软岩工程地质特性与研究

1、-.-.-随着地下工程建立规模不断扩大，在城乡建立、水电、交通、矿山、港口以及国防军事 部的兴建，地下工程脆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，均存在脆弱岩 变，围岩、支护构造失稳事故时有发生，给人民生命财产造成巨大损失。软岩的概念及其物理力学特征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争辩会，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 层”，并从

2、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 1990 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 c在 0.525MPa 之间的 度小于 25MPa 的岩石也不会产生软岩的特征，工程实践中，承受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、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。假设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 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

3、对性实质。工程软岩要满足的条件是： 且 U U1-1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。此定义提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 如泥页岩等 程力作用下发生了显著变形的地质软岩，才作为工程软岩。软岩中患病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 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：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128

4、30m，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 0.20.8MPa3 8次塌方、3 次冒顶塌方。 度的 10%以下，隧道开挖后，围岩快速卸载，产生回弹和扩容，掘进工作面四周最初几天变形速率大，一般在46 mm/d岩体松散、离层和冒落。隧道开挖后自稳时间短，假设支护不准时，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，围岩变形量就到达 1

5、00cm 以上，支护遭到严峻破坏，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、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23万元。 例如 70 年月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，变形破坏砂岩，埋深z =100 m，半径R = 2 m，围岩容重d = 25 kN/m3。按原设计方案，巷道开挖后0明显的流变特性。地下水的软化作用显著。宜万铁路全线其次长隧，七大把握工程之一的堡镇隧道， 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。73km1100m，大变形和岩爆问题尤为突出。

6、软岩地区兴建地下工程问题防治及其争辩现状1990 年兴建的天生桥二级水电站引水隧洞，较早的借助了TBM隧道掘进机进展掘进施工，其后，此类大型施工设备被越来越广泛地应用于工程建立中，如2022 年兴建的秦岭器、砼喷射系统等，对工作人员进展安全技术等方面的培训，合理选择优化掘进参数，乐观目的。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，该地层岩性脆弱，强度低，模量低，特别是遇水后外表易软化、崩解，失水后易干缩开弱爆破、短进尺、强支护、快循环、早衬砌、勤排水、

7、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、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 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消灭，地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 有一古滑坡，岩石裂开，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40 m3/h，给施工带来困难。经分析争辩，承受了激光束导向测量，上导

8、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3 1996 2 月底顺当贯穿零号隧洞。重庆轻轨牌坊郑家院子区间隧道简称郑区间为重庆轻轨三号线一期工程，包距隧道掘进5.8 m 和爆破减振技术，保证围岩与支护构造的稳定性、光爆良好效果和地下管线安全。 化强，泥质板岩局部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 前地质预报，有针对性的对围岩地质条件进展探测，较好地推想了该隧道的围岩地质状况， 保障了工程施工安全和质量。 的争辩状况做一概述。不同种类软岩性质的争辩争辩，并据此考虑施工中所应承受的开挖及支护型式以及其他把握围岩稳定的措施和方

9、 法。 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、构造面特点、塑性变形力学特点等进展定性的分类。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2-1。软岩名称泥质含量岩石单轴抗压支护对策技术软岩名称泥质含量岩石单轴抗压支护对策技术强度c/MPa塑性变形特点膨胀性软岩低强度软岩25%25面产生滑移，遇水显著膨胀等刚柔层技术高应力软岩25%25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构造面产生滑移、扩容等 正交异性刚柔层技术塑性变形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膨胀性软岩的分级膨胀性软岩Swelli

10、ng Soft Rock，简称S型水平15%、中膨胀性软岩胀变形10%15和弱膨胀性软岩10。其矿物组合特征和饱和吸水率2-2。膨胀性软岩蒙脱石含量枯燥饱和吸水率自由膨胀变形量膨胀性软岩蒙脱石含量枯燥饱和吸水率自由膨胀变形量%0/%弱膨胀性软岩1015中膨胀性软岩103010501015强膨胀性软岩305025MP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，但有确定含量，砂质成分较多，如泥质粉砂岩、泥质砂岩等。它们的工程岩的变形特性了。其塑性变形机理是处于高应力水寻常，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

