軟巖大變形.doc

軟 巖 大 變 形軟巖大變形問題從20世紀(jì)60年代就作為世界性難題被提了出來，在地下工程的建設(shè)過程中，軟巖問題一直是困擾工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的重大難題之一。特別是“九五”期間，我國(guó)10個(gè)能源建設(shè)基地有8個(gè)都相繼出現(xiàn)了軟巖問題，造成多對(duì)礦井的停產(chǎn)建設(shè)。每年有大量的隧洞在軟弱圍巖中開挖，隨著開挖深度的增加，軟巖問題愈趨嚴(yán)重，直接影響著工程安全以及人身安全。隨著人類工程活動(dòng)的不斷增強(qiáng)，軟巖隧洞系指塑性大變形工程巖體有關(guān)的巖體工程，而工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。工程軟巖的定義不僅重視軟巖的強(qiáng)度特征，而且強(qiáng)調(diào)軟巖所承受的工程力荷載的大小，強(qiáng)調(diào)從軟巖的強(qiáng)度和工程力荷載的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系中分析、把握軟巖的相對(duì)性實(shí)質(zhì)。1.軟巖大變形破壞特征軟巖隧洞的大變形破壞特征不僅受圍巖的力學(xué)性質(zhì)影響，而且受隧洞所處的地應(yīng)力環(huán)境和工程因素控制。我國(guó)許多煤礦在采深不大的情況下，坑道的變形破壞并不強(qiáng)烈，常規(guī)支護(hù)即可維護(hù)隧洞穩(wěn)定。加大采深后，這些煤礦坑道額穩(wěn)定性降低，變形破壞趨于強(qiáng)烈，常規(guī)支護(hù)難以維護(hù)坑道穩(wěn)定，因此，軟巖隧洞的變形破壞特征受多種因素控制。一般來說，軟巖隧洞的破壞具有以下特征：(1) 變形破壞方式多除一般隧洞中常見的變形破壞方式拱頂下沉、坍塌外，還有片幫和底鼓、底圍隆破，隧洞表現(xiàn)出強(qiáng)烈的整體收斂和破壞。變形破壞表現(xiàn)的形式既有結(jié)構(gòu)面控制，又有應(yīng)力控制型，尤以應(yīng)力控制型為主。(2) 變形量大拱頂下沉大于10cm，有的高達(dá)50cm，兩幫擠入在2080cm之間，底鼓非常強(qiáng)烈，在常規(guī)無仰拱支護(hù)的情況下，強(qiáng)烈的底鼓往往將整個(gè)隧洞封閉。(3) 變形速度高軟巖隧洞初期收斂速度可以達(dá)到3cm/d，即使施作了常規(guī)錨噴支護(hù)以后，軟巖隧洞的收斂速度依然很高，可達(dá)2cm/d，而且其變形收斂速度降低緩慢，因此，在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)其變形收斂就很大，多則一年，少則幾個(gè)月就將隧洞封閉。(4) 持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)由于軟巖具有強(qiáng)烈的流變性和低強(qiáng)度，因此，軟巖隧洞開挖以后，圍巖的應(yīng)力重分布持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，軟巖隧洞變形破壞持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，往往長(zhǎng)達(dá)12年。(5) 因位置而異在隧洞周邊不同部位，變形破壞程度不同，這反映了軟巖隧洞所處的地應(yīng)力強(qiáng)度因方向而異和軟巖具有強(qiáng)烈的各向異性。變形破壞在方向上的差異往往導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均，支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生巨大的彎矩，這對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是非常不利的。(6) 圍巖破壞范圍大由于軟巖隧洞中圍巖的強(qiáng)度與地應(yīng)力的比值很小，因此，軟巖隧洞圍巖的破壞范圍大，特別是當(dāng)支護(hù)不及時(shí)或不當(dāng)時(shí)，圍巖破壞區(qū)的范圍可達(dá)5倍的洞室半徑，甚至更大。一般的錨桿由于長(zhǎng)度不夠，往往不能伸入圍巖彈性區(qū)進(jìn)行錨固，這是許多軟巖隧洞錨噴支護(hù)失敗的根本原因。(7) 來壓快礦壓隨時(shí)間而增大，由于軟巖隧洞變形收斂速度高，在很短時(shí)間內(nèi)，圍巖即與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸，產(chǎn)生擠壓，因此，軟巖隧洞的來壓快。圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用后，圍巖的變形破壞并不立即停止，而是繼續(xù)下去，這是因?yàn)檐泿r具有流變性，在圍巖流變過程中，圍巖的強(qiáng)度降低。2.軟巖隧洞的研究?jī)?nèi)容及研究方法軟巖隧洞的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：(一) 軟巖隧洞的理論研究?jī)?nèi)容軟巖的概念體系、軟巖的基本特征與基本力學(xué)特征；方法上主要軟巖的工程分類；軟巖隧洞變形力學(xué)機(jī)制及轉(zhuǎn)化模擬；軟巖隧洞巖體的連續(xù)性概化；軟巖隧洞巖體強(qiáng)度的確定，軟巖隧洞支護(hù)原理及支護(hù)荷載的確定；關(guān)鍵部位耦合支護(hù)等。