软岩的工程地质特性研究.doc

随着地下工程建设规模不断扩大，在城乡建设、水电、交通、矿山、港口以及国防军事等领域都涉及软岩问题，而国家西部大开发的战略实施，大量的交通、能源与水利工程在西部的兴建，地下工程软弱围岩的稳定性和支护方法更已成为地下工程中迫切需要解决的问题。在我国天生桥、二滩、小浪底、乌江构皮滩、瀑布沟等大型水电工程中，均存在软弱岩体的流变性及围岩的稳定性问题；许多煤矿开采时间较长，由于资源开采深度的增加，使一些生产矿井软岩巷道大变形、大地压、难支护的工程问题更加突出；在软岩地区修建的桥隧工程中，围岩的稳定性同样是工程设计和施工中的重点和难点，且常常由于围岩地质条件多变，围岩、支护结构失稳事故时有发生，给人民生命财产造成巨大损失。1 软岩的概念及其物理力学特征1.1 软岩的概念关于软岩的定义，总括起来，大体上可分为描述性定义、指标化定义和工程定义3类。1984年12月在昆明召开的煤矿矿山压力名词讨论会，将软岩界定为“强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层”，并从地质岩体分类的角度指出该类岩石的常见种类多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成的复杂的地质介质。这是一种典型的描述性定义方式。而到了1990年至1993年间，国际岩石力学学会逐步将软岩明确定义为单轴抗压强度（sc）在0.525MPa之间的一类岩石。虽然此种包含具体指标的定义方式考虑了岩石的物理力学性质，但这种分类仍然属于从地质角度定义软岩的范畴，未考虑施工条件和使用环境的差异，将该定义用于工程实践中会出现一些矛盾。如地下硐室所处深度足够的浅，地应力水平足够的低，则单轴抗压强度小于25MPa的岩石也不会产生软岩的特征，工程实践中，采用比较经济的一般支护技术即可奏效；相反，单轴抗压强度大于25MPa的岩石，当其工程部位所处的深度足够的深、地应力水平足够的高，也可以产生软岩的大变形、大地压和难支护的现象。因此，地质软岩的定义用于工程实践时往往产生歧义。近些年，工程软岩的概念被提了出来，它是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。如果说目前流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，那么工程软岩的定义不仅重视软岩的强度特性，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荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。工程软岩要满足的条件是： （1-1）式中，为工程荷载，MPa；为工程岩体强度，MPa；U为岩体变形，mm；U为允许变形，mm。此定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相互关系。其中，工程力包括重力、构造应力、渗透力、工程扰动力以及温度应力等等。而定义中的“显著塑性变形”则是指以塑性变形为主体，变形量超过了工程设计的允许变形值并影响了工程的正常使用。对同种岩体，在较低工程力的作用下，表现为硬岩的小变形特性，而在较高工程力作用下则可能表现为软岩的大变形特性。换句话说，当工程荷载相对于工程岩体（如泥页岩等）的强度足够小时，地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特征，不作为工程软岩，只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩，才作为工程软岩。