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其防治措施学院：环境与土木工程学院任课老师：邓 辉姓名：邹杰学号：2012050126班级：地质三班 隧道软岩大变形的力学机制及其防治措施摘要：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

2、究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，围岩变形速率或累计变形量超过警戒值，且没有缓和趋势，

3、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 一 、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)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.

4、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）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

5、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

6、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；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

7、水平大致相当于软化临界荷载。三、软岩的分类软岩可分为四大类：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。（见表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=25MPa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%)。根据矿物组合特征和饱和吸水率两个指标

8、可细分为三级，见表2表2膨胀性软岩的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

9、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,见表3表3 高应力软岩的分级高应力软岩应力水平（MPa）高应力软岩25-50超高应力软岩50-75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(c=0.525MPa)而确定的。即能够使c25MPa的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

10、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。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0.154.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

11、型软岩；高应力节理化强膨胀复合型软岩，简称HJS型软岩。软岩的物理力学特性软岩的物理力学特性软岩的物理力学特性软岩的物理力学特性（1）软岩的成分软岩物质成分一般由固体相、液体相、气体相等三相组成的多相体系，有时由两相组成。固体相是由许许多多大小不等、形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成软岩的主要部分，称“骨架”。在颗粒间的孔隙中，通常有液相的水溶液和气体形成三相体，有时只被水或气体充填形成二相体。由于颗粒、水溶液和气体这三个基本组成部分不是彼此孤立地、机械地混在一起，而是相互联系、相互作用，共同形成软岩的工程地质性质，并决定软岩力学特性。固相颗粒是软岩的最主要的物质组成，构

12、成软岩的主体，是最稳定、变化最小的成分，在三相之间相互作用过程中，一般居主导地位，对于固相颗粒部分，在进行软岩的工程地质研究时，从颗粒大小的组合和矿物成分，化学成分三个方面来考虑。组成软岩的液体相部分实际上是化学溶液而不是纯水。若将溶液作为纯水研究时，研究颗粒的亲水性而形成的强结合水，弱结合水、毛细水、重力水对软岩工程地质亦有很大的影响。 软岩的固体相部分，实质上都是矿物颗粒，并且是一种多矿物体系。不同的矿物其性质各不相同，它们在软岩中的相对含量和粒度成分一样，也是影响软岩的力学性质的重要因素。1）原生矿物组成软岩固体相部分的物质，主要来自岩石风化产物。岩石经过物理风化、迁移作用、沉积作用、成

13、岩作用而形成软岩。原生矿物仍保留着风化作用前存在于母岩中的矿物成分。软岩中原生矿物主要有：硅酸盐类矿物、氧化物类矿物，此外尚有硫化物类矿物及磷酸盐类矿物。 硅酸盐类矿物中常见的有长石类、云母类、辉石类及角闪石类等矿物。常见的长石类矿物有钾长石(KAISI3O8)和钙长石(CaAl2O8)。它们不太稳定，风化作用易形成次生矿物。常见的云母类矿Mn)3AlSi3O10 (OH)2)。两者都不易风化，云母类矿物含较多的Fe、Mg、K等元素。常见的辉石类和角闪石类矿物有普通辉石(Ca(Mg、Fe、Al)(Si, Al)206)和普通角闪石(Ca2Na(Mg、Fe)4(A1, Fe+3)(Si,Al)4

14、O11)(OH)2)。氧化物类矿物中常见的有石英、赤铁矿、磁铁矿，它们相当稳定，不易风化，其中石英是软岩中分布较广的一种矿物。软岩中硫化物类矿物通常只有铁的硫化物，它们极易风化。磷酸盐类矿物主要是磷灰石。物有白云母(KAl2AlSi3O10(OH, F)2)和黑云母(K(Mg、Fe、Mn)3AlSi3O10 (OH)2)。两者都不易风化，云母类矿物含较多的Fe、Mg、K等元素。常见的辉石类和角闪石类矿物有普通辉石(Ca(Mg、Fe、Al)(Si, Al)206)和普通角闪石(Ca2Na(Mg、Fe)4(A1, Fe+3)(Si,Al)4O11)(OH)2)。 氧化物类矿物中常见的有石英、赤铁矿