(二) 軟巖隧洞新技術(shù)、新設(shè)計(jì)方法包括軟巖隧洞的支護(hù)原則；軟巖隧洞支護(hù)非線性力學(xué)設(shè)計(jì)方法；剛?cè)嵝?RF)和剛隙柔層支護(hù)技術(shù)、錨網(wǎng)耦合支護(hù)技術(shù)、錨桿-錨網(wǎng)耦合支護(hù)技術(shù)及立體桁架支護(hù)技術(shù)等軟巖隧洞支護(hù)新設(shè)計(jì)及新技術(shù)體系的研究。(三) 軟巖隧洞支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究包括膨脹(S)型軟巖、節(jié)理化(J)型軟巖、高應(yīng)力(H)型軟巖以及復(fù)合型(HS、HJ、HJS)軟巖等六類軟巖隧洞支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究。在綜合分析已有研究資料的基礎(chǔ)上，以軟巖隧洞巖體力學(xué)為基礎(chǔ)，以軟巖的工程地質(zhì)特征及軟巖隧洞變形力學(xué)機(jī)制為切入點(diǎn)，從軟巖隧洞支護(hù)理論研究、軟巖隧洞設(shè)計(jì)研究和軟巖隧洞支護(hù)技術(shù)研究三個(gè)方面，全面系統(tǒng)的探求和建立適合軟巖隧洞支護(hù)理論體系。軟巖隧洞的研究方法如圖1所示。圖1 軟巖隧洞研究總體思路3.軟巖分類與分級(jí)及軟巖軟化程度分類(一) 軟巖分類與分級(jí)進(jìn)入軟巖狀態(tài)的隧洞，其軟巖種類是不同的，其強(qiáng)度特性、泥質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)面特點(diǎn)及其塑性變形特點(diǎn)差異很大。根據(jù)上述特征的差異及產(chǎn)生大變形的機(jī)理，軟巖可分為4大類，即膨脹型軟巖(也稱低強(qiáng)度軟巖)、高應(yīng)力型軟巖、節(jié)理化型軟巖和復(fù)合型軟巖，見表1。膨脹型軟巖(Swelling Soft Rock，簡(jiǎn)稱S型)，是指含有粘土高膨脹性礦物、在較低應(yīng)力水平(15)、中膨脹性軟巖(自由膨脹變形為1015)和弱膨脹性軟巖(自由膨脹變形2525MPa)條件下才發(fā)生顯著大變形的中高強(qiáng)度的工程巖體。這種軟巖的強(qiáng)度一般高于25MPa，其地質(zhì)特征是泥質(zhì)成分較少，但有一定含量，砂質(zhì)成分較多，如泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)砂巖等。他們的工程特點(diǎn)是，在深度不大時(shí)，表現(xiàn)為硬巖的變形特征，當(dāng)深度加大至一定深度以下，就表現(xiàn)為軟巖的變形特征了。其大變形的機(jī)理是處于高應(yīng)力水平時(shí)，巖石骨架中的基質(zhì)(粘土礦物)發(fā)生滑移和擴(kuò)容，此后再接著發(fā)生缺陷或裂紋的擴(kuò)容和滑移塑性變形。表2 高應(yīng)力軟巖分級(jí)高應(yīng)力軟巖應(yīng)力水平/MPa高應(yīng)力軟巖2550超高應(yīng)力軟巖5075極高應(yīng)力軟巖75根據(jù)高應(yīng)力類型不同，高應(yīng)力軟巖可細(xì)分為自重高應(yīng)力軟巖和構(gòu)造應(yīng)力軟巖。前者的特點(diǎn)是與深度有關(guān)，與方向無關(guān)；而后者的特點(diǎn)是與深度無關(guān)，而與方向有關(guān)。高應(yīng)力軟巖根據(jù)應(yīng)力水平分為三級(jí)，見表2。節(jié)理化軟巖(Jointed Soft Rock，簡(jiǎn)稱J型)，是指含泥質(zhì)成分很少(或幾乎不含)的巖體。這種軟巖發(fā)育了多組節(jié)理，其中巖塊的強(qiáng)度頗高，呈硬巖力學(xué)特征，但整個(gè)工程巖體在隧洞工程力的作用下則發(fā)生顯著的大變形，呈現(xiàn)出軟巖的特征，其大變形的機(jī)理是在工程力的作用下，結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移和擴(kuò)容變形。例如，我國(guó)許多煤層坑道，煤塊強(qiáng)度很高，節(jié)理發(fā)育良好，巖體強(qiáng)度較低，常發(fā)生顯著變形，特別是發(fā)生非線性、非光滑的變形。此類軟巖可根據(jù)節(jié)理化程度的不同，細(xì)分為鑲嵌節(jié)理化軟巖、碎裂節(jié)理化軟巖和散體節(jié)理化軟巖。根據(jù)結(jié)構(gòu)面組數(shù)和結(jié)構(gòu)面間距兩個(gè)指標(biāo)將其細(xì)分為3級(jí)，見表3。復(fù)合型軟巖是指上述3種軟巖類型的組合，即高應(yīng)力-膨脹性復(fù)合型軟巖，簡(jiǎn)稱HS型軟巖；高應(yīng)力-節(jié)理化復(fù)合型軟巖，簡(jiǎn)稱HJ型軟巖；高應(yīng)力-節(jié)理化-膨脹性復(fù)合型軟巖，簡(jiǎn)稱HJS型軟巖。表3 節(jié)理化軟巖的分級(jí)節(jié)理化軟巖節(jié)理組數(shù)單位面積節(jié)理數(shù)Js/(條/ m2)完整系數(shù)kv較破碎軟巖138150.550.35破碎軟巖315300.350.15極破碎軟巖無序3300.15(二) 軟巖軟化程度分類衡量軟巖軟化的程度是判別支護(hù)難易程度的關(guān)鍵。