軟巖的力學(xué)特性及工程危害

1、 隧道軟巖大變形的力學(xué)機(jī)制及其防治措施學(xué)院：環(huán)境與土木工程學(xué)院任課老師：鄧 輝姓名：鄒杰學(xué)號：2012050126班級：地質(zhì)三班 隧道軟巖大變形的力學(xué)機(jī)制及其防治措施摘要：深埋長大隧道在克服高山峽谷等地形障礙、縮短空間距離及改善陸路交通工程運(yùn)行質(zhì)量等方面具有不可替代的作用。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)的高速發(fā)展和西部大開發(fā)的進(jìn)一步推進(jìn)，大量深埋長大山嶺隧道工程紛紛上馬，特別是用于公路交通的長大山嶺公路隧道得到了前所未有的發(fā)展，遇到的地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜。當(dāng)隧道穿越高地應(yīng)力區(qū)及軟弱圍巖區(qū)，常引發(fā)隧道軟巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害。深埋長大隧道投資巨大、建設(shè)周期長，一般都是整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的關(guān)鍵性控制工期工程，因此，研

2、究深埋長大山嶺隧道軟巖大變形機(jī)理，對其進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測和治理研究有著非常重要的意義。本文首先對軟巖的類型力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了劃分，找到軟巖的特點(diǎn)。對隧道軟巖進(jìn)行了分析，為隧道軟巖大變形的工程危害及處理措施提供了理論基礎(chǔ)。介紹了區(qū)域工程地質(zhì)條件，主要包括區(qū)域地質(zhì)，地形地貌，地層巖性，地質(zhì)構(gòu)造，水文地質(zhì)條件及巖體物理力學(xué)性質(zhì)等?？偨Y(jié)了隧道圍巖大變形特征，在綜合考慮圍巖巖性、地質(zhì)情況、應(yīng)力特性、變形速率與累計(jì)變形量、施工與設(shè)計(jì)理念及施工擾動(dòng)等多種因素的基礎(chǔ)上，從工程性質(zhì)方面著手，將云嶺隧道圍巖大變形定義為：在兩鄖(鄖西-鄖縣)斷裂影響下，隧道正常施工開挖后，圍巖變形速率或累計(jì)變形量超過警戒值，且沒有緩和趨勢，

3、超過預(yù)留變形量造成侵限，或者圍巖產(chǎn)生具有累進(jìn)性和明顯時(shí)間效應(yīng)的塑性變形且變形得不到有效約束的現(xiàn)象。關(guān)鍵字：隧道 軟巖 變形 工程危害 一 、軟巖的概念軟巖是軟弱不良巖層的簡稱。我國煤炭系統(tǒng)于1984年召開過礦山壓力名詞專題討論會(huì)，初步將軟巖定義為“強(qiáng)度低，孔隙大，膠結(jié)程度差，受構(gòu)造切割面及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹粘土礦物的松、散、軟、弱巖層。后認(rèn)為該定義還應(yīng)補(bǔ)充軟巖的流變性及高地應(yīng)力情況，綜合這一定義又進(jìn)行了一條列的軟巖分類研究工作，例如早期提出的按單一指標(biāo)分類的有：單向抗壓強(qiáng)度小于20入且a的巖層稱為軟巖?？箟簭?qiáng)度與上覆巖層荷重(rh)之比小于或等于2的巖層為軟巖；松動(dòng)圈厚度大于或等于1.

4、sm的圍巖稱為軟巖周等等。但是此定義欠明確。突出表現(xiàn)以下兩方面：在軟弱的巖石(巖塊)、巖體(小范圍)、巖層和圍巖中到底定義哪一個(gè)?是依據(jù)巖層(或其它)的基本特性來定義還是依據(jù)圍巖的變形和破壞情況來定義，或是依據(jù)支護(hù)的難易程度來定義?本文認(rèn)為一個(gè)軟巖概念難以包括以上所有內(nèi)容，從較為科學(xué)的角度出發(fā)，應(yīng)該用兩個(gè)概念分別定義:（1）沿用巖體工程分類的思想和方法，只依據(jù)巖層的物理、力學(xué)和化學(xué)等性質(zhì)來定義軟巖。不再涉及地應(yīng)力、圍巖變形和支護(hù)難易程度，其定義可為:“軟巖是松軟、破碎、風(fēng)化、軟弱等不良巖層的總稱?！保?）從圍巖的變形和破壞或支護(hù)難易程度定義一個(gè)新概念-大變形圍巖。其實(shí)質(zhì)是考慮支護(hù)與圍巖組成的力

