软岩的力学特性及工程危害

1、隧道软岩大变形的力学机制及学院：环境与土木工程学院 任课老师：邓 辉学号： 2012050126班级：地质三班隧道软岩大变形的力学机制及摘要：深埋长大隧道在克服高山峡谷等地形障碍、缩短空间距离及改善陆路交 通工程运行质量等方面具有不可替代的作用。 随着我国基础建设事业的高速发展 和西部大开发的进一步推进， 大量深埋长大山岭隧道工程纷纷上马， 特别是用于 公路交通的长大山岭公路隧道得到了前所未有的发展， 遇到的地质条件也越来越 复杂。当隧道穿越高地应力区及软弱围岩区， 常引发隧道软岩大变形等地质灾害。 深埋长大隧道投资巨大、 建设周期长， 一般都是整个建设项目的关键性控制工期 工程，因此， 研究

2、深埋长大山岭隧道软岩大变形机理， 对其进行灾害预测和治理 研究有着非常重要的意义。 本文首先对软岩的类型力学性质进行了划分， 找到软 岩的特点。 对隧道软岩进行了分析， 为隧道软岩大变形的工程危害及处理措施提 供了理论基础。介绍了区域工程地质条件，主要包括区域地质，地形地貌，地层 岩性，地质构造， 水文地质条件及岩体物理力学性质等。 总结了隧道围岩大变形 特征，在综合考虑围岩岩性、地质情况、应力特性、变形速率与累计变形量、施 工与设计理念及施工扰动等多种因素的基础上， 从工程性质方面着手， 将云岭隧 道围岩大变形定义为： 在两郧（郧西-郧县）断裂影响下， 隧道正常施工开挖后， 围 岩变形速率或

3、累计变形量超过警戒值， 且没有缓和趋势， 超过预留变形量造成侵 限，或者围岩产生具有累进性和明显时间效应的塑性变形且变形得不到有效约束 的现象。关键字：隧道 软岩 变形 工程危害、软岩的概念软岩是软弱不良岩层的简称。我国煤炭系统于 1984 年召开过矿山压力名词 专题讨论会，初步将软岩定义为“强度低，孔隙大，胶结程度差，受构造切割面 及风化影响显著或含有大量膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层。后认为该定义 还应补充软岩的流变性及高地应力情况， 综合这一定义又进行了一条列的软岩分 类研究工作，例如早期提出的按单一指标分类的有：单向抗压强度小于20入且a的岩层称为软岩。抗压强度与上覆岩层荷重（rh）

4、之比小于或等于2的岩 层为软岩；松动圈厚度大于或等于 1.sm的围岩称为软岩周等等。但是此定义欠明确。 突出表现以下两方面： 在软弱的岩石 （岩块） 、岩体（小 范围）、岩层和围岩中到底定义哪一个？是依据岩层（或其它）的基本特性来定义 还是依据围岩的变形和破坏情况来定义，或是依据支护的难易程度来定义 ?本文认为一个软岩概念难以包括以上所有内容， 从较为科学的角度出发， 应 该用两个概念分别定义 :（1）沿用岩体工程分类的思想和方法，只依据岩层的物理、力学和化学等 性质来定义软岩。 不再涉及地应力、 围岩变形和支护难易程度， 其定义可为 :“软岩是松软、破碎、风化、软弱等不良岩层的总称。”（2）

5、从围岩的变形和破坏或支护难易程度定义一个新概念-大变形围岩。 其实质是考虑支护与围岩组成的力学系统的稳定性。 一个力学系统的稳定性取决 于四因素，即荷载、受力材料的物理力学特性，几何形状和材料的强度。在地下 工程中就是考虑地应力、岩层各方面的性质、地质影响因素和地下空间的几何形 状。当围岩应力大于其强度时，支护与围岩系统就不稳定。大变形围岩可定义为： “大变形围岩是指地下空间开挖后会产生如流变， 膨胀等显著时效变形且用常规 支护困难的围岩。”二、软岩的基本力学属性软岩有两个基本力学属性：软化临界荷载和软化临界深度（1）软化临界荷载 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

6、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，这一荷载称为软岩的软化临界荷载， 亦即能使岩石产生明显 变形的最小荷载。 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。（2）与软化临界荷载相对应地存在着软化临界深度。对特定矿区，软化临界深度也是一个客观量。当巷道位置大于某一开采深度时，围岩产生明显的塑性 大变形、大地压和难支护现象；

