软岩大变形

软岩大变形
软岩大变形问题从20世纪60年代就作为世界性难题被提了出来，在地下工程的建设过程中，软岩问题一直是困扰工程建设和运营的重大难题之一。

特别是“九五”期间，我国10个能源建设基地有8个都相继出现了软岩问题，造成多对矿井的停产建设。

每年有大量的隧洞在软弱围岩中开挖，随着开挖深度的增加，软岩问题愈趋严重，直接影响着工程安全以及人身安全。

随着人类工程活动的不断增强，
软岩隧洞系指塑性大变形工程岩体有关的岩体工程，而工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。

工程软岩的定义不仅重视软岩的强度特征，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。

1.软岩大变形破坏特征
软岩隧洞的大变形破坏特征不仅受围岩的力学性质影响，而且受隧洞所处的地应力环境和工程因素控制。

我国许多煤矿在采深不大的情况下，坑道的变形破坏并不强烈，常规支护即可维护隧洞稳定。

加大采深后，这些煤矿坑道额稳定性降低，变形破坏趋于强烈，常规支护难以维护坑道稳定，因此，软岩隧洞的变形破坏特征受多种因素控制。

一般来说，软岩隧洞的破坏具有以下特征：
(1) 变形破坏方式多
除一般隧洞中常见的变形破坏方式拱顶下沉、坍塌外，还有片帮和底鼓、底围隆破，隧洞表现出强烈的整体收敛和破坏。

变形破坏表现的形式既有结构面控制，又有应力控制型，尤以应力控制型为主。

(2) 变形量大
拱顶下沉大于10cm，有的高达50cm，两帮挤入在20~80cm之间，底鼓非常强烈，在常规无仰拱支护的情况下，强烈的底鼓往往将整个隧洞封闭。

(3) 变形速度高
软岩隧洞初期收敛速度可以达到3cm/d，即使施作了常规锚喷支护以后，软岩隧洞的收敛速度依然很高，可达2cm/d，而且其变形收敛速度降低缓慢，因此，在不长的时间内其变形收敛就很大，多则一年，少则几个月就将隧洞封闭。

(4) 持续时间长
由于软岩具有强烈的流变性和低强度，因此，软岩隧洞开挖以后，围岩的应力重分布持续时间很长，软岩隧洞变形破坏持续很长时间，往往长达1~2年。

(5) 因位置而异
在隧洞周边不同部位，变形破坏程度不同，这反映了软岩隧洞所处的地应力强度因方向而异和软岩具有强烈的各向异性。

变形破坏在方向上的差异往往导致支护结构受力不均，支护结构中产生巨大的弯矩，这对支护结构的稳定是非常不利的。

(6) 围岩破坏范围大
由于软岩隧洞中围岩的强度与地应力的比值很小，因此，软岩隧洞围岩的破坏范围大，特别是当支护不及时或不当时，围岩破坏区的范围可达5倍的洞室半径，甚至更大。

一般的锚杆由于长度不够，往往不能伸入围岩弹性区进行锚固，这是许多软岩隧洞锚喷支护失败的根本原因。

(7) 来压快
矿压随时间而增大，由于软岩隧洞变形收敛速度高，在很短时间内，围岩即与支护结构接触，产生挤压，因此，软岩隧洞的来压快。

围岩与支护结构相互作用后，围岩的变形破坏并不立即停止，而是继续下去，这是因为软岩具有流变性，在围岩流变过程中，围岩的强度降低。

2.软岩隧洞的研究内容及研究方法
软岩隧洞的研究内容主要包括以下几个方面：
(一)软岩隧洞的理论研究
内容软岩的概念体系、软岩的基本特征与基本力学特征；方法上主要软岩的工程分类；软岩隧洞变形力学机制及转化模拟；软岩隧洞岩体的连续性概化；软岩隧洞岩体强度的确定，软岩隧洞支护原理及支护荷载的确定；关键部位耦合支护等。

(二)软岩隧洞新技术、新设计方法
包括软岩隧洞的支护原则；软岩隧洞支护非线性力学设计方法；刚柔性(RF)和刚隙柔层支护技术、锚网耦合支护技术、锚杆-锚网耦合支护技术及立体桁架支护技术等软岩隧洞支护新设计及新技术体系的研究。

(三) 软岩隧洞支护技术的应用研究
包括膨胀(S)型软岩、节理化(J)型软岩、高应力(H)型软岩以及复合型(HS、HJ、HJS)软岩等六类软岩隧洞支护技术的应用研究。

