李寧軍：軟巖速度技術(shù)

1、軟巖黃土隧道技術(shù)1第一節(jié)軟巖的概念1、軟巖的定義：1）地質(zhì)軟巖定義：具有軟弱（強(qiáng)度低）、松散（孔隙度大、膠結(jié)程度差）、破碎（受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著）、膨脹性（含有大量膨脹性粘土礦物）巖體的總稱。2）工程軟巖定義：在工程力（重力、構(gòu)造應(yīng)力、膨脹應(yīng)力、工程擾動(dòng)力、水作用力，支護(hù)力）作用下，產(chǎn)生顯著的塑性變形和流變的工程巖體（圍巖）。22、軟巖分類 根據(jù)巖體自然特征、物理化學(xué)特性、在工程力作用下產(chǎn)生顯著變形的機(jī)理分類的主要依據(jù)。 1）低強(qiáng)度軟巖：結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)程度差、巖石單軸抗壓強(qiáng)度低于25MPa，在低應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。 2）膨脹性軟巖：含有較多蒙脫石、伊利石、高嶺石等粘土質(zhì)

2、礦物成分，親水后產(chǎn)生顯著膨脹變形的工程體。 3）高應(yīng)力軟巖：在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。 4）節(jié)理化軟巖：因節(jié)理、層理、裂隙發(fā)育，在工程力作用下產(chǎn)生顯著滑移、擴(kuò)容的塑性變形的巖體。3 5）復(fù)合型軟巖：具有以上情況2種以上組合的巖體。3、軟巖的綜合分級(jí)級(jí)別飽和抗壓強(qiáng)度MPa干燥飽和吸水率%完整系數(shù)kv軟化深度系數(shù)較軟巖1525200.550.351.01.3軟巖51520500.350.151.32.0極軟巖5500.152.044、軟巖的工程特性軟巖有別于硬巖而獨(dú)具的特性：1）可塑性結(jié)構(gòu)疏松、粘土礦物親水性強(qiáng)，在工程力和水的作用下礦物分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使巖石具有極大的可塑性，強(qiáng)度

3、急劇降低。2）膨脹性有分子膨脹、膠體膨脹和應(yīng)力擴(kuò)容等三種形式，多為復(fù)合型膨脹。3）流變性受力變形過(guò)程與時(shí)間密切相關(guān)。4）易擾動(dòng)性對(duì)施工震動(dòng)、暴露風(fēng)化、吸水膨脹、軟化泥化、卸荷松動(dòng)等影響極為敏感。55、軟巖坑道變形的主要特點(diǎn)：1）呈現(xiàn)蠕變變形三階段的規(guī)律。初期來(lái)壓快，變形量大，不加控制會(huì)發(fā)生坍塌；剛性支護(hù)不能適應(yīng)大變形，將很快被壓壞，要在控制下允許變形；變形后期仍以一定速度流變，需有足夠的支承能力。2）多表現(xiàn)為環(huán)向受壓，且為非對(duì)稱。如對(duì)底板不加控制，強(qiáng)烈底鼓引發(fā)兩幫破壞、頂板坍落。3）變形隨埋深增加而增大。超過(guò)臨界深度支護(hù)難度明顯增大。64）軟巖失水和吸水均造成坑道強(qiáng)烈變形破壞。失水軟巖發(fā)生縱橫

4、裂隙，剝落破壞；再吸水迅速膨脹變形或泥化破壞。7第二節(jié)軟巖的基本力學(xué)屬性1、軟化臨界荷載軟巖蠕變?cè)囼?yàn)表明：當(dāng)荷載小于某一水平時(shí)，巖石處于穩(wěn)定變形狀態(tài)，蠕變曲線趨某一變形值，不再隨時(shí)間變化。當(dāng)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，即不穩(wěn)定變形。稱為軟巖的軟化臨界荷載。2、軟化臨界荷載的確定1）通過(guò)巖石蠕變力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)定出巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度，大致相當(dāng)于軟化臨界荷載。2）經(jīng)驗(yàn)系數(shù)乘k以巖石單軸抗壓強(qiáng)度。膨脹軟巖k=0.30.5;高應(yīng)力軟巖k=0.50.7;節(jié)理化軟巖k=0.40.883、軟巖的軟化路徑巖石在工程力的作用下進(jìn)入軟巖狀態(tài)的途徑：1）初始軟化型坑道開(kāi)挖之初，巖石軟化臨界荷載小