15、、磁铁矿，它们相当稳定，不易风化，其中石英是软岩中分布较广的一种矿物。软岩中硫化物类矿物通常只有铁的硫化物，它们极易风化。磷酸盐类矿物主要是磷灰石。2)次生产物原生矿物在一定的气候条件下，经化学风化作用，使原生矿物进一步分解，形成一种新的矿物，颗粒变得更细，甚至变成胶体颗粒，这种矿物称次生矿物。次生矿物有两种类型：一种是原生矿物中的一部分可溶的物质被溶滤到别的地方沉淀下来，形成“可溶的次生矿物”；另一种是原生矿物中可溶的部分被溶滤走后，残存的部分性质已改变，形成了新的“不可溶的次生矿物”。可溶性的次生矿物主要指各种矿物中化学性质活泼的K、Na、Ca、Mg 及Cl、S 等元素。这些元素呈阳离子及

16、酸根离子，溶于水后，在迁移过程中，因蒸发浓缩作用形成可溶的卤化物、硫酸盐及碳酸盐。这些盐类一般都结晶沉淀并充填于软岩的孔隙内，形成不稳定的胶结物；未沉淀析出的部分，则成离子状态存在于软岩的孔隙溶液中，这种溶液与粘粒相互作用，影响着软岩的工程地质性质。不可溶性的次生矿物有次生二氧化硅、氧化物、粘土矿物。次生二氧化硅是由原生矿物硅酸盐经化学风化后，原有的矿物结构被破坏，游离出结晶格架的细小碎片，由SiO2组成，氧化物多由三价Fe、Al和O、OH、H2O等组成的矿物，如磁铁矿等。粘土矿物是原生矿物长石及云母等硅酸盐类矿物经化学风化而成。主要有高岭石、水云母(伊利石)、蒙脱石等。粘土矿物是软岩的重要组

17、成部分。3）有机制有机质由软岩中动植物残骸在微生物的作用下分解而成：一种是分解不完全的植物残骸，形成泥炭，疏松多孔；另一种则是完全分解的腐植质。有机质的亲水性很强，对软岩性质的影响很大四、软岩的力学特性（1）水的软化效应 图1展示出第三纪泥岩在不同含水量条件下的试验结果其规律性 表 现为含水量越多，力学性质越差。（2）温度效应 当前地下深采矿山工程温度效应还未提到日程上来 ,但对高寒地区露天工程已经形成危害。例如，高寒地区的水电工程和交通 、矿山边坡工程 ,由于冻融作用,导致岩体逐年疲劳累积 ,力学性质下降（如表2） 表2 软岩冻融试验结果、岩组实验条件抗压强度/MPa变形模量/MPa泊松比岩

18、块结果特征泥岩垂直层面18.413000.3试件完整，无贯通性可见裂隙，隐裂隙和微裂隙非常发育平行层面17.812000.35垂直层面冻融6.140000.4用直接冻融法冻融后岩样外观隐微裂隙和微裂隙均有不同程度变化平行层面冻融5.439000.45页岩垂直层面27.816000.29薄层状完整岩块无可见裂隙隐微裂隙发育平行层面26.412700.32垂直层面冻融22.213000.35岩块经冻融后隐微裂隙均有变化平行层面冻融20.310600.42煤垂直层面26.512000.29试件上有三组陡倾角隐裂隙，与层面接近正交，微裂隙发育平行层面25.611500.28垂直层面冻融24.21030

19、0.3冻融后煤块隐裂隙有不同程度的显化平行层面冻融24.29500.4云母石英片岩垂直片理干（110）冻（94）微风化与片理斜交干（135）冻（102）围压效应显著尽管软岩力学特性随赋存环境变化有易变性 ,但在原应力场条件下 ,其力学性能还是较高的。图2展示出软岩随赋存环境应力场扰动程度不同,其变形模量变化规律由扰动地区至未扰区逐渐提高,在未扰动区 E 值基本上是稳定的,比洞壁扰动区提高5倍多。图1泥岩力学性质与含水量的关系 图2 极破碎纤闪石化玄武岩E与孔深关系时间效应软岩力学性质的时间效应表现在恒定载荷作用下岩体产生流变;在恒应变条件下岩体应力松弛。软岩力学性质与时间的相关性 ,随时间的推