在综合分析已有研究资料的基础上，以软岩隧洞岩体力学为基础，以软岩的工程地质特征及软岩隧洞变形力学机制为切入点，从软岩隧洞支护理论研究、软岩隧洞设计研究和软岩隧洞支护技术研究三个方面，全面系统的探求和建立适合软岩隧洞支护理论体系。

软岩隧洞的研究方法如图1所示。

图1 软岩隧洞研究总体思路
3.软岩分类与分级及软岩软化程度分类
(一) 软岩分类与分级
进入软岩状态的隧洞，其软岩种类是不同的，其强度特性、泥质含量、结构面特点及其塑性变形特点差异很大。

根据上述特征的差异及产生大变形的机理，软岩可分为4大类，即膨胀型软岩(也称低强度软岩)、高应力型软岩、节理化型软岩和复合型软岩，见表1。

膨胀型软岩(Swelling Soft Rock，简称S型)，是指含有粘土高膨胀性矿物、在较低应力水平(<25MPa)条件下即发生显著大变形的低强度工程岩体。

产生大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(自由膨胀变形为10％~15％)和弱膨胀性软岩(自由膨胀变形<10％)。

根据其矿物组合特征和饱和吸水率两个指标可以分为3级。

表1 软岩分类 软岩分类
泥质含量 R c /MPa 大变形特点 膨胀型软岩
(称低强度软岩)
>25％ <25 在工程力的作用下，沿片架状硅酸盐粘土矿物产生滑移，遇水显著膨胀等 高应力型软岩 ≤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
节理化型软岩 低~中等 少含 沿节理面等结构面产生滑移，扩容等塑性变形
复合型软岩 低~高
含 具有上述某种组合的复合型机理 注：R c 为岩体单轴抗压强度。

高应力软岩(High Stressed Soft Rock ，简称H 型)，是指在较高应力水平(>25MPa)条件下才发生显著大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。

他们的工程特点是，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征了。

其大变形的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。

高应力软岩根据应力水平分为三级，见表2。

节理化软岩(Jointed Soft Rock ，简称J 型)，是指含泥质成分很少(或几乎不含)的岩体。

这种软岩发育了多组节理，其中岩块的强度颇高，呈硬岩力学特征，但整个工程岩体在隧洞工程力的作用下则发生显著的大变形，呈现出软岩的特征，其大变形的机理是在工程力的作用下，结构面发生滑移和扩容变形。

例如，我国许多煤层坑道，煤块强度很高，节理发育良好，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的不同，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3级，见表3。

复合型软岩是指上述3种软岩类型的组合，即高应力-膨胀性复合型软岩，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。

表2 高应力软岩分级
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
表3 节理化软岩的分级 节理化软岩
节理组数 单位面积节理数J s /(条/ m 2) 完整系数k v 较破碎软岩
1~3 8~15 0.55~0.35 破碎软岩
≥3 15~30 0.35~0.15 极破碎软岩 无序≥3 >30 <0.15
(二) 软岩软化程度分类
衡量软岩软化的程度是判别支护难易程度的关键。

根据近期研究成果，利用软化指数的概念可以科学合理地进行软岩软化程度分类。

软化指数(f s )定义为软岩的临界荷载(cs σ)与工程中的最大应力(max σ)的比值，即：
max /s cs f σσ= (1)
软化程度分类见表4。

表4 软化程度分类
软岩类型
s f 工程力学状态 隧洞支护建议 非软岩
≥1 弹性 顶帮局部锚喷 软岩 准软岩
1~0.8 局部弹性 顶帮两角锚喷 一般软岩
0.8~0.5 全断面弹性 全断面锚网喷 超软岩
0.5~0.3 扩容、膨胀为主的塑性 全断面锚网喷＋关键点锚杆 极软岩 <0.3 扩容、膨胀和高应力挤出为主的塑性 全断面锚网喷＋
关键点锚杆
4.软岩的力学特征
(一) 基本力学特征
软岩有两个基本力学特征：软化临界荷载和软化临界深度。

他们揭示了软岩的相对性本质。

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，岩石呈现明显的塑性变形加速现象，即产生不稳定变形。

着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。

当岩石种类一定时，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。

与软化临界荷载相对应，存在着软化临界深度。

对特定地质条件，软化临界深度也是一个客观量。

当隧洞位置大于某一开挖深度时，围岩产生明显的塑性大变形、大地压和难支护现象；但当隧洞位置较浅，即小于某一深度时，大变形、大地压现象明显消失，这一临界深度称为岩石的软化临界深度。

