其主要是由三種或者三種以上的變形力學復合而成的一種軟巖隧道變形力學機制。復合型變形力學機制也不是一成不變的，同時也存在很多類型的復合型地質(zhì)力學機制，在進行不同類型地質(zhì)力學支護時，要結(jié)合每個類型的復合地質(zhì)力學機制來選擇不同的支護對策或者技術(shù)，推動復合型地質(zhì)力學機制逐漸向單一型的地質(zhì)力學方向轉(zhuǎn)變，從而更好地實現(xiàn)支護目標，提升支護的成功率。

最后，科學、合理、有效的運用復合轉(zhuǎn)化技術(shù)。為了能夠更好地支護軟巖隧道，不僅要對軟巖隧道的變形力學機制分類進行有效的確定，轉(zhuǎn)化復合型變形力學機制，同時也要運用合理、科學、有效的方法或者技術(shù)來推動復合型變形力學機制轉(zhuǎn)化成單一型的力學變形機制。在軟巖隧道形成的過程當中，支護順序、支護時間與每個支護力學的效果有著非常密切的聯(lián)系，且每個環(huán)節(jié)都是值得深入研究和討論的。因此，為了能夠更好地提升支護軟巖隧道的成功效率，對復合地質(zhì)力學的特性進行全面的了解與掌握，并結(jié)合復合型力學變形機制的特點來對提出更加切實可行的支護對策，實施有效的支護策略和措施，最大化的保證軟巖隧道支護效果，提升軟巖隧道支護的成功率。

3 軟巖隧道的支護理論研究

經(jīng)過大量的實踐經(jīng)驗表明，新開或者翻修的軟巖隧道都有一個循序漸進破壞的力學過程，其是從軟巖隧道的一個或者幾個部位開始發(fā)生損傷、變形和破壞，使得整個支護體失去了穩(wěn)定性，而這些隧道圍巖與支護相互作用的工程力學破壞部位，我們通常叫其為關(guān)鍵部位。而軟巖隧道的關(guān)鍵部位由于受到不協(xié)調(diào)的非線性力學，耗費了大量的能量，其具有非常復雜的機理和支護原理。與此同時，在開挖隧道的過程中，由于巖體自身的天然平衡應力狀態(tài)遭到了嚴重的破壞，使得隧道周圍巖體的負荷應力與回彈出現(xiàn)重新分布，而這種重新分布的應力與回彈分布的盈利均超過了隧道圍巖所能承受的負荷，從而使得隧道巖體的穩(wěn)定性遭到破壞。軟巖隧道一般在施工過程中會存在較大的安全隱患，會出現(xiàn)較大的變形，具有較低的承載力，周圍巖石具有很大的不穩(wěn)定行，同時具有較大的變形速率、較長的收斂時間，很難有效的控制其變形，使得軟巖隧道的病害愈發(fā)嚴重，大大的增加了軟巖隧道的施工資本，不利于軟巖隧道的更好建設和運營。

通過對軟巖隧道特點和支護現(xiàn)狀的分析，在支護軟巖隧道時，要充分發(fā)揮和利用自身的承載能力，重視適度泄壓與剛性支護的有效結(jié)合，強化加固、卸壓與支護的相互結(jié)合與運用，從而促進軟巖隧道工程支護效果和質(zhì)量的有效提高。

4 研究支護軟巖隧道的原理和時間

在支護原理方面，軟巖隧道與硬巖隧道是完全不同的，二者之間的支護差異主要是由于二者的本質(zhì)構(gòu)成關(guān)系不同。當進行硬巖隧道的支護工程時，硬巖隧道的狀態(tài)是堅決不允許進入塑性變形狀態(tài)的，如果硬巖隧道進入塑性變形的狀態(tài)，那么其會完全的喪失其應有的荷載能力，使得硬巖隧道的作用得不到真正的發(fā)揮。但是軟巖隧道與硬巖隧道不同，軟巖隧道本身處于塑性變形狀態(tài)，且為了能夠達到軟巖隧道的良好支護效果，軟巖隧道的塑性性能必須要以不同的形式來完全的釋出來，以此來發(fā)揮出支護軟巖隧道的作用和價值。

經(jīng)過巖石力學工程實踐與理論可知，在開挖隧道之后，隧道圍巖會出現(xiàn)很大的變形，且變形的程度會隨著隧道圍巖的范圍的變化而變化。隧道圍巖變形的程度依據(jù)變形的速度來劃分，可分為減速變形階段、恒速變形階段與加速變形階段。在加速變形階段，讓軟巖隧道的自身巖體結(jié)構(gòu)會發(fā)生很大的改變，會有新的裂紋產(chǎn)生，降低了軟巖隧道的強度，不利于軟巖隧道的更好地支護。為了能夠更好地解決這個問題，建立最佳支護時間的概念，確定最佳支護時間是非常有必要的。由于開挖軟巖隧道會破壞軟巖隧道原有的天然應力，圍巖的應力會出現(xiàn)重新分布，增加了切向應力，減小了徑向應力，這種變化會導致圍巖出現(xiàn)變形，巖體產(chǎn)生裂隙，惡化了力學性質(zhì)。因此，為了能夠更好地提升軟巖隧道的支護質(zhì)量，我們必須要掌握好最佳支護時間的力學，將塑性區(qū)的承載能力最大新都的發(fā)揮出來，保障軟巖隧道的支護效果。

5 結(jié)束語

綜上所述，目前，軟巖工程地質(zhì)力學受到多種因素的作用和影響，通過對軟巖概況、軟巖工程地質(zhì)變形力學的機制、軟巖工程的力學屬性、軟巖隧道的支護理論、軟巖隧道的支護原理及支護時間等的有效研究和討論，深入且全面的分析和掌握軟巖工程地質(zhì)力學的現(xiàn)狀和特點，設計高效的軟巖隧道支護方案，實施更加切實可行的軟巖隧道支護技術(shù)或者策略，提升軟巖隧道的支護效果。