5、于圍巖應(yīng)力，持續(xù)變形不止。2）強(qiáng)度降低型坑道開(kāi)挖一段時(shí)間后，圍巖應(yīng)力為常量，圍巖的軟化臨界荷載不斷降低（風(fēng)化、裂隙化），某時(shí)坑道持續(xù)變形。3）應(yīng)力增長(zhǎng)型坑道持續(xù)開(kāi)挖，圍巖應(yīng)力不斷增加，超過(guò)保持不變的軟化臨界荷載，某時(shí)坑道持續(xù)變形不止。94）強(qiáng)度降低與應(yīng)力增長(zhǎng)復(fù)合型隨坑道不斷開(kāi)挖，圍巖應(yīng)力不斷增加，圍巖的軟化臨界荷載不斷降低，某時(shí)坑道持續(xù)變形。4、軟巖三軸抗壓特性在相同圍壓下：砂巖類變形量小，軸向破壞荷載高。泥巖和沙質(zhì)頁(yè)巖變形量大，軸向破壞荷載小，表現(xiàn)出塑性變形破壞的特征。10泥巖應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線11沙質(zhì)頁(yè)巖應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線12粉砂巖應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線135、軟巖的流變性是指軟巖受力變形過(guò)程

6、與時(shí)間有關(guān)的變形性質(zhì)。包括彈性后效（延遲發(fā)生的彈性變形）、流動(dòng)（隨時(shí)間延續(xù)而發(fā)生得塑性變形）、結(jié)構(gòu)面閉合和滑移變形（結(jié)構(gòu)面的壓縮和錯(cuò)動(dòng)變形，屬塑性變形）。 軟巖坑道表現(xiàn)出的力學(xué)現(xiàn)象，圍巖應(yīng)力、變形、破壞等幾乎都與時(shí)間有關(guān)。以往應(yīng)用彈性力學(xué)和彈塑性力學(xué)求出的坑道變形和應(yīng)力都是瞬間發(fā)生的，是量測(cè)不到、無(wú)法阻止的。量測(cè)到的和支護(hù)加以阻擋的都是流變產(chǎn)生的變形和應(yīng)力。14軟巖的流變性主要表現(xiàn)在軟巖的：1）蠕變性在恒定荷載作用下發(fā)生的流變性質(zhì)。蠕變的應(yīng)力是常量，流變的應(yīng)力可以是變量。蠕變曲線三階段： 階段衰減蠕變，應(yīng)變速率由大逐漸減小，蠕變曲線上凸。 階段等速蠕變，應(yīng)變速率近似為常數(shù)或?yàn)榱悖渥兦€近似為

7、直線。 階段加速蠕變，應(yīng)變速率逐漸增加，蠕變曲線下凹。1516 同一材料，在不同應(yīng)力水平上的蠕變表現(xiàn)不同，可分為三種類型： 穩(wěn)定蠕變?cè)诘蛻?yīng)力水平下，只有蠕變階段和階段（且為水平線），永遠(yuǎn)不出現(xiàn)階段那種變形迅速增大而導(dǎo)致破壞形象。 亞穩(wěn)定蠕變?cè)谥械葢?yīng)力水平下，只有蠕變階段和階段（為稍有上升的斜直線），在相當(dāng)長(zhǎng)的期限內(nèi)不致出現(xiàn)階段。 不穩(wěn)定蠕變?cè)诒容^高得應(yīng)力水平下，連續(xù)出現(xiàn)蠕變、階段，變形在后期迅速增長(zhǎng)而導(dǎo)致破壞。1718 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，可以得到隧道的蠕變曲線。但應(yīng)注意： （1）無(wú)支護(hù)坑道的圍巖變形曲線屬于蠕變曲線。因坑道圍巖內(nèi)側(cè)壓力為零，外側(cè)壓力為原始地應(yīng)力始終不變，故圍巖變形曲線符合蠕變條件。

