软岩的工程地质特性研究

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（ c）在0.5~25MPa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：

][ ][U U ≥≥且σσ （1-1）

式中，σ为工程荷载，MPa ；[σ]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0.2～0.8MPa 。，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4~6 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2~3 mm/d，底鼓速度仍达5 mm/d。隧道每隔3~6个月就需彻底翻修，每米隧道的年维修费高达2~3万元。

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dγ= 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