7、但当巷道位置较浅，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，称之为岩石软化临界深度。软化临界深度的地应力水平大致相当于软化临界荷载。软岩可分为四大类： 岩和复合型软岩。（见表三、软岩的分类膨胀性软岩（也称低强度软岩）、高应力软岩、节理化软1）表1软岩的分类软岩名称泥质成分含量塑性变形特点膨胀性软岩25%在工程力作用下，沿片架装硅酸盐粘土产生滑 移，遇水显著膨胀等。高应力软岩=25 MPa沿片架状粘土矿物产生滑移，复合型软岩=25%具有上诉某种组合的复合机理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

8、平（25MPa）条件下即发生显著变形的低强度工程岩体。例如，通常软岩定义中所列举的软弱、松散的岩体，膨胀、流变、强风化的岩体以及指标化定义中所述的抗压强度小于25MPa的岩体，均属低应力软岩的范畴。产生塑性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10%15%和弱膨胀性软 岩（自由膨胀变形10%。根据矿物组合特征和饱和吸水率两个指标可细分为三级，见表 2表2膨胀性软岩的

9、分级膨胀性软岩蒙脱石含量（%）干燥饱和吸水率（%）自由膨胀变形量（%）弱膨胀性软岩1015中膨胀性软岩10-3020-5010-15强膨胀性软岩305075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（c=0.525 MPa）而确定的。即能够使c25MPa勺岩石进入塑性状态的应力水平称为高应力水平。3.节理化软岩的分级节理化软岩Jointed Soft Rock，简称J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

10、容变形。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见表4表4节理化软岩分级节理化软岩单位面积节理组数完整系数较破碎软岩1-30.55-0.35破碎软岩=30.35-0.15极破碎软岩无序#*r髦性流动师觀性腔化区ZwOO图61软岩隧道围岩分区六. 防治措施(1) 在总结软岩支护理论的发展与现状的基础上，通过隧道围岩弹塑性分析，以及软岩大变形隧道的开挖方法、 支护设计原则和支护方法的研究， 得出了 软岩隧道大变形的施工对策，并将其应用于云岭隧道大变形洞段的治理，通过实

11、 际施工效果反馈，治理方案是有效适用的。(2) 在进行软岩大变形隧道的施工时，应采取主动整治原则，控制大变形对施工造成危害，其要点包括：初期支护应采用柔性支护，这样洞壁能发生较大 的变形，从而消耗围岩中储存的部分能量；预留变形量必须留够(宁多勿少)，防止初期支护变形过大侵入模筑混凝土净空； 要重视隧道底部的处理，仰拱应 不比其他部位衬砌薄，而且应在开挖后立即浇注 (仰拱不能及时浇注时，隧道应 加设长锚杆)。且仰拱的曲率应比一般隧道有所加大，当采用台阶法分部开挖时， 上半断面应加设临时仰拱；加强现场监控量测，重视地质超前预报，动态控制 软围岩大变形。(3) 开挖和支护是大变形治理的现场实施阶段，

12、直接关系到治理效果和施工安全，通过运用数值模拟技术，对隧道采用不同开挖进尺、不同开挖方法的施工 过程以及不同支护参数下围岩位移的变化情况进行了模拟，得出了以下结论：采用不同的开挖步长和开挖方法对围岩均会产生不同的应力扰动。对于非线性特征明显的软岩，应力调整是一个能量耗散的不可逆过程， 因此不同的开挖步长和 开挖方法都将引起不同的应力扰动效果。 或者说不同的应力路径，将导致不同的 终极应力场和不同的围岩位移变形量。采用 1 m的开挖步长时比3m的开挖步长 时的开挖扰动更小，采用预留核心土法开挖比采用上下台阶法开挖和全断面法开 挖的开挖扰动更小。初期支护强度的增加对控制围岩变形能起到较好的效果。

13、随着初期支护强度的增加，围岩的位移变形量(包括拱顶下沉、水平收敛和底鼓) 均有不同程度的减小。七展望深埋长大隧道作为陆路交通、 海峡通道、水利水电及跨流域调水等大型土木 工程建设项目中的一种重要结构物， 它在克服高山峡谷等地形障碍、 缩短空间距 离及改善线路运营质量等方面具有不可替代的作用。 由于大埋深及穿越地质单元 的复杂性与多样性， 深埋长大隧道地质灾害的发生通常具有普遍性， 其中围岩大 变形更是成为地下工程世界性难题之一， 因此，加大深埋长大隧道围岩大变形机 理及其控制技术研究的力度具有重大的现实意义。1 Geo-Slope InternationalLtd.GeostudioTutor

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