8、 （2）有支護(hù)隧道的圍巖變形曲線屬于流變曲線。支護(hù)反力隨圍巖擠壓不斷增長(zhǎng)，圍巖受到的內(nèi)壓隨時(shí)間變化，圍巖變形曲線應(yīng)視為流變曲線。192）松弛性在恒定變形條件下，應(yīng)力隨時(shí)間延續(xù)而逐漸減小的性質(zhì)。可劃分4種類型： （1）立即松弛，變形保持恒定后，應(yīng)力立即消失。 （2）完全松弛，變形保持恒定后，應(yīng)力逐漸消失。 （3）不完全松弛，變形保持恒定后，應(yīng)力逐漸松弛趨于某一定值。 （4）不松弛，變形保持恒定后，應(yīng)力始終不變。20松弛曲線21第三節(jié)軟巖隧道穩(wěn)定控制技術(shù) 長(zhǎng)期以來(lái)，軟巖隧道穩(wěn)定性研究一直是從支護(hù)類型入手，常常事與愿違。 應(yīng)從工程地質(zhì)分析及軟巖分類入手，弄清其變形力學(xué)機(jī)制，運(yùn)用支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)施有效

9、的轉(zhuǎn)化，才能取得成功的支護(hù)效果。1、軟巖坑道變形機(jī)制分類 型物化膨脹型 型應(yīng)力擴(kuò)容型 型結(jié)構(gòu)變形型22類型亞型控制性因素特征型坑道破壞特點(diǎn)型A型分子吸水，吸水能力強(qiáng)蒙脫石型圍巖暴露后，易風(fēng)化、軟化、裂隙化。怕風(fēng)、怕水、怕震動(dòng)?？拥赖坠?、擠幫、難支護(hù)，嚴(yán)重程度依次減弱。AB型取決于混層比伊/蒙混合型B型膠體吸水，粘顆粒表面形成水的吸附層高嶺石型C型微隙毛細(xì)吸水微隙型23類型亞類控制性因素特征型坑道破壞特點(diǎn)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)B型自重應(yīng)力重力型變形破壞與深度有關(guān)C型地下水水力型變形破壞與地下水有關(guān)D型臨近工程開(kāi)挖擾動(dòng)工程偏應(yīng)力型與設(shè)計(jì)有關(guān)24類型亞類控制性因素特征型坑道破

10、壞特點(diǎn)型 A型斷層、斷裂帶斷層型塌方、冒頂 B型軟弱夾層弱層型超挖、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)理型掉快252、軟巖支護(hù)技術(shù)關(guān)鍵 1）軟巖坑道據(jù)有大變形、大地壓、難支護(hù)的特點(diǎn)，原因是同時(shí)具有多種變形力學(xué)機(jī)制，即復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制。故單一的支護(hù)方式（措施）難以湊效。2）關(guān)鍵技術(shù)之一，正確確定軟巖變形機(jī)制的復(fù)合型式。3）關(guān)鍵技術(shù)之二，有效的將復(fù)合型變形機(jī)制轉(zhuǎn)化為單一型。4）關(guān)鍵技術(shù)之三，合理運(yùn)用復(fù)合型變形機(jī)制的轉(zhuǎn)化技術(shù)。順序、時(shí)間、效果密切相關(guān)。26A分子吸水膨脹型B重力型D工程偏應(yīng)力型B弱層型A斷層型A分子吸水膨脹型B重力型B弱層型A斷層型B

11、重力型B弱層型A斷層型B重力型27第四節(jié)軟巖坑道支護(hù)時(shí)機(jī)1、軟巖坑道支護(hù)原理表達(dá)為： P支=P地-P放-P自P支工程支護(hù)力。P地地層使圍巖向臨空面位移的合力，包括重力、水作用力、膨脹力、構(gòu)造應(yīng)力、工程偏力。P放以變形的形式轉(zhuǎn)化的工程力，對(duì)軟巖主要是塑性能以變形的方式釋放。P自圍巖自承力，由圍巖本身強(qiáng)度分擔(dān)。282、最佳支護(hù)時(shí)機(jī)要使P支最小，則應(yīng)使P放、P自同時(shí)達(dá)到最大。Ts為最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。293、最佳支護(hù)時(shí)段工程上很難按最佳支護(hù)時(shí)間施工，提出最佳支護(hù)時(shí)段。只要在 Ts1 , Ts2時(shí)段內(nèi)永久支護(hù)就能達(dá)到P放、P自同時(shí)最大的目的。30第五節(jié)軟巖隧道圍巖承載機(jī)理1、軟巖時(shí)段彈塑性狀態(tài)模型。泥巖應(yīng)力