根據(jù)近期研究成果，利用軟化指數(shù)的概念可以科學(xué)合理地進(jìn)行軟巖軟化程度分類。軟化指數(shù)(fs)定義為軟巖的臨界荷載()與工程中的最大應(yīng)力()的比值，即：(1)軟化程度分類見表4。表4 軟化程度分類軟巖類型工程力學(xué)狀態(tài)隧洞支護(hù)建議非軟巖1彈性頂幫局部錨噴軟巖準(zhǔn)軟巖10.8局部彈性頂幫兩角錨噴一般軟巖0.80.5全斷面彈性全斷面錨網(wǎng)噴超軟巖0.50.3擴(kuò)容、膨脹為主的塑性全斷面錨網(wǎng)噴關(guān)鍵點(diǎn)錨桿極軟巖0.3擴(kuò)容、膨脹和高應(yīng)力擠出為主的塑性全斷面錨網(wǎng)噴關(guān)鍵點(diǎn)錨桿4.軟巖的力學(xué)特征 (一) 基本力學(xué)特征 軟巖有兩個(gè)基本力學(xué)特征：軟化臨界荷載和軟化臨界深度。他們揭示了軟巖的相對(duì)性本質(zhì)。軟巖的蠕變?cè)囼?yàn)表明，當(dāng)所施加的荷載小于某一荷載水平時(shí)，巖石處于穩(wěn)定變形狀態(tài)，蠕變曲線趨于某一變形值，隨時(shí)間延伸而不再變化；當(dāng)所施加的荷載大于某一荷載水平時(shí)，巖石呈現(xiàn)明顯的塑性變形加速現(xiàn)象，即產(chǎn)生不穩(wěn)定變形。著一荷載稱為軟巖的軟化臨界荷載，亦即能使巖石產(chǎn)生明顯變形的最小荷載。當(dāng)巖石種類一定時(shí)，其軟化臨界荷載是客觀存在的。當(dāng)巖石所受荷載水平低于軟化臨界荷載時(shí)，該巖石屬于硬巖范疇；當(dāng)巖石所受的荷載水平高于該巖石的軟化臨界荷載時(shí)，則該巖石表現(xiàn)出軟巖的大變形特性，此時(shí)的巖石被視為軟巖。與軟化臨界荷載相對(duì)應(yīng)，存在著軟化臨界深度。對(duì)特定地質(zhì)條件，軟化臨界深度也是一個(gè)客觀量。當(dāng)隧洞位置大于某一開挖深度時(shí)，圍巖產(chǎn)生明顯的塑性大變形、大地壓和難支護(hù)現(xiàn)象；但當(dāng)隧洞位置較淺，即小于某一深度時(shí)，大變形、大地壓現(xiàn)象明顯消失，這一臨界深度稱為巖石的軟化臨界深度。軟化臨界深度的地應(yīng)力水平大致相當(dāng)于軟化臨界荷載。軟化臨界荷載和軟化臨界深度可以相互推求，只要確定了一個(gè)，即可求出另一個(gè)，確定的方法有：蠕變實(shí)驗(yàn)法；經(jīng)驗(yàn)公式法；現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法。(二) 工程力學(xué)特征軟巖之所以能產(chǎn)生顯著大變形的原因，是因?yàn)樘卣?。一般來說，軟巖中的泥質(zhì)成分(粘土礦物)和結(jié)構(gòu)面控制了軟巖的工程力學(xué)軟巖具有可塑性、膨脹性、崩解性、分散性、流變性、觸變性和離子交換性。(1) 可塑性可塑性是指軟巖在工程力的作用下產(chǎn)生變形，去掉工程力之后這種變形不能恢復(fù)的性質(zhì)。低應(yīng)力軟巖、高應(yīng)力軟巖和節(jié)理化軟巖的可塑性機(jī)理不同，低應(yīng)力軟巖的可塑性是由軟巖中泥質(zhì)成分的親水性所引起的，而節(jié)理化軟巖是由所含的結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展、擴(kuò)容引起的，高應(yīng)力軟巖是泥質(zhì)成分的親水性和結(jié)構(gòu)面擴(kuò)容共同引起的。節(jié)理化軟巖的可塑性性變形是由于軟巖中的缺陷和結(jié)構(gòu)面擴(kuò)容引起的，與粘土礦物成分吸水軟化的機(jī)制沒有關(guān)系。(2) 膨脹性軟巖在力的作用下或在水的作用下體積增大的現(xiàn)象，成為軟巖的膨脹性。根據(jù)產(chǎn)生膨脹的機(jī)理，膨脹性可以分為內(nèi)部膨脹性、外部膨脹性和應(yīng)力擴(kuò)容膨脹性三種。內(nèi)部膨脹性是指水分子進(jìn)入晶胞層間而發(fā)生的膨脹；外部膨脹性是極化的水分子進(jìn)入顆粒與顆粒之間而產(chǎn)生的膨脹性；擴(kuò)容膨脹性是軟巖受力后其中的微裂隙擴(kuò)展、貫通而產(chǎn)生的體積膨脹現(xiàn)象，故亦稱為應(yīng)力擴(kuò)容膨脹性。如果說內(nèi)部膨脹性是指層間膨脹、外部膨脹是指顆粒間膨脹的話，擴(kuò)容膨脹則是集合體間隙或更大的微裂隙的受力擴(kuò)容，前兩者的間隙是原生的，后者主要是次生的；前兩者的膨脹機(jī)理是一種與水作用的物理化學(xué)機(jī)制，而后者則屬于力學(xué)機(jī)制，即應(yīng)力擴(kuò)容機(jī)制。實(shí)際工程中，軟巖的膨脹是綜合機(jī)制。但對(duì)于低應(yīng)力軟巖來說，以內(nèi)部膨脹和外部膨脹機(jī)制為主；對(duì)節(jié)理化軟巖來說，則以擴(kuò)容機(jī)制為主；對(duì)高應(yīng)力軟巖來說，可能諸種機(jī)制同時(shí)存在且均起重要作用。(3) 崩解性低應(yīng)力軟巖和高應(yīng)力軟巖、節(jié)理化軟巖的崩解機(jī)理是不同的。低應(yīng)力應(yīng)力軟巖的崩解性是軟巖中的粘性礦物集合體在水作用時(shí)膨脹應(yīng)力不均勻分布造成崩裂現(xiàn)象；高應(yīng)力軟巖和節(jié)理化軟巖的崩解性則主要表現(xiàn)為在隧洞工程力的作用下，由于裂隙發(fā)育的不均勻造成局部張應(yīng)力集中引起而引起的向空間崩裂、片幫的現(xiàn)象。