软化临界深度的地应力水平大致相当于软化临界荷载。

软化临界荷载和软化
临界深度可以相互推求，只要确定了一个，即可求出另一个，确定的方法有：①蠕变实验法；②经验公式法；③现场观测法。

(二) 工程力学特征
软岩之所以能产生显著大变形的原因，是因为特征。

一般来说，软岩中的泥质成分(粘土矿物)和结构面控制了软岩的工程力学软岩具有可塑性、膨胀性、崩解性、分散性、流变性、触变性和离子交换性。

(1) 可塑性
可塑性是指软岩在工程力的作用下产生变形，去掉工程力之后这种变形不能恢复的性质。

低应力软岩、高应力软岩和节理化软岩的可塑性机理不同，低应力软岩的可塑性是由软岩中泥质成分的亲水性所引起的，而节理化软岩是由所含的结构面扩展、扩容引起的，高应力软岩是泥质成分的亲水性和结构面扩容共同引起的。

节理化软岩的可塑性性变形是由于软岩中的缺陷和结构面扩容引起的，与粘土矿物成分吸水软化的机制没有关系。

(2) 膨胀性
软岩在力的作用下或在水的作用下体积增大的现象，成为软岩的膨胀性。

根据产生膨胀的机理，膨胀性可以分为内部膨胀性、外部膨胀性和应力扩容膨胀性三种。

内部膨胀性是指水分子进入晶胞层间而发生的膨胀；外部膨胀性是极化的水分子进入颗粒与颗粒之间而产生的膨胀性；扩容膨胀性是软岩受力后其中的微裂隙扩展、贯通而产生的体积膨胀现象，故亦称为应力扩容膨胀性。

如果说内部膨胀性是指层间膨胀、外部膨胀是指颗粒间膨胀的话，扩容膨胀则是集合体间隙或更大的微裂隙的受力扩容，前两者的间隙是原生的，后者主要是次生的；前两者的膨胀机理是一种与水作用的物理化学机制，而后者则属于力学机制，即应力扩容机制。

实际工程中，软岩的膨胀是综合机制。

但对于低应力软岩来说，以内部膨胀和外部膨胀机制为主；对节理化软岩来说，则以扩容机制为主；对高应力软岩来说，可能诸种机制同时存在且均起重要作用。

(3) 崩解性
低应力软岩和高应力软岩、节理化软岩的崩解机理是不同的。

低应力应力软岩的崩解性是软岩中的粘性矿物集合体在水作用时膨胀应力不均匀分布造成崩裂现象；高应力软岩和节理化软岩的崩解性则主要表现为在隧洞工程力的作用下，由于裂隙发育的不均匀造成局部张应力集中引起而引起的向空间崩裂、片帮的现象。

当然，高应力软岩也存在着遇水崩解的现象，但不是控制因素。

(4) 流变性
软岩是一种流变材料，具有流变特性的材料的力学性状和行为是流变学的研
究范畴。

流变性又称粘性，是指物体受力变形过程与时间有关的变形性质。

软岩的流变性包括弹性后效、流动、结构面的闭合和滑移变形，流动又可分为粘性流动和塑性流动。

弹性后效是一种延迟发生的弹性变形和弹性恢复，外力卸除后最终不留下永久变形；流动是一种随时间延续而发生的塑性变形(永久变形)，其中粘性流动是指在微笑外力作用下发生的塑性变形(永久变形)，塑性流动是指外力达到极限值后才开始发生的塑性变形；闭合和滑移是岩体中结构面的压缩变形和结构面间的错动，也属塑性变形。

软岩的流变性主要体现在软岩的蠕变性、松弛性和流动极限的衰减性质。

蠕变性是指在恒定荷载作用下发生的流变性质，用蠕变方程和蠕变曲线来表示。

在较高的应力水平下，蠕变曲线一般可分为三个阶段：①衰减阶段，应变速率由大逐渐减小，蠕变曲线上凸；②等速蠕变，应变速率近似为常数或为0，蠕变曲线近似为直线；③加速蠕变，应变速率逐渐增加，蠕变曲线下凹。

并不是任何材料在任何应力水平上都存在蠕变三阶段。

同一材料，在不同应力水平上的蠕变阶段表现不同。

松弛性是指在恒定变形条件下，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。

松弛特性划分为3种类型：①立即松弛；②完全松弛；③不完全松弛。

(5) 软岩的易扰动性
软岩的易扰动性是指由于软岩软弱、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、临近隧洞施工扰动极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化的特点。