1.2 软岩中遭遇的工程问题实例近些年，在软岩中兴建地下工程，面临的工程地质问题多样，其影响也较为突出。在软岩地层中兴建地下工程，都会遇到塌方、大变形等问题，甚至在施工和运营期间造成人员伤亡、设备损失、工期延误、投资增加等恶劣影响。以下给出几个具体的实例：1) 施工过程中塌方频繁。引大入秦盘道岭隧洞，特软岩隧洞长度12830m，岩性为第三系半胶结状态砂岩，岩石单轴饱和抗压强度仅为0.20.8MPa。，其中最大一次为冒顶塌方。东深供水工程的雁田隧洞，施工过程中发生3次冒顶塌方。珠海湾仔供水隧洞施工过程中发生过8次塌方、3次冒顶塌方。2) 岩体结构松散，多含易膨胀粘土矿物。位于甘肃省金昌市的金川矿区是我国大型镍矿基地，矿区地质条件复杂。矿区的许多隧道位于层状碎裂与碎裂岩体中，是典型的破碎型软岩隧道，在基建和开采过程中曾发生严重变形和破坏。矿区岩体整体强度低，仅为岩石强度的10%以下，隧道开挖后，围岩迅速卸载，产生回弹和扩容，掘进工作面附近最初几天变形速率大，一般在46 mm/d；岩块间裂隙中有粘土矿物，遇水膨胀产生膨胀地压并崩解，使岩体松散、离层和冒落。隧道开挖后自稳时间短，若支护不及时，岩体极易松散，发生片帮、冒顶。崔家沟隧道是梅七线上的一座越岭隧道，全长3 885 m，洞身通过地层为三叠系泥质页岩、粉砂质页岩和砂页岩互层，岩体膨胀性显著。谢桥煤矿东风井，其井底车场及其附近的东一、东二隧道围岩属于极软岩，岩体强度底，胶结性能极差，裂隙很发育。由于岩体中膨胀性粘土矿物含量高达30%60%，岩体亲水性强，浸水后很易膨胀、崩解或泥化。隧道掘出后不到半年，围岩变形量就达到100cm以上，支护遭到严重破坏，致使隧道多处完全瘫痪，隧道持续高速流变，对水、应力扰动等极为敏感。隧道掘出一年后，顶板下沉、巷帮位移速度仍达23 mm/d，底鼓速度仍达5 mm/d。隧道每隔36个月就需彻底翻修，每米隧道的年维修费高达23万元。3) 隧洞开挖后，围岩易发生塑性变形或挤入性变形。在软弱岩层或不良岩层中开挖隧洞或巷道，因围岩具有流变变形特性，隧洞开挖之后，由于地应力的作用围岩往往会向开挖空间缓慢的移动收敛，表现为，隧洞的侧墙逐步向内移动，底板缓慢隆起，拱顶挤压开裂等。例如70年代初在海平面以下的梅山铁矿坑道，由于泥岩膨胀变形导致支护破坏，变形破坏非常严重，后采用联合支护并进行二次衬砌才保证了其稳定。某运输巷道围岩属强风化粉质砂岩，埋深z =100 m，半径R0= 2 m，围岩容重d= 25 kN/m3。按原设计方案，巷道开挖后立即进行支护，不足半年大部分衬砌发生明显的破坏与变形。通过现场测试发现，围岩具有明显的流变特性。4) 地下水的软化作用显著。宜万铁路全线第二长隧，七大控制工程之一的堡镇隧道，穿越岩性主要为粉砂质页岩，泥质页岩，多软弱泥质夹层带，强度极低，且多处于高地应力环境，地下水发育，长期饱水对其力学性质具有较强的软化作用。5) 软弱围岩存在大变形及岩爆等工程地质问题。以南水北调西线一期工程为例，引水隧洞长达73km，最大埋深1100m，大变形和岩爆问题尤为突出。2软岩地区兴建地下工程问题防治及其研究现状1990年兴建的天生桥二级水电站引水隧洞，较早的借助了TBM（隧道掘进机）进行掘进施工，其后，此类大型施工设备被越来越广泛地应用于工程建设中，如1999年兴建的秦岭隧道等。通过在通过不良地质地段时选择适宜的辅助设备包括超前钻机、锚杆机、环梁安装器、砼喷射系统等，对工作人员进行安全技术等方面的培训，合理选择优化掘进参数，积极开展施工地质超前预报工作，必要时进行超前处理及进行临时支护，从而达到了安全施工的目的。