5、學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于四因素，即荷載、受力材料的物理力學(xué)特性，幾何形狀和材料的強(qiáng)度。在地下工程中就是考慮地應(yīng)力、巖層各方面的性質(zhì)、地質(zhì)影響因素和地下空間的幾何形狀。當(dāng)圍巖應(yīng)力大于其強(qiáng)度時(shí)，支護(hù)與圍巖系統(tǒng)就不穩(wěn)定。大變形圍巖可定義為:“大變形圍巖是指地下空間開挖后會(huì)產(chǎn)生如流變，膨脹等顯著時(shí)效變形且用常規(guī)支護(hù)困難的圍巖?！倍?、軟巖的基本力學(xué)屬性軟巖有兩個(gè)基本力學(xué)屬性：軟化臨界荷載和軟化臨界深度（1）軟化臨界荷載 軟巖的蠕變試驗(yàn)表明，當(dāng)所施加的荷載小于某一荷載水平時(shí)，巖石處于穩(wěn)定變形狀態(tài)，蠕變曲線趨于某一變形值，隨時(shí)間延伸而不再變化；當(dāng)所施加的荷載大于某一荷載水平時(shí)，巖石呈現(xiàn)明顯

6、的塑性變形加速現(xiàn)象，即產(chǎn)生不穩(wěn)定變形，這一荷載稱為軟巖的軟化臨界荷載，亦即能使巖石產(chǎn)生明顯變形的最小荷載。 巖石種類一定時(shí)，其軟化臨界荷載是客觀存在的。當(dāng)巖石所受荷載水平低于軟化臨界荷載時(shí)，該巖石屬于硬巖范疇；當(dāng)巖石所受的荷載水平高于該巖石的軟化臨界荷載時(shí)，則該巖石表現(xiàn)出軟巖的大變形特性，此時(shí)的巖石被視為軟巖。（2）與軟化臨界荷載相對應(yīng)地存在著軟化臨界深度。對特定礦區(qū)，軟化臨界深度也是一個(gè)客觀量。當(dāng)巷道位置大于某一開采深度時(shí)，圍巖產(chǎn)生明顯的塑性大變形、大地壓和難支護(hù)現(xiàn)象；但當(dāng)巷道位置較淺，即小于某一深度時(shí)，大變形、大地壓現(xiàn)象明顯消失。這一臨界深度，稱之為巖石軟化臨界深度。 軟化臨界深度的地應(yīng)力

7、水平大致相當(dāng)于軟化臨界荷載。三、軟巖的分類軟巖可分為四大類：膨脹性軟巖(也稱低強(qiáng)度軟巖)、高應(yīng)力軟巖、節(jié)理化軟巖和復(fù)合型軟巖。（見表1） 表1 軟巖的分類軟巖名稱泥質(zhì)成分含量塑性變形特點(diǎn)膨脹性軟巖25%在工程力作用下，沿片架裝硅酸鹽粘土產(chǎn)生滑移，遇水顯著膨脹等。高應(yīng)力軟巖=25MPa沿片架狀粘土礦物產(chǎn)生滑移，復(fù)合型軟巖=25%具有上訴某種組合的復(fù)合機(jī)理1.膨脹性軟巖的分級膨脹性軟巖(Swelling Soft Rock，簡稱S型)，系指含有粘土高膨脹性礦物在較低應(yīng)力水平(15%)、中膨脹性軟巖(自由膨脹變形10%15%)和弱膨脹性軟巖(自由膨脹變形10%)。根據(jù)礦物組合特征和飽和吸水率兩個(gè)指標(biāo)