11、的扩容和滑移塑性变形。 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。高应力软岩应力水平MPa高应力软岩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高应力的界限值是依据国际岩石力学学会定义的软岩概= 0.525MP而确定的。c节理化软岩的分级节理化软岩Jointed Soft Roc，简称型，系指含泥质成分很少或几乎不含的岩 和构造面间距两个指标将其细分为三级，即较裂开软岩、裂开软岩和极裂开软岩。详见表2-4。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，条/2kv较裂开软岩138150.550.35裂开软岩315300.350

12、.15极裂开软岩无序300.15vpmprpm表中k=V 节理岩体弹性波纵波速度，km/s；V 完整岩块弹性波纵波速度，km/svpmprpm复合型软岩HS 型软HJ 简称HJS型软岩。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。分类指标软岩分类MPa泥质分类指标软岩分类MPa泥质含量构造面软岩分级分 级 指 标0c膨胀矿物组合岩岩岩岩低高含 少多组依据具体条件进展分类和分级%MPa25%少弱膨胀软岩50252.0节理组数节理间距完整指数低中等不含多组较裂开软岩条/m213m0.20.4kv0.550.35裂开软岩30.10.20.350.15极裂开软岩无序30.1 ，也只有蠕变I

13、 阶段和II 阶段，但c2c3II 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消灭III 阶段；在比较高的应力水平下= ，连续消灭蠕变、I、IIIc1c2c3阶段，变形在后期快速增长而导致破坏。松弛松弛曲线表示图2-。图2-2松弛特征曲线松弛特性可划分为三种类型：马上松弛0，松弛曲线与轴重合，如上图6 曲线。完全松弛变形保持恒定后，应力渐渐消逝，如图上5、4 曲线。不完全松弛变形保持恒定后，应力渐渐松弛，但最终不能完全消逝，而趋于某确定值，如图3、2 曲线。此外，还有一种极端状况：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

14、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。软岩的易扰动性.-.-.-软化、暴露后风化的特点。软岩的剩余抗剪强度通过试验争辩觉察，软岩在发生剪切裂开后，裂开面在水胶合的作用下会重产生一 12 块进展抗剪强度直剪试验，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。当将岩样屡次剪切一般 七八次左右剩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。为了解强度恢复状况，将屡次剪切后的岩样复位并加水饱和24h，再进展剪切试验。试 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

15、扰动剪切，其恢复水连接力气有所降低。抗剪强度岩性备 注粘聚力抗剪强度岩性备 注粘聚力MPa内摩擦角0.1730峰值强度白色泥质砂 第一组0.0457.5剩余强度0.0509.0强度恢复0.22518.5峰值强度白色泥质砂其次组0.037.0剩余强度0.03511.0强度恢复0.146.5峰值强度0.0532.5剩余强度灰白色泥岩0.0583.5一次强度恢复0.0553.0二次强度恢复影响软岩成洞稳定与安全的因素方法、支护构造的类型、支护的时机等因素影响。软岩工程地质条件 ，稳定性越差。岩体的构造类型。岩体工程性质的好坏，还取决于各种脆弱构造面和其间的充填 直接影响围岩的完整性。岩体越裂开，稳定性越差。初始地应力。初始地应力越大，开挖卸荷作用越大，洞室越不稳定。构皮滩电站初始地应力较低，以自重应力为主。地下水。地下水不仅通过水力、物理及化学作用弱化围岩的工程性质，降低围岩水性愈强，地下水对其影响愈大。隧洞断面的几何特征洞室的几何外形、跨度、矢跨比、覆跨比、洞室高度、相邻洞室之间的间距等均对洞室的稳定性有影响，以洞室跨度的影响最大。跨度越大，稳定性越差;矢跨比越小，隧洞顶越 扁平，稳定