软岩大变形

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1、软岩大变形软岩大变形问题从 20世纪 60 年代就作为世界性难题被提了出来，在地下工 程的建设过程中，软岩问题一直是困扰工程建设和运营的重大难题之一。特别是 “九五”期间，我国 10 个能源建设基地有 8 个都相继出现了软岩问题，造成多 对矿井的停产建设。每年有大量的隧洞在软弱围岩中开挖，随着开挖深度的增加， 软岩问题愈趋严重，直接影响着工程安全以及人身安全。随着人类工程活动的不 断增强，软岩隧洞系指塑性大变形工程岩体有关的岩体工程，而工程软岩是指在工程 力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。工程软岩的定义不仅重视软岩的强度 特征，而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小，强调从软岩的强度和工程力

2、荷 载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。1. 软岩大变形破坏特征软岩隧洞的大变形破坏特征不仅受围岩的力学性质影响，而且受隧洞所处的 地应力环境和工程因素控制。我国许多煤矿在采深不大的情况下，坑道的变形破 坏并不强烈，常规支护即可维护隧洞稳定。加大采深后，这些煤矿坑道额稳定性 降低，变形破坏趋于强烈，常规支护难以维护坑道稳定，因此，软岩隧洞的变形 破坏特征受多种因素控制。一般来说，软岩隧洞的破坏具有以下特征：(1) 变形破坏方式多除一般隧洞中常见的变形破坏方式拱顶下沉、坍塌外，还有片帮和底鼓、底 围隆破，隧洞表现出强烈的整体收敛和破坏。变形破坏表现的形式既有结构面控 制，又有应力控制型

3、，尤以应力控制型为主。(2) 变形量大拱顶下沉大于10cm，有的高达50cm，两帮挤入在2080cm之间，底鼓非 常强烈，在常规无仰拱支护的情况下，强烈的底鼓往往将整个隧洞封闭。(3) 变形速度高软岩隧洞初期收敛速度可以达到3cm/d,即使施作了常规锚喷支护以后，软 岩隧洞的收敛速度依然很高，可达2cm/d，而且其变形收敛速度降低缓慢，因此， 在不长的时间内其变形收敛就很大，多则一年，少则几个月就将隧洞封闭。(4) 持续时间长 由于软岩具有强烈的流变性和低强度，因此，软岩隧洞开挖以后，围岩的应力重分布持续时间很长，软岩隧洞变形破坏持续很长时间，往往长达12年。(5) 因位置而异在隧洞周边不同部

4、位，变形破坏程度不同，这反映了软岩隧洞所处的地应力 强度因方向而异和软岩具有强烈的各向异性。变形破坏在方向上的差异往往导致 支护结构受力不均，支护结构中产生巨大的弯矩，这对支护结构的稳定是非常不 利的。(6) 围岩破坏范围大 由于软岩隧洞中围岩的强度与地应力的比值很小，因此，软岩隧洞围岩的破 坏范围大，特别是当支护不及时或不当时，围岩破坏区的范围可达 5 倍的洞室半 径，甚至更大。一般的锚杆由于长度不够，往往不能伸入围岩弹性区进行锚固， 这是许多软岩隧洞锚喷支护失败的根本原因。(7) 来压快 矿压随时间而增大，由于软岩隧洞变形收敛速度高，在很短时间内，围岩即 与支护结构接触，产生挤压，因此，软

5、岩隧洞的来压快。围岩与支护结构相互作 用后，围岩的变形破坏并不立即停止，而是继续下去，这是因为软岩具有流变性， 在围岩流变过程中，围岩的强度降低。2. 软岩隧洞的研究内容及研究方法软岩隧洞的研究内容主要包括以下几个方面：(一) 软岩隧洞的理论研究 内容软岩的概念体系、软岩的基本特征与基本力学特征；方法上主要软岩的 工程分类；软岩隧洞变形力学机制及转化模拟；软岩隧洞岩体的连续性概化；软 岩隧洞岩体强度的确定，软岩隧洞支护原理及支护荷载的确定；关键部位耦合支 护等。(二) 软岩隧洞新技术、新设计方法包括软岩隧洞的支护原则；软岩隧洞支护非线性力学设计方法；刚柔性(RF) 和刚隙柔层支护技术、锚网耦合