20、移有明显降低。例如 ,白坚系泥岩流变试验结果:含水量9% 的泥岩起始流变强度不到峰值强度50% ;临界等速流变强度仅接近峰值强度的65%。关于软岩隧道的支护研究，过去人们通常认为隧道失稳是由于支护本身的强度不够，因此把如何确定支护力的大小当成研究的重点。早期的太沙基理论和普氏理论都可看作是一种被动的支护理论。新奥法的出现改变了人们的支护观念，新奥法认为应充分利用围岩自身强度来支撑自己，并及时用薄层喷射混凝土封闭围岩，进行柔性支护，同时用现场监测信息来指导施工。新奥法支护理论可看作是一种主动支护。五隧道支护理论的发展与现状新奥法目前已成为隧道工程设计施工的主要方法之一，同时它也是软弱围岩支护主要

21、的理论之一。虽然新奥法在解决软岩支护问题时有较好的效果，但是新奥法在解决软弱围岩支护与稳定等方面存在一些不足：由于新奥法是以弹塑性理论为基础的，而软岩的流变性等问题已超出了弹塑性问题所能解决的范围，以及由于人们对软弱围岩的物理含义和力学性质理解还不够，不合理地解释极软弱膨胀松散围岩隧道的变形支护机理，造成锚喷或锚喷网支护的隧道大面积垮落、坍塌等事故，导致人力、物力的巨大浪费与损失。近些年来，许多学者针对软弱围岩问题进行了大量的研究，逐渐形成了一些有影响的理论我国软岩支护系统研究工作始于1958年，之后在20世纪80年代，先后召开了20余次与软岩工程相关的全国性会议，使地下工程软岩问题的理论研究

22、进入了一个新的阶段。其中具有代表性的理论有：于学馥教授等人在1981年提出的“轴变论”理论，该理论认为巷道坍落可以自行稳定，可以用弹性理论进行分析，围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的，坍落改变巷道轴比，导致应力重分布，应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并向无拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止。近些年来，于学馥教授等人运用系统论、热力学等理论提出了开挖系统控制理论，该理论认为：开挖扰动破坏了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。冯豫、陆家梁等结合软弱围岩实际，灵活运用新奥法理论提出联合支护理论，该理论的观点可以概括为：对于软岩支护适宜采用“先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护

23、”。孙钧、郑雨天和朱效嘉教授等提出的喷弧板支护理论，该理论是对联合支护理论的发展。中国矿业大学董方庭教授提出松动圈理论，其主要内容是：凡是坚硬围岩的裸露隧道，其围岩松动圈都接近于零，此时隧道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大，因此，支护的目的在于防止围岩松动圈展过程中的有害变形。何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法，通过分析软弱围岩变形力学机制，提出的以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的隧道软弱围岩支护理论。这些理论与技术解决了大量软弱围岩支护问题，为我国地下工程的建设做出了贡献5. 围岩弹塑性分析隧道开挖前，围岩赋存一定的应

24、力状态，并积存了相应的应变位能。而当隧道开挖后，部分岩体被移去，导致洞周岩体失去支撑和约束，从而打破了原有的力学平衡，产生相应的位移并牵动更深岩体的位移，直至一定深度。使得围岩体应力场重新调整，即应力重分布，并出现应力集中，导致隧道围岩体应力场及位移场分布特性发生根本性的变化。因此，研究隧道围岩应力重分布特性是判断围岩稳定与否及工程设计与施工的必要工作。5.1隧道开挖后的应力重分布隧道在进行开挖之前，在特定地应力场中，地下的岩体处于应力平衡的状态。然而，在隧道开挖以后，原有的天然应力状态被破坏，这样围岩中的应力就开始重新分布，切向应力增大，径向应力减小，并在洞壁处达到极限。这种应力状态的变化使

25、得围岩向隧道临空面发生变形，并且围岩本身的裂隙也将发生扩容和扩展，这样围岩的力学性质逐渐恶化。在围岩应力条件下，在洞壁附近切向应力出现高度集中，继而使岩层屈服进入塑性状态。这时如果不及时进行适当的支护，临空塑性区就会随着变形的进一步加大而出现松动破坏。在这种情况下，可自隧道临空面向外依次将隧道围岩划分为塑性流动区、塑性软化区、塑性硬化区、弹性区四个区113。每个区的力学行为与岩石的全应力-应变曲线中的相应段相对应，其中弹性区对应于弹性变形阶段，塑性硬化区对应于塑性硬化阶段，塑性软化区对应于岩石的峰后软化阶段，塑性流动区对应于岩石的松动破坏阶段(如图6-1)。六防治措施(1) 在总结软岩支护理论

26、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

27、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，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3

28、m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。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.GeostudioTutorials EB.20042 Divis W FTheories of plasticity and the failure of soil massesMNew York：Elsevier,19