甘肃省湟水白川引水式水电站，设计引水流量171m3/s，最大水头27.05m，装机容量36MW，引水隧洞长4.128km，隧洞断面为马蹄形，隧洞围岩岩性为白垩系下统河口群碎屑岩类，该地层岩性软弱，强度低，模量低，特别是遇水后表面易软化、崩解，失水后易干缩开裂，开挖暴露时间长时岩体风化加剧，干湿效应显著。地质编录与预报对施工进度和投资起到了重要作用，为采用的新奥法施工提供了重要的信息，同时，在施工过程中重视围岩中地下水或施工用水对围岩浸泡的破坏，及时支护封闭以防围岩蠕变、松弛和崩解破坏。遵循“弱爆破、短进尺、强支护、快循环、早衬砌、勤排水、勤量测”的原则，最大限度杜绝了事故发生，保证了施工安全。构皮滩水电站坝址区软岩分布范围较广。软岩段围岩不稳定或极不稳定，自稳时间短，成洞条件差。施工过程中，根据软岩特性与计算分析，提出了“短进尺、弱爆破、及时支护”的开挖与支护原则，在运用各种试验与监测手段查明软岩的特性、分布及变形规律的基础上，施工中采取分层开挖、多期支护等合理的开挖程序与工艺，以及支护措施，成功克服了软岩成洞条件差、安全风险大等工程难题。西安黑河引水工程零号隧洞位于周至县境内的黑河出山口，即黑河引水工程自流渠的最上游。隧洞全长897 m。隧洞穿过地层中断层、褶皱和火成岩侵入等地质构造交相出现，地质产状约在10 m范围内就发生一次较大的变化，产状很不规律。隧洞穿过地层主要为泥质云母片岩，层厚一般在10 mm以下。该泥质云母片岩极易风干崩解，遇水膨胀泥化，稳定性极差。隧洞上部山坡比较平缓，局部岩石裸露，天然降水是其主要补给水源。隧洞上部还有一古滑坡，岩石破碎，含水量大，导水性强。受其影响，隧洞穿过地层富含地下水，最大涌水量达40 m3/h，给施工带来困难。经分析研究，采用了激光束导向测量，上导洞超前掘进，水泥卷封孔爆破，耙斗机上下装岩，双快硬锚喷支护，运输车侧洞调会，多工序平行作业，条带跳槽衬砌等措施，经过3个月抢险施工，于1996年2月底顺利贯通零号隧洞。重庆轻轨新牌坊郑家院子区间隧道（简称新郑区间）为重庆轻轨三号线一期工程，包括两条并行单洞单线隧道。在浅埋、上软下硬地层、软弱夹层岩柱等不良条件下，采用小净距隧道掘进净距仅5.8 m和爆破减振技术，保证围岩与支护结构的稳定性、光爆良好效果和地下管线安全。乌鹅隧道位于厦蓉高速贵州境，所处的工程地质条件较为复杂，隧道进口段埋深浅、风化强，泥质板岩部分全风化成黄褐色黏土，软硬相间，结合差，岩层倾向洞口，加上地下水丰富，极易坍塌失稳，对隧道施工安全提出了严峻的挑战。施工存在的主要工程地质问题是浅埋段软弱围岩、岩体破碎带、软弱夹层、地下水等。在施工期应用物探方法开展施工期超前地质预报，有针对性的对围岩地质条件进行探测，较好地预测了该隧道的围岩地质情况，保障了工程施工安全和质量。这些工程的成功经验说明，在软岩地区兴建工程，只要认真对待、对地质条件充分调查、重视实验和现场观测、重视超前预报并及时开展分析，是可以在软岩中开展大规模工程实践的。以下分别从软岩的工程地质勘察、室内实验、现场观测、数值模拟试验等方面对国内外的研究情况做一概述。2.1 不同种类软岩性质的研究如前所述，软岩地区的工程实践，普遍遭遇到了岩性软弱强度低、开挖断面变形大、岩体遇水软化崩解等问题，给工程稳定性带来了极大挑战。为了使软岩地区的工程实践能够更为安全，实践中，首先要对软岩的工程地质特性进行辨识，特别是对软弱围岩的类别划分进行研究，并据此考虑施工中所应采用的开挖及支护型式以及其他控制围岩稳定的措施和方法。