6、支护技术、锚杆-锚网耦合支护技术及立体桁架 支护技术等软岩隧洞支护新设计及新技术体系的研究。(三) 软岩隧洞支护技术的应用研究包括膨胀(S)型软岩、节理化(J)型软岩、高应力(H)型软岩以及复合型(HS、 HJ、HJS)软岩等六类软岩隧洞支护技术的应用研究。在综合分析已有研究资料的基础上，以软岩隧洞岩体力学为基础，以软岩的 工程地质特征及软岩隧洞变形力学机制为切入点，从软岩隧洞支护理论研究、软 岩隧洞设计研究和软岩隧洞支护技术研究三个方面，全面系统的探求和建立适合 软岩隧洞支护理论体系。软岩隧洞的研究方法如图 1 所示。理研软岩工程研究方法图 1 软岩隧洞研究总体思路3. 软岩分类与分级及软岩

7、软化程度分类（一） 软岩分类与分级 进入软岩状态的隧洞，其软岩种类是不同的，其强度特性、泥质含量、结构 面特点及其塑性变形特点差异很大。根据上述特征的差异及产生大变形的机理， 软岩可分为4 大类，即膨胀型软岩（也称低强度软岩）、高应力型软岩、节理化型 软岩和复合型软岩，见表 1。膨胀型软岩（Swelling Soft Rock，简称S型），是指含有粘土高膨胀性矿物 在较低应力水平（v25MPa）条件下即发生显著大变形的低强度工程岩体。产生大 变形的机理是片架状粘土矿物发生滑移和膨胀。在实际工程中，一般的地质特点 是泥质岩类为主体的低强度工程岩体。由于低应力软岩的显著特征是含有大量粘土矿物而具有

8、膨胀性，因此，根据低应力软岩的膨胀性大小可以分为强膨胀性软 岩（自由膨胀变形）15）、中膨胀性软岩（自由膨胀变形为 1015）和弱膨胀性 软岩（自由膨胀变形10）。根据其矿物组合特征和饱和吸水率两个指标可以分 为3 级。表 1 软岩分类软岩分类泥质含量R/MPac大变形特点膨胀型软岩2575表2高应力软岩分级根据高应力类型不同，高应力软岩可细分为 自重高应力软岩和构造应力软岩。前者的特点是 与深度有关，与方向无关；而后者的特点是与深 度无关，而与方向有关。高应力软岩根据应力水 平分为三级，见表 2。节理化软岩（Jointed Soft Rock，简称J型），是指含泥质成分很少（或几乎不含） 的

9、岩体。这种软岩发育了多组节理，其中岩块的强度颇高，呈硬岩力学特征，但 整个工程岩体在隧洞工程力的作用下则发生显著的大变形，呈现出软岩的特征， 其大变形的机理是在工程力的作用下，结构面发生滑移和扩容变形。例如，我国 许多煤层坑道，煤块强度很高，节理发育良好，岩体强度较低，常发生显著变形， 特别是发生非线性、非光滑的变形。此类软岩可根据节理化程度的不同，细分为 镶嵌节理化软岩、碎裂节理化软岩和散体节理化软岩。根据结构面组数和结构面 间距两个指标将其细分为 3 级，见表 3。复合型软岩是指上述 3 种软岩类型的组合，即高应力-膨胀性复合型软岩， 简称HS型软岩；高应力-节理化复合型软岩，简称HJ型软

10、岩；高应力-节理化- 膨胀性复合型软岩，简称 HJS 型软岩。表 3 节理化软岩的分级节理化软岩节理组数单位面积节理数J”/（条/ m2）完整系数k较破碎软岩13815“0.550.35破碎软岩三315300.350.15极破碎软岩无序三3300.15（二） 软岩软化程度分类 衡量软岩软化的程度是判别支护难易程度的关键。根据近期研究成果，利用 软化指数的概念可以科学合理地进行软岩软化程度分类。软化指数f）定义为软岩的临界荷载（b ）与工程中的最大应力（b ）的比值,s cs max 即：f =b /b（1）s cs max软化程度分类见表 4。表 4 软化程度分类软岩类型fs工程力学状态隧洞支