5.软岩变形力学机制及判别
(一) 变形力学机制
软岩隧洞变形、破坏和失稳是多方面的，但其根本原因是其复杂的变形力学机制。

根据理论分析和大量的工程实践，初步将软岩的变形力学机制归纳为3大类，即物化膨胀型、应力扩容型和结构变形型。

各类中又依据引起变形的严重程度分为A、B、C、D四个等级，共13亚类，如图2所示。

显然，Ⅰ类机制与软岩本身分子结构的化学特性有关，Ⅱ类机制与力源有关，Ⅲ类机制则与隧洞结构与岩体结构面的组合特性有关。

这三类机制基本概括了软岩大变形的主要动因。

(二) 变形力学机制的确定
每种变形力学机制都有其独特的特征型矿物、力学作用和结构特点，其软岩隧洞的破坏特征也有所不同，如表5所示。

通过野外工程地质研究和室内物化力学试验分析以及理论分析，可以正确地确定软岩隧洞的变形力学机制类型。

Ⅰ型
变形力学机制主要依据其特征矿物和微隙发育情况进行确定；Ⅱ型变形力学机制主要是根据受力特点及工程力的作用下隧洞的特征来确定；Ⅲ型变形力学机制主要是受结构面影响而非对称变形力学机制，要求首先鉴别结构面的力学性质及其构造体系归属，然后再根据其产状与隧洞走向的相互交切关系来确定。

图2 软岩隧洞变形力学机制及分类
软岩隧洞的变形力学机制通常是三种以上变形力学机制的复合类型。

例如，某隧洞周边软岩，经过现场调查、实验室实验和近代力学研究，确定一定范围内的拱顶和仰拱岩层含有蒙脱石和伊/蒙混层矿物；隧洞变形严重程度与深度有关而破坏方向性不明显。

因此，确定该岩层的变形力学机制类型为ⅠAⅡB复合型，简称ⅠAⅡB型。

在拱顶和仰拱局部页岩中，除了具备ⅠAⅡB型特点外，弱层十分发育，并且弱层处常发育光滑剪切面，又依据其弱层产状和隧洞走向关系，其变形力学机制类型为ⅠAⅡBⅢBA和ⅠAⅡBⅢBC型。

表5 软岩隧洞变形机制及破坏特点
类型亚型控制性因素特征性软岩隧洞破坏特点
Ⅰ型ⅠA型
分子吸水机制，晶胞之间可吸收
无定量水分子，吸水能力强
蒙脱石型
围岩暴露后，容易风
化、软化、裂隙化，
因而怕风、怕水、怕
震动；Ⅰ型隧洞底鼓、
挤帮、难支护，其严
重程度从ⅠA、ⅠAB、
ⅠB依次减弱；ⅠC型
则看微隙发育程度ⅠAB型ⅠA&ⅠB决定于混层比伊/蒙混层型
ⅠB型
胶体吸水机制，晶胞之间不允许
进入水分子，粘粒表面形成水的
吸附层
高岭石型
ⅠC型微隙-毛细吸水机制微隙型
Ⅱ型ⅡA型残余构造应力构造应力型
变形破坏与方向有
关，与深度无关ⅡB型自重应力重力型
与方向无关，与深度
有关
ⅡC型地下水水力型仅与地下水有挂ⅡD型工程开挖扰动工程偏应力型
与设计有关，隧洞密
集，岩柱偏小
Ⅲ型ⅢA型断层、断裂带断层型塌方、冒顶ⅢB型微弱夹层弱层型超挖、平顶ⅢC型层理层理型规则锯齿状ⅢD型优势节理节理型不规则锯齿状ⅢE型随机节理随机节理型掉块
6.软岩隧洞稳定性控制
根据对软岩的基本概念、力学属性、分类及其变形力学机制的研究，可以发现软岩隧洞之所以具有大变形、大地压、难支护的特点，是因为软岩隧洞围岩并非具有单一的变形力学机制，而是同时具有多种变形力学机制的“并发症”和“综
合症”-复合型变形机制，复合型变形力学机制是软岩变形和破坏的根本原因。

要想有效地进行隧洞支护，单一地支护方法是难以奏效地，必须采取“对症下药”地复合这种“综合症”、“并发症”特点的联合支护方法。

(一) 软岩隧洞支护关键技术
要对软岩隧洞实施成功支护，须运用三个技术关键：
①正确地确定软岩变形力学机制的复合型。

②有效地将复合型变形力学机制转化为单一型。

③合理地运用复合型变形力学机制的转化技术。

不同的变形力学机制类型有不同的支护技术对策要点，而且软岩隧洞类型的共性是具有“并发症”和“综合症”的复合型。

因此，支护的关键技术对策是有效地把复合型转化为单一型。

由于各软岩“并发症”的内在变形力学机制不同，其转化的对策有所不同，对应的转化技术也不同。

因此，要做好软岩支护工作，除了正确地确定软岩隧洞变形力学机制类型、有效地转化复合型地变形力学机制之外，要十分注重并合理地运用复合型向单一型转化技术，即与软岩变形过程中每个支护力学措施的支护顺序、时间、效果密切相关，每个环节都将是十分考究，必须适应其复合型变形力学机制的特点。