从工程地质的角度，软岩具有跟一般硬岩明显不同的特性，传统的根据钻孔取芯所获得的信息进行岩体分类的方法虽然仍然可以使用，但，对软岩的分类，更为重要的是查明对其工程性质影响最为突出的因素，并据此按相应指标（如强度特性、泥质含量、结构面特点、塑性变形力学特点等）进行定性的分类。已有的研究，按如强度特性、泥质含量、结构面特点、塑性变形力学特点等将软岩分为四大类 膨胀性软岩（也称低强度软岩）、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩，其分类依据及具体指标见表2-1。表2-1软岩分类及其支护对策软岩名称泥质含量岩石单轴抗压强度/MPa塑性变形特点支护对策技术膨胀性软岩 （低强度软岩）25%25在工程力作用下，沿粘土矿物结构面产生滑移，遇水显著膨胀等刚柔层技术高应力软岩25%25遇水发生少许膨胀，在高应力状态下，沿片架状粘土矿物发生滑移刚隙柔层技术节理化软岩低中等少含沿节理等结构面产生滑移、扩容等塑性变形正交异性刚柔层技术复合型软岩低高含具有上述某种组合的复合型机理特种技术2.1.1 膨胀性软岩的分级膨胀性软岩（Swelling Soft Rock，简称S型），系指含有粘土高膨胀性矿物在较低应力水平（15%）、中膨胀性软岩（自由膨胀变形10%15%）和弱膨胀性软岩（自由膨胀变形10%）。其矿物组合特征和饱和吸水率两个指标可分为三级，详见表2-2。表2-2 膨胀性软岩分级膨胀性软岩蒙脱石含量%干燥饱和吸水率w0/%自由膨胀变形量%弱膨胀性软岩1015中膨胀性软岩103010501015强膨胀性软岩305025MPa）条件下才发生显著变形的中高强度的工程岩体。这种软岩的强度一般高于25MPa，其地质特征是泥质成分较少，但有一定含量，砂质成分较多，如泥质粉砂岩、泥质砂岩等。它们的工程特点是，在深度不大时，表现为硬岩的变形特征；当深度加大至一定深度以下，就表现为软岩的变形特性了。其塑性变形机理是处于高应力水平时，岩石骨架中的基质（粘土矿物）发生滑移和扩容，此后再接着发生缺陷或裂纹的扩容和滑移塑性变形。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高应力软岩。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。根据应力水平分为三级，即高应力软岩、超高应力软岩和极高应力软岩，详见表2-3。表2-3 高应力软岩分级高应力软岩应力水平（MPa）高应力软岩2550超高应力软岩5075极高应力软岩75高应力的界线值是根据国际岩石力学学会定义的软岩概念（= 0.525MPa）而确定的。2.1.3 节理化软岩的分级节理化软岩（Jointed Soft Rock，简称型），系指含泥质成分很少（或几乎不含）的岩体，发育了多组节理，其中岩块的强度颇高，呈硬岩力学特性，但整个工程岩体在巷道工程力的作用下则发生显著的变形，呈现出软岩的特性，其塑性变形机理是在工程力作用下，结构面发生滑移和扩容变形。例如，我国许多煤矿的煤层巷道，煤块强度很高，节理发育很好，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三级，即较破碎软岩、破碎软岩和极破碎软岩。详见表2-4。表2-4 节理化软岩的分级节理化软岩节理组数单位面积节理数（Js），条/m2完整系数（kv）较破碎软岩138150.550.35破碎软岩315300.350.15极破碎软岩无序300.15表中 kv=（Vpm/Vpr）2，Vpm节理岩体弹性波纵波速度，km/s；Vpr完整岩块弹性波纵波速度，km/s2.1.4 复合型软岩复合型软岩是指上述三种软岩类型的组合。即高应力强膨胀复合型软岩，简称HS型软岩；高应力节理化复合型软岩，简称HJ型软岩；高应力节理化膨胀性复合型软岩，简称HJS型软岩。