當(dāng)然，高應(yīng)力軟巖也存在著遇水崩解的現(xiàn)象，但不是控制因素。(4) 流變性軟巖是一種流變材料，具有流變特性的材料的力學(xué)性狀和行為是流變學(xué)的研究范疇。流變性又稱粘性，是指物體受力變形過程與時(shí)間有關(guān)的變形性質(zhì)。軟巖的流變性包括彈性后效、流動(dòng)、結(jié)構(gòu)面的閉合和滑移變形，流動(dòng)又可分為粘性流動(dòng)和塑性流動(dòng)。彈性后效是一種延遲發(fā)生的彈性變形和彈性恢復(fù)，外力卸除后最終不留下永久變形；流動(dòng)是一種隨時(shí)間延續(xù)而發(fā)生的塑性變形(永久變形)，其中粘性流動(dòng)是指在微笑外力作用下發(fā)生的塑性變形(永久變形)，塑性流動(dòng)是指外力達(dá)到極限值后才開始發(fā)生的塑性變形；閉合和滑移是巖體中結(jié)構(gòu)面的壓縮變形和結(jié)構(gòu)面間的錯(cuò)動(dòng)，也屬塑性變形。軟巖的流變性主要體現(xiàn)在軟巖的蠕變性、松弛性和流動(dòng)極限的衰減性質(zhì)。蠕變性是指在恒定荷載作用下發(fā)生的流變性質(zhì)，用蠕變方程和蠕變曲線來表示。在較高的應(yīng)力水平下，蠕變曲線一般可分為三個(gè)階段：衰減階段，應(yīng)變速率由大逐漸減小，蠕變曲線上凸；等速蠕變，應(yīng)變速率近似為常數(shù)或?yàn)?，蠕變曲線近似為直線；加速蠕變，應(yīng)變速率逐漸增加，蠕變曲線下凹。并不是任何材料在任何應(yīng)力水平上都存在蠕變?nèi)A段。同一材料，在不同應(yīng)力水平上的蠕變階段表現(xiàn)不同。松弛性是指在恒定變形條件下，應(yīng)力隨時(shí)間延續(xù)而逐漸減小的性質(zhì)，用松弛方程和松弛曲線表示。松弛特性劃分為3種類型：立即松弛；完全松弛；不完全松弛。(5) 軟巖的易擾動(dòng)性軟巖的易擾動(dòng)性是指由于軟巖軟弱、裂隙發(fā)育、吸水膨脹等特性，導(dǎo)致軟巖抗外界環(huán)境擾動(dòng)的能力極差，對(duì)卸荷松動(dòng)、施工震動(dòng)、臨近隧洞施工擾動(dòng)極為敏感，而且具有吸濕膨脹軟化、暴露風(fēng)化的特點(diǎn)。5.軟巖變形力學(xué)機(jī)制及判別(一) 變形力學(xué)機(jī)制軟巖隧洞變形、破壞和失穩(wěn)是多方面的，但其根本原因是其復(fù)雜的變形力學(xué)機(jī)制。根據(jù)理論分析和大量的工程實(shí)踐，初步將軟巖的變形力學(xué)機(jī)制歸納為3大類，即物化膨脹型、應(yīng)力擴(kuò)容型和結(jié)構(gòu)變形型。各類中又依據(jù)引起變形的嚴(yán)重程度分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，共13亞類，如圖2所示。顯然，類機(jī)制與軟巖本身分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)特性有關(guān)，類機(jī)制與力源有關(guān)，類機(jī)制則與隧洞結(jié)構(gòu)與巖體結(jié)構(gòu)面的組合特性有關(guān)。這三類機(jī)制基本概括了軟巖大變形的主要?jiǎng)右颉?二) 變形力學(xué)機(jī)制的確定每種變形力學(xué)機(jī)制都有其獨(dú)特的特征型礦物、力學(xué)作用和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其軟巖隧洞的破壞特征也有所不同，如表5所示。通過野外工程地質(zhì)研究和室內(nèi)物化力學(xué)試驗(yàn)分析以及理論分析，可以正確地確定軟巖隧洞的變形力學(xué)機(jī)制類型。型變形力學(xué)機(jī)制主要依據(jù)其特征礦物和微隙發(fā)育情況進(jìn)行確定；型變形力學(xué)機(jī)制主要是根據(jù)受力特點(diǎn)及工程力的作用下隧洞的特征來確定；型變形力學(xué)機(jī)制主要是受結(jié)構(gòu)面影響而非對(duì)稱變形力學(xué)機(jī)制，要求首先鑒別結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)及其構(gòu)造體系歸屬，然后再根據(jù)其產(chǎn)狀與隧洞走向的相互交切關(guān)系來確定。圖2 軟巖隧洞變形力學(xué)機(jī)制及分類 軟巖隧洞的變形力學(xué)機(jī)制通常是三種以上變形力學(xué)機(jī)制的復(fù)合類型。例如，某隧洞周邊軟巖，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和近代力學(xué)研究，確定一定范圍內(nèi)的拱頂和仰拱巖層含有蒙脫石和伊/蒙混層礦物；隧洞變形嚴(yán)重程度與深度有關(guān)而破壞方向性不明顯。因此，確定該巖層的變形力學(xué)機(jī)制類型為AB復(fù)合型，簡(jiǎn)稱AB型。在拱頂和仰拱局部頁巖中，除了具備AB型特點(diǎn)外，弱層十分發(fā)育，并且弱層處常發(fā)育光滑剪切面，又依據(jù)其弱層產(chǎn)狀和隧洞走向關(guān)系，其變形力學(xué)機(jī)制類型為ABBA和ABBC型。