12、應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線312、坑道圍巖承載結(jié)構(gòu)1）對(duì)地層壓力有支承作用的：（1）塑性硬化圈處于峰前變形階段，巖體出現(xiàn)一些小規(guī)模、未貫通的裂隙，具有大的承載能力。稱為峰前承載拱。（2）塑性軟化圈處于峰后變形階段，巖體出現(xiàn)許多、貫通的裂隙，巖體強(qiáng)度已經(jīng)損失一部分，但還有一定的承載作用，如不及時(shí)支護(hù)巖體損傷繼續(xù)發(fā)展。稱為峰后承載拱。這兩部分統(tǒng)稱原生承載拱。322）實(shí)施支護(hù)的對(duì)象：（1）塑性軟化圈通過(guò)對(duì)其施加徑向支護(hù)力，增加圍壓，促使形成穩(wěn)定的原生承載拱。（2）塑性流動(dòng)區(qū)通過(guò)對(duì)其施加徑向支護(hù)力，增加圍壓，促使形成穩(wěn)定的原生承載拱和松動(dòng)巖體不垮塌。3、軟巖隧道支護(hù)力求有控制地產(chǎn)生一個(gè)合理厚度的塑性圈。塑性圈出現(xiàn)

13、具有3個(gè)力學(xué)效應(yīng)：1）大幅度降低變形能；332）減少切向應(yīng)力集中程度；3）改善圍壓的承載狀態(tài)。塑性圈從2方面加以控制：1）控制變形速率。變形速率越慢，圍壓在保持原有強(qiáng)度的前提下，允許變形量越大，釋放的變形能越大。2）控制差異性變形?？刂凭植砍霈F(xiàn)的異常變形，才能出現(xiàn)均勻的塑性圈，使支護(hù)承受均勻荷載。34第六節(jié)軟巖隧道耦合支護(hù)1、軟巖支護(hù)相互作用不耦合，而導(dǎo)致坑道局部失穩(wěn)：1）圍巖非均勻的荷載作用在等強(qiáng)的支護(hù)體上，形成局部過(guò)載破壞，導(dǎo)致支護(hù)體失穩(wěn)。2）支護(hù)體剛度小于圍巖剛度，圍巖產(chǎn)生的過(guò)量變形得不到限制，將其承擔(dān)的荷載傳遞到支護(hù)體，形成過(guò)載破壞。3）支護(hù)體剛度大于圍壓剛度，圍巖膨脹性能量不能轉(zhuǎn)化為

14、變形能釋放，施加在支護(hù)體，形成過(guò)載破壞。353637382、局部損壞部位耦合支護(hù)的時(shí)間局部損壞初期，支護(hù)體多產(chǎn)生鱗狀剝落；再后伴隨片狀剝落；出現(xiàn)塊狀崩落和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。最佳支護(hù)時(shí)段為鱗、片狀剝落的高應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間。3、鋼架混凝土設(shè)計(jì)不耦合：1）鋼架強(qiáng)度高，混凝土強(qiáng)度低，強(qiáng)度不匹配，導(dǎo)致混凝土破壞。2）鋼架剛度低，混凝土結(jié)構(gòu)剛度高，剛度不匹配，鋼架變形失穩(wěn)。39第七節(jié)淺埋軟巖隧道地表沉降1、地表下沉現(xiàn)象 淺埋隧道開(kāi)挖，難以形成承載拱，圍巖松動(dòng)、下沉?xí)边_(dá)地表； 隨隧道掘進(jìn)，地表形成盆狀地表下沉。圍巖的剪切變形，產(chǎn)生下沉槽坡度增大，會(huì)發(fā)生地表開(kāi)裂； 地表下沉急劇增大、開(kāi)裂，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)掌子面不穩(wěn)定現(xiàn)象。4041軟巖下斷面開(kāi)挖時(shí)，掌子面前方不能成拱42地表沉降等值曲線43第八節(jié)黃土隧道擴(kuò)建1、地層概況： 隧道洞體埋深為045m，洞室圍巖以含砂礫石的老黃土為主，部分地段為黃土和砂礫石互層