11、护建议非软岩三1弹性顶帮局部锚喷准软岩10.8局部弹性顶帮两角锚喷一般软岩0.80.5全断面弹性全断面锚网喷软岩 超软岩0.50.3扩容、膨胀为主的塑性全断面锚网喷关键点锚杆极软岩0.3扩容、膨胀和高应力挤出为主的塑性全断面锚网喷关键点锚杆4. 软岩的力学特征（一）基本力学特征软岩有两个基本力学特征：软化临界荷载和软化临界深度。他们揭示了软岩 的相对性本质。软岩的蠕变试验表明,当所施加的荷载小于某一荷载水平时,岩石处于稳定 变形状态,蠕变曲线趋于某一变形值,随时间延伸而不再变化；当所施加的荷载 大于某一荷载水平时,岩石呈现明显的塑性变形加速现象,即产生不稳定变形。 着一荷载称为软岩的软化临界荷

12、载,亦即能使岩石产生明显变形的最小荷载。当岩石种类一定时,其软化临界荷载是客观存在的。当岩石所受荷载水平低 于软化临界荷载时,该岩石属于硬岩范畴；当岩石所受的荷载水平高于该岩石的 软化临界荷载时,则该岩石表现出软岩的大变形特性,此时的岩石被视为软岩。与软化临界荷载相对应,存在着软化临界深度。对特定地质条件,软化临界 深度也是一个客观量。当隧洞位置大于某一开挖深度时,围岩产生明显的塑性大 变形、大地压和难支护现象；但当隧洞位置较浅,即小于某一深度时,大变形、 大地压现象明显消失,这一临界深度称为岩石的软化临界深度。软化临界深度的地应力水平大致相当于软化临界荷载。软化临界荷载和软化 临界深度可以相

13、互推求，只要确定了一个，即可求出另一个，确定的方法有： 蠕变实验法；经验公式法；现场观测法。(二) 工程力学特征软岩之所以能产生显著大变形的原因，是因为特征。一般来说，软岩中的泥 质成分(粘土矿物)和结构面控制了软岩的工程力学软岩具有可塑性、膨胀性、崩 解性、分散性、流变性、触变性和离子交换性。(1) 可塑性可塑性是指软岩在工程力的作用下产生变形，去掉工程力之后这种变形不能 恢复的性质。低应力软岩、高应力软岩和节理化软岩的可塑性机理不同，低应力 软岩的可塑性是由软岩中泥质成分的亲水性所引起的，而节理化软岩是由所含的 结构面扩展、扩容引起的，高应力软岩是泥质成分的亲水性和结构面扩容共同引 起的。

14、节理化软岩的可塑性性变形是由于软岩中的缺陷和结构面扩容引起的，与 粘土矿物成分吸水软化的机制没有关系。(2) 膨胀性软岩在力的作用下或在水的作用下体积增大的现象，成为软岩的膨胀性。根 据产生膨胀的机理，膨胀性可以分为内部膨胀性、外部膨胀性和应力扩容膨胀性 三种。内部膨胀性是指水分子进入晶胞层间而发生的膨胀；外部膨胀性是极化的 水分子进入颗粒与颗粒之间而产生的膨胀性；扩容膨胀性是软岩受力后其中的微 裂隙扩展、贯通而产生的体积膨胀现象，故亦称为应力扩容膨胀性。如果说内部膨胀性是指层间膨胀、外部膨胀是指颗粒间膨胀的话，扩容膨胀 则是集合体间隙或更大的微裂隙的受力扩容，前两者的间隙是原生的，后者主要 是次生的；前两者的膨胀机理是一种与水作用的物理化学机制，而后者则属于力 学机制，即