表5 軟巖隧洞變形機(jī)制及破壞特點(diǎn)類型亞型控制性因素特征性軟巖隧洞破壞特點(diǎn)型A型分子吸水機(jī)制，晶胞之間可吸收無定量水分子，吸水能力強(qiáng)蒙脫石型圍巖暴露后，容易風(fēng)化、軟化、裂隙化，因而怕風(fēng)、怕水、怕震動(dòng)；型隧洞底鼓、擠幫、難支護(hù)，其嚴(yán)重程度從A、AB、B依次減弱；C型則看微隙發(fā)育程度AB型A&B決定于混層比伊/蒙混層型B型膠體吸水機(jī)制，晶胞之間不允許進(jìn)入水分子，粘粒表面形成水的吸附層高嶺石型C型微隙-毛細(xì)吸水機(jī)制微隙型型A型殘余構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力型變形破壞與方向有關(guān)，與深度無關(guān)B型自重應(yīng)力重力型與方向無關(guān)，與深度有關(guān)C型地下水水力型僅與地下水有掛D型工程開挖擾動(dòng)工程偏應(yīng)力型與設(shè)計(jì)有關(guān)，隧洞密集，巖柱偏小型A型斷層、斷裂帶斷層型塌方、冒頂B型微弱夾層弱層型超挖、平頂C型層理層理型規(guī)則鋸齒狀D型優(yōu)勢(shì)節(jié)理節(jié)理型不規(guī)則鋸齒狀E型隨機(jī)節(jié)理隨機(jī)節(jié)理型掉塊6.軟巖隧洞穩(wěn)定性控制 根據(jù)對(duì)軟巖的基本概念、力學(xué)屬性、分類及其變形力學(xué)機(jī)制的研究，可以發(fā)現(xiàn)軟巖隧洞之所以具有大變形、大地壓、難支護(hù)的特點(diǎn)，是因?yàn)檐泿r隧洞圍巖并非具有單一的變形力學(xué)機(jī)制，而是同時(shí)具有多種變形力學(xué)機(jī)制的“并發(fā)癥”和“綜合癥”-復(fù)合型變形機(jī)制，復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制是軟巖變形和破壞的根本原因。要想有效地進(jìn)行隧洞支護(hù)，單一地支護(hù)方法是難以奏效地，必須采取“對(duì)癥下藥”地復(fù)合這種“綜合癥”、“并發(fā)癥”特點(diǎn)的聯(lián)合支護(hù)方法。 (一) 軟巖隧洞支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)要對(duì)軟巖隧洞實(shí)施成功支護(hù)，須運(yùn)用三個(gè)技術(shù)關(guān)鍵： 正確地確定軟巖變形力學(xué)機(jī)制的復(fù)合型。 有效地將復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化為單一型。 合理地運(yùn)用復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制的轉(zhuǎn)化技術(shù)。不同的變形力學(xué)機(jī)制類型有不同的支護(hù)技術(shù)對(duì)策要點(diǎn)，而且軟巖隧洞類型的共性是具有“并發(fā)癥”和“綜合癥”的復(fù)合型。因此，支護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)策是有效地把復(fù)合型轉(zhuǎn)化為單一型。由于各軟巖“并發(fā)癥”的內(nèi)在變形力學(xué)機(jī)制不同，其轉(zhuǎn)化的對(duì)策有所不同，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化技術(shù)也不同。因此，要做好軟巖支護(hù)工作，除了正確地確定軟巖隧洞變形力學(xué)機(jī)制類型、有效地轉(zhuǎn)化復(fù)合型地變形力學(xué)機(jī)制之外，要十分注重并合理地運(yùn)用復(fù)合型向單一型轉(zhuǎn)化技術(shù)，即與軟巖變形過程中每個(gè)支護(hù)力學(xué)措施的支護(hù)順序、時(shí)間、效果密切相關(guān)，每個(gè)環(huán)節(jié)都將是十分考究，必須適應(yīng)其復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制的特點(diǎn)。只有這樣，才能保證做到“對(duì)癥下藥”，才能保證支護(hù)成功。(二) 軟巖隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)軟巖隧洞的變形破壞具有自身顯著的特點(diǎn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)只有適合軟巖隧洞的變形破壞特征，才能維護(hù)軟巖隧洞的穩(wěn)定。許多支護(hù)結(jié)構(gòu)在維護(hù)軟巖隧洞中失敗并不是因?yàn)樗鼈兊膹?qiáng)度低，而往往是因?yàn)樗鼈兊娜嵝蕴突虿粔颍谥ёo(hù)過程中不能做到邊支邊讓等，即支護(hù)結(jié)構(gòu)不適合軟巖隧洞的變形破壞特征。要維護(hù)軟巖隧洞的穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)必須具備以下特點(diǎn)：(1) 強(qiáng)柔性理論分析表明，在軟巖隧洞變形破壞初期，圍巖壓力隨軟巖隧洞變形收斂的增加而減小。因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有強(qiáng)烈的柔性。