2.1.5 软岩工程分类及分级总表软岩的工程分类和分级见表2-5。表2-5 软岩工程分类与分级总表软岩分类分类指标软岩分级分 级 指 标抗压强度MPa泥质含量结构面膨胀性软岩25%少w0（%）sc（MPa）膨胀矿物组合弱膨胀软岩50252.0节理化软岩低中等不含多组节理组数 （条/m2）节理间距（m）完整指数（kv）较破碎软岩130.20.40.550.35破碎软岩30.10.20.350.15极破碎软岩无序30.1sc3），也只有蠕变I阶段和II阶段，但II阶段蠕变曲线为稍有上升的斜直线，在相当长的期限内不致出现III阶段；不稳定蠕变在比较高的应力水平下（s =sc1sc2sc3），连续出现蠕变I、II、III阶段，变形在后期迅速增长而导致破坏。 （2）松弛松弛性是指在保持恒定变形条件下，应力随时间延续而逐渐减小的性质。用松弛方程和松弛曲线表示（图2-2）。图2-2 松弛特征曲线松弛特性可划分为三种类型： 立即松弛变形保持恒定后，应力立即消失0，松弛曲线与s轴重合，如上图e6曲线。完全松弛变形保持恒定后，应力逐渐消失，如图上e5、e4曲线。不完全松弛变形保持恒定后，应力逐渐松弛，但最终不能完全消失，而趋于某一定值，如图e3、e2曲线。此外，还有一种极端情况：变形保持恒定后应力始终不变，即不松弛，松弛曲线平行于t轴。在同一变形条件下，不同材料具有不同类型的松弛特性。同一材料，在不同变形条件下也可能表现为不同类型的松弛特性。2.2.5 软岩的易扰动性软岩的易扰动性系指由于软岩软弱、裂隙发育、吸水膨胀等特性，导致软岩抗外界环境扰动的能力极差。对卸荷松动、施工震动、邻近巷道施工扰动极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露后风化的特点。2.2.6 软岩的残余抗剪强度通过试验研究发现，软岩在发生剪切破裂后，破裂面在水胶合的作用下会重新产生一定的强度，这种现象称之为软岩的强度恢复。席福来等选取灰白色泥岩两组和白色泥质粉砂岩两组共12块进行抗剪强度直剪试验，抗剪强度参数如表1-2所示。从表中可见，完整岩块时，粉砂岩抗剪强度高于泥岩很多。当将岩样多次剪切（一般七八次左右），强度逐步降低并且最后两次试验时其值相差无几，此时即得残余抗剪强度。残余强度比峰值强度大大降低，且粉砂岩比泥岩降低的幅度更大。为了解强度恢复情况，将多次剪切后的岩样复位并加水饱和24h，再进行剪切试验。试验表明：由于水连接能力的恢复，岩块的残余强度有所恢复，且泥质粉砂岩的强度恢复幅度比泥岩要高。这就说明，泥质岩类为主要岩性的软岩巷道，在围岩出现某种破坏后，在一定的地下水作用条件下，会出现强度恢复现象，例如所谓的顶板破坏后再造现象。但应注意泥岩的第一次强度恢复试验后，再饱和24h，待到二次强度恢复值比第一次幅度小一些。这证明第一次水连接恢复后，再行扰动剪切，其恢复水连接能力有所降低。表1-2 抗剪强度参数表岩 性抗剪强度备 注粘聚力（MPa）内摩擦角（）白色泥质砂 （第一组）0.170.0450.050307.59.0峰值强度残余强度强度恢复白色泥质砂（第二组）0.2250.030.03518.57.011.0峰值强度残余强度强度恢复灰白色泥岩0.140.0530.0580.0556.52.53.53.0峰值强度残余强度一次强度恢复二次强度恢复2.3影响软岩成洞稳定与安全的因素软岩隧洞的稳定性不仅与软岩自身的特性、隧洞断面的几何特征等有关，而且还受施工方法、支护结构的类型、支护的时机等因素影响。2.3.1软岩工程地质条件（1）岩体的力学强度。软岩的力学强度一般均较低，对隧洞而言