只有这样，才能保证做到“对症下药”，才能保证支护成功。

(二) 软岩隧洞支护结构特点
软岩隧洞的变形破坏具有自身显著的特点，支护结构只有适合软岩隧洞的变形破坏特征，才能维护软岩隧洞的稳定。

许多支护结构在维护软岩隧洞中失败并不是因为它们的强度低，而往往是因为它们的柔性太低或不够，在支护过程中不能做到边支边让等，即支护结构不适合软岩隧洞的变形破坏特征。

要维护软岩隧洞的稳定，支护结构必须具备以下特点：
(1) 强柔性
理论分析表明，在软岩隧洞变形破坏初期，围岩压力随软岩隧洞变形收敛的增加而减小。

因此，支护结构应当具有强烈的柔性。

这样，在支护过程中，支护结构能允许围岩大幅度收敛以降低支护结构所受的围岩压力。

提高支护结构的刚度和强度的思路是行不通的，这是因为软岩隧洞的初期围岩压力太大，在这一阶段阻止围岩进一步变形收敛必然要求支护结构具有大刚度和高强度，导致支护结构的造价太高。

因此，这种支护设计思想正是被工程技术人员所摈弃。

(2) 高可缩性
软岩隧洞变形收敛量大，只有软岩隧洞变形收敛量达到一个较大值时，围岩压力才会有明显的降低，降至支护结构能够承受的范围，这就要求支护结构有很高的可缩性。

只有支护结构的可缩性很大时，才能保证以较低强度的支护结构即
能维护软岩隧洞的稳定，进而达到降低支护成本的目的。

(3) 边支边让
软岩的力学试验证明，在无围压压缩状态下，软岩表现出较强的弹脆性，软岩破坏以后，强度有很大的降低，而当围压比较大时，软岩的塑性就明显增强，软岩屈服以后，强度降低不明显。

这说明，一定的围压能够改善软岩变形破坏过程，使软岩在变形破坏的过程中强度不致有太大的降低。

体现在支护结构的设计上，就是要求支护结构在支护过程中自始至终都能给围岩以支撑，提供一定的支撑力，使围岩在变形破坏过程中强度不致有太大的降低，减小作用于支护结构上的围岩压力。

(4) 增阻性
支护结构必须具有增阻性，即具有支护抗力随变形增大而增大的特性，特别是在软岩隧洞变形破坏后期，支护结构的增阻性应更强，支护结构的刚度能够迅速提高，以达到最终完全阻止围岩变形破坏的目的。

(5)有限的可缩性
软岩隧洞在变形过程中，围岩的破坏区不断增大，当围岩破坏区扩展到一定范围时，围岩压力不再随软岩隧洞变形破坏而减小，而是增大。

因此，此时支护结构的可缩性也应达到极限，这样支护结构能够及时阻止围岩进一步变形破坏。

从保证隧洞断面满足工程使用上的要求角度出发，支护结构也必须具有有限的可缩性。

(6) 合理的结构构造
由于地应力和软岩的力学性质具有因方向而异的特点，软岩隧洞的变形破坏强度也就因方向而异，这往往导致支护结构承受不均的围岩压力，不均的围岩压力在常规支护结构中会产生很大的弯矩。

很多构件特别是混凝土构件的抗弯能力很低，在弯矩作用下极易造成破坏，但它们的抗压性能却很好。

因此，在设计软岩隧洞支护结构时，使支护结构在不均的围岩压力作用下不会产生很大的弯矩，以充分利用构件抗压性能大大优于抗拉性能的特性。

(7) 施工方便性
软岩隧洞的尺寸一般不大，空间有限，大规模的机械设备难以展开，这就要求支护结构的尺寸、质量必须适当，施工方便，以降低工人的劳动强度，提高施工速度，降低造价。

(8) 经济性
在设计软岩隧洞支护结构时，不但要考虑技术上的可行性，而且要考虑经济上合理，只有把两者紧密结合起来的支护结构才具有推广应用的价值。

(三) 软岩隧洞支护原则。