這樣，在支護(hù)過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)能允許圍巖大幅度收斂以降低支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的圍巖壓力。提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度的思路是行不通的，這是因?yàn)檐泿r隧洞的初期圍巖壓力太大，在這一階段阻止圍巖進(jìn)一步變形收斂必然要求支護(hù)結(jié)構(gòu)具有大剛度和高強(qiáng)度，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的造價(jià)太高。因此，這種支護(hù)設(shè)計(jì)思想正是被工程技術(shù)人員所擯棄。(2) 高可縮性軟巖隧洞變形收斂量大，只有軟巖隧洞變形收斂量達(dá)到一個(gè)較大值時(shí)，圍巖壓力才會(huì)有明顯的降低，降至支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠承受的范圍，這就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)有很高的可縮性。只有支護(hù)結(jié)構(gòu)的可縮性很大時(shí)，才能保證以較低強(qiáng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)即能維護(hù)軟巖隧洞的穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到降低支護(hù)成本的目的。(3) 邊支邊讓軟巖的力學(xué)試驗(yàn)證明，在無圍壓壓縮狀態(tài)下，軟巖表現(xiàn)出較強(qiáng)的彈脆性，軟巖破壞以后，強(qiáng)度有很大的降低，而當(dāng)圍壓比較大時(shí)，軟巖的塑性就明顯增強(qiáng)，軟巖屈服以后，強(qiáng)度降低不明顯。這說明，一定的圍壓能夠改善軟巖變形破壞過程，使軟巖在變形破壞的過程中強(qiáng)度不致有太大的降低。體現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，就是要求支護(hù)結(jié)構(gòu)在支護(hù)過程中自始至終都能給圍巖以支撐，提供一定的支撐力，使圍巖在變形破壞過程中強(qiáng)度不致有太大的降低，減小作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力。(4) 增阻性支護(hù)結(jié)構(gòu)必須具有增阻性，即具有支護(hù)抗力隨變形增大而增大的特性，特別是在軟巖隧洞變形破壞后期，支護(hù)結(jié)構(gòu)的增阻性應(yīng)更強(qiáng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度能夠迅速提高，以達(dá)到最終完全阻止圍巖變形破壞的目的。(5) 有限的可縮性軟巖隧洞在變形過程中，圍巖的破壞區(qū)不斷增大，當(dāng)圍巖破壞區(qū)擴(kuò)展到一定范圍時(shí)，圍巖壓力不再隨軟巖隧洞變形破壞而減小，而是增大。因此，此時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的可縮性也應(yīng)達(dá)到極限，這樣支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠及時(shí)阻止圍巖進(jìn)一步變形破壞。從保證隧洞斷面滿足工程使用上的要求角度出發(fā)，支護(hù)結(jié)構(gòu)也必須具有有限的可縮性。(6) 合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造由于地應(yīng)力和軟巖的力學(xué)性質(zhì)具有因方向而異的特點(diǎn)，軟巖隧洞的變形破壞強(qiáng)度也就因方向而異，這往往導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)承受不均的圍巖壓力，不均的圍巖壓力在常規(guī)支護(hù)結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生很大的彎矩。很多構(gòu)件特別是混凝土構(gòu)件的抗彎能力很低，在彎矩作用下極易造成破壞，但它們的抗壓性能卻很好。因此，在設(shè)計(jì)軟巖隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，使支護(hù)結(jié)構(gòu)在不均的圍巖壓力作用下不會(huì)產(chǎn)生很大的彎矩，以充分利用構(gòu)件抗壓性能大大優(yōu)于抗拉性能的特性。(7) 施工方便性軟巖隧洞的尺寸一般不大，空間有限，大規(guī)模的機(jī)械設(shè)備難以展開，這就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸、質(zhì)量必須適當(dāng)，施工方便，以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工速度，降低造價(jià)。(8) 經(jīng)濟(jì)性在設(shè)計(jì)軟巖隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，不但要考慮技術(shù)上的可行性，而且要考慮經(jīng)濟(jì)上合理，只有把兩者緊密結(jié)合起來的支護(hù)結(jié)構(gòu)才具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。(三) 軟巖隧洞支護(hù)原則從理論上闡述軟巖隧洞支護(hù)原則十分重要，軟巖隧洞支護(hù)原則可以概括為四條：“對(duì)癥下藥”原則；過程原則；塑性圈原則；優(yōu)化原則。(1) “對(duì)癥下藥”原則軟巖隧洞支護(hù)要“對(duì)癥下藥”，沒有“包治百病”的支護(hù)方法。軟巖多種多樣，即使宏觀地質(zhì)特點(diǎn)類似的軟巖，微觀上也千差萬別，構(gòu)成的軟巖的復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制類型亦多種多樣。不同的力學(xué)變形機(jī)制，軟巖隧洞的變形和破壞情況不同，對(duì)應(yīng)的支護(hù)策略也不同。只有正確地確定軟巖的變形力學(xué)機(jī)制，找出造成軟巖隧洞變形破壞的“病因”，才能通過“對(duì)癥下藥”支護(hù)措施，達(dá)到軟巖隧洞支護(hù)的穩(wěn)定。(2) 過程原則軟巖隧洞支護(hù)是一個(gè)過程，不可能一蹴而就。究其本質(zhì)原因，軟巖隧洞的變形與破壞是具有復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制的“綜合癥”和“并發(fā)癥”，要對(duì)軟巖隧洞穩(wěn)定性實(shí)行有效控制，必須有一個(gè)從“復(fù)合型”向“單一型”的轉(zhuǎn)化過程。這一過程的完成是依靠一系列“對(duì)癥下藥”的支護(hù)措施來實(shí)現(xiàn)的。(3) 塑性區(qū)原則和硬巖隧洞支護(hù)的指導(dǎo)思想不同，軟巖隧洞支護(hù)必須允許出現(xiàn)塑性圈。硬巖隧洞支護(hù)是力求控制塑性區(qū)的產(chǎn)生，最大限度地發(fā)揮圍巖地自承能力；軟巖隧洞支護(hù)是力求有控制地產(chǎn)生一個(gè)合理厚度的塑性圈，最大限度地釋放圍巖應(yīng)變能。這是由軟巖的歷史、成巖環(huán)境、成分結(jié)構(gòu)及其巖石力學(xué)特性所決定的。對(duì)軟巖隧洞穩(wěn)定控制來講，塑性區(qū)的出現(xiàn)具有三個(gè)力學(xué)效應(yīng)： 大幅度地降低應(yīng)變能； 減少了切向應(yīng)力集中程度； 改善圍巖的承載能力。應(yīng)力集中區(qū)向深部便宜，而內(nèi)部圍巖處于三向受力狀態(tài)，承載能力較強(qiáng)。塑性區(qū)不能任意自由地出現(xiàn)，必須從兩個(gè)方面加以控制： 控制變形速率。變形速率越慢，圍巖在保持原有強(qiáng)度的前提下，允許變形量越大，釋放的應(yīng)變能越大； 控制差異性變形。如圍巖地層中軟弱夾層的發(fā)育有普遍性，軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面具有差異性變形的特點(diǎn)，必須加以控制，才能出現(xiàn)均勻的塑性圈，使支護(hù)承受均勻荷載。(4) 優(yōu)化原則一個(gè)優(yōu)化的軟巖隧洞支護(hù)，要同時(shí)滿足三個(gè)條件：能充分地釋放圍巖應(yīng)變能；能充分地保護(hù)圍巖的力學(xué)強(qiáng)度；使支護(hù)造價(jià)小且工程穩(wěn)定性好。這個(gè)過程目前已可用計(jì)算機(jī)CAM(自動(dòng)監(jiān)控分析)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。上述四個(gè)原則互為印證，相輔相成，構(gòu)成了軟巖隧洞工程穩(wěn)定性控制原則。7.軟巖隧洞穩(wěn)定性控制技術(shù)(一) 剛?cè)釋?RFL)支護(hù)技術(shù)(1) 剛?cè)釋?RFL)支護(hù)技術(shù)及其力學(xué)原理預(yù)留剛?cè)釋?Rigid-Flexibal-Layer)支護(hù)技術(shù)，從力學(xué)概念上講就是利用高應(yīng)力軟巖的特點(diǎn)，在支護(hù)體內(nèi)設(shè)置一種剛?cè)釋樱蛊浼染哂凶銐虻娜舛葋磉m應(yīng)高應(yīng)力軟巖的大變形，以轉(zhuǎn)化高應(yīng)力，又在一定的時(shí)刻具有足夠的剛度來限制高應(yīng)力軟巖的破壞變形，從而使支護(hù)既安全又經(jīng)濟(jì)的一種方法。預(yù)留剛?cè)釋又ёo(hù)技術(shù)的工作原理如圖3所示。開挖隧洞時(shí)，首先在隧洞的周邊預(yù)留一定范圍的變形層，并在一定剛度的支護(hù)作用下形成剛?cè)釋樱缓罅繙y(cè)剛?cè)釋油鈧?cè)(隧洞設(shè)計(jì)尺寸輪廓)的變形，待到時(shí)刻以后變形穩(wěn)定時(shí)，去掉柔性層并完成永久支護(hù)。圖3 預(yù)留剛?cè)釋又ёo(hù)技術(shù)的工作原理 (2) 剛?cè)釋?RFL)支護(hù)技術(shù)特點(diǎn)及適用范圍預(yù)留剛?cè)釋又ёo(hù)技術(shù)是在蒙脫石軟巖隧洞應(yīng)用錨噴支護(hù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。對(duì)于軟巖隧道，應(yīng)用錨噴支護(hù)存在三大難點(diǎn)： 軟巖具有容易風(fēng)化、軟化、裂隙化的特點(diǎn)，因而怕風(fēng)、怕水、怕震動(dòng)。錨噴支護(hù)迎合了這種特點(diǎn)，因而回彈率較高，對(duì)蒙脫石型軟巖隧洞，回彈率高達(dá)5060，而且噴粘困難；不適應(yīng)軟巖的大變形。噴層變形能力較小，而軟巖隧洞膨脹變形速度快，最終變形量大，噴層往往不能適應(yīng)而破壞； 支護(hù)剛度不匹配。隧洞圍巖的變形能必須釋放，因此要求支護(hù)體的剛度要與圍巖相匹配，方能奏效。支護(hù)剛度大了，圍巖膨脹能量釋放不出來，支護(hù) 體系就被破壞；支護(hù)剛度小了，不能限制圍巖產(chǎn)生過量變形。另一方面，巖石一般多呈層狀，噴層的材料不可能成層，因此錨噴支護(hù)與圍巖剛度很難匹配，支護(hù)效果不好。因此，要成功進(jìn)行軟巖隧洞支護(hù)，必須克服上述三大困難，以滿足下述條件： 利用軟巖的特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，變短為長(zhǎng)； 支護(hù)體系要有足夠的肉度，以適應(yīng)軟巖的大變形，同時(shí)在一定的時(shí)機(jī)又具有足夠的剛度來限制軟巖產(chǎn)生的過量變形； 支護(hù)體的剛度與圍巖的剛度要達(dá)到基本匹配或完全匹配，以滿足釋放圍巖變形能的需要。預(yù)留剛?cè)釋又ёo(hù)技術(shù)完全滿足了上述條件，在廣西那龍煤礦二號(hào)井蒙脫石軟巖巷道支護(hù)中取得了較好的支護(hù)效果。預(yù)留剛?cè)釋又ёo(hù)技術(shù)特別適用于A、AB型軟巖或B、IC、ABIC型軟巖隧洞，特別是對(duì)于具有大變形、大地壓、難支護(hù)的蒙脫石型軟巖隧洞的支護(hù)，效果尤佳。(二) 剛隙柔層(RGFL)支護(hù)技術(shù)(1) 剛隙柔層(RGFL)支護(hù)技術(shù)及其力學(xué)原理預(yù)留剛隙柔層(Rigid-Gap-Flexible-Layer)支護(hù)技術(shù)的力學(xué)概念是在支護(hù)體內(nèi)設(shè)置剛性層和柔性層，在剛性層和柔性層之間預(yù)留一定量的間隙，使其能夠大幅度地吸收高應(yīng)力軟巖的大變形。這樣就形成了所謂的剛隙柔層，它具有充分的柔度和間隙以適應(yīng)高應(yīng)力軟巖的大變形，同時(shí)又在一定的時(shí)刻(間隙壓密、剛?cè)釋酉嘟訒r(shí))具有充分的剛度以限制圍巖的有害變形，從而使之成為高應(yīng)力轉(zhuǎn)化最大、圍巖強(qiáng)度保護(hù)最好的一種支護(hù)技術(shù)。預(yù)留剛隙柔層支護(hù)技術(shù)的工作原理是在柔性噴層和鋼架之間預(yù)留一定量的空隙，允許圍巖變形釋放能量，待柔性噴層與剛架接觸時(shí)，再噴混凝土永久支護(hù)，故其毛斷面要大于設(shè)計(jì)斷面。預(yù)留剛隙柔層支護(hù)技術(shù)的工作原理如圖4。圖4 預(yù)留剛隙柔層支護(hù)技術(shù)的工作原理 (2) 剛隙柔層(RGFL)支護(hù)技術(shù)的適用范圍預(yù)留剛隙柔層支護(hù)技術(shù)的適用范圍：除了A、部分AB、BC、ABIC型軟巖隧洞之外，其他類型基本都可以采用該項(xiàng)技術(shù)，對(duì)于可用噴上混凝土的軟巖隧洞，均可以采用該技術(shù)。 (三) 超前錨桿支護(hù)技術(shù)在節(jié)理發(fā)育、破碎巖體的隧洞施工中，超前錨桿支護(hù)時(shí)一種新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，其目的時(shí)對(duì)開挖面前方的圍巖進(jìn)行預(yù)先加固補(bǔ)強(qiáng)，以防止圍巖在開挖后坍塌。國(guó)內(nèi)外已有不少應(yīng)用超前錨桿預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)順利通過松散、破碎帶或土砂質(zhì)地層的成功例證。超前錨桿與隧洞圍巖相互作用，通過借助錨桿下方完整巖體，對(duì)錨桿上方的巖體起到向上支承的作用，從而防止上方巖體冒落，對(duì)于錨桿群，在推進(jìn)方向上，由于各錨桿之間的相互作用，各錨桿之間的作用范圍相互疊加，在推進(jìn)方向上形成支承拱，并隨隧洞向前推進(jìn)而隨之推進(jìn)，從而使超前錨桿群形成一個(gè)整體，增加了整個(gè)超前錨桿群對(duì)隧洞圍巖的支承能力。選擇何種長(zhǎng)度、直徑的超前錨桿，采用多大的布設(shè)角度，要根據(jù)隧洞圍巖的具體強(qiáng)度以及破碎程度來確定。一般來講，對(duì)于強(qiáng)度比較低、破碎程度較大的巖體，應(yīng)選擇長(zhǎng)度較長(zhǎng)、直徑較大的超前錨桿，同時(shí)布設(shè)角度也應(yīng)相對(duì)較小，這才能充分與隧洞圍巖內(nèi)部完整巖體相互作用，形成較強(qiáng)的支承能力。(四) 錨桿與圍巖耦合支護(hù)技術(shù)錨桿對(duì)巖體的加固作用機(jī)理比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)為：錨桿與巖體粘結(jié)在一起，提高了巖體的整體強(qiáng)度，增強(qiáng)了巖體的抗變形能力，加強(qiáng)了巖體的完整性；由于錨桿的抗拉作用，當(dāng)錨桿穿越破碎巖層深入穩(wěn)定巖層時(shí)，對(duì)不穩(wěn)定巖層起著懸吊作用；對(duì)于層狀巖體，由于錨桿的作用，對(duì)巖層離層的產(chǎn)生有著一定的阻礙作