8、可細(xì)分為三級，見表2表2膨脹性軟巖的分級膨脹性軟巖蒙脫石含量（%）干燥飽和吸水率（%）自由膨脹變形量（%）弱膨脹性軟巖1015中膨脹性軟巖10-3020-5010-15強(qiáng)膨脹性軟巖305025MPa)條件下才發(fā)生顯著變形的中高強(qiáng)度的工程巖體。這種軟巖的強(qiáng)度一般高于25MPa，其地質(zhì)特征是泥質(zhì)成分較少，但有一定含量，砂質(zhì)成分較多，如泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)砂巖等。它們的工程特點(diǎn)是，在深度不大時(shí)，表現(xiàn)為硬巖的變形特征；當(dāng)深度加大至一定深度以下，就表現(xiàn)為軟巖的變形特性了。其塑性變形機(jī)理是處于高應(yīng)力水平時(shí)，巖石骨架中的基質(zhì)(粘土礦物)發(fā)生滑移和擴(kuò)容，此后再接著發(fā)生缺陷或裂紋的擴(kuò)容和滑移塑性變形。 根據(jù)高應(yīng)力類

9、型不同，高應(yīng)力軟巖可細(xì)分為自重高應(yīng)力軟巖和構(gòu)造高應(yīng)力軟巖。前者的特點(diǎn)是與深度有關(guān)，與方向無關(guān)；而后者的特點(diǎn)是與深度無關(guān)，而與方向有關(guān)。根據(jù)應(yīng)力水平分為三級，即高應(yīng)力軟巖、超高應(yīng)力軟巖和極高應(yīng)力軟巖,見表3表3 高應(yīng)力軟巖的分級高應(yīng)力軟巖應(yīng)力水平（MPa）高應(yīng)力軟巖25-50超高應(yīng)力軟巖50-75極高應(yīng)力軟巖75高應(yīng)力的界線值是根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)定義的軟巖概念(c=0.525MPa)而確定的。即能夠使c25MPa的巖石進(jìn)入塑性狀態(tài)的應(yīng)力水平稱為高應(yīng)力水平。3.節(jié)理化軟巖的分級節(jié)理化軟巖(Jointed Soft Rock，簡稱型)，系指含泥質(zhì)成分很少(或幾乎不含)的巖體，發(fā)育了多組節(jié)理，其中巖

10、塊的強(qiáng)度頗高，呈硬巖力學(xué)特性，但整個(gè)工程巖體在巷道工程力的作用下則發(fā)生顯著的變形，呈現(xiàn)出軟巖的特性，其塑性變形機(jī)理是在工程力作用下，結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移和擴(kuò)容變形。此類軟巖可根據(jù)節(jié)理化程度不同，細(xì)分為鑲嵌節(jié)理化軟巖、碎裂節(jié)理化軟巖和散體節(jié)理化軟巖。根據(jù)結(jié)構(gòu)面組數(shù)和結(jié)構(gòu)面間距兩個(gè)指標(biāo)將其細(xì)分為三級，即較破碎軟巖、破碎軟巖和極破碎軟巖見表4表4 節(jié)理化軟巖分級節(jié)理化軟巖單位面積節(jié)理組數(shù)完整系數(shù)較破碎軟巖1-30.55-0.35破碎軟巖=30.35-0.15極破碎軟巖無序0.154.復(fù)合型軟巖 復(fù)合型軟巖是指上述三種軟巖類型的組合。即高應(yīng)力強(qiáng)膨脹復(fù)合型軟巖，簡稱HS型軟巖；高應(yīng)力節(jié)理化復(fù)合型軟巖，簡稱HJ

11、型軟巖；高應(yīng)力節(jié)理化強(qiáng)膨脹復(fù)合型軟巖，簡稱HJS型軟巖。軟巖的物理力學(xué)特性軟巖的物理力學(xué)特性軟巖的物理力學(xué)特性軟巖的物理力學(xué)特性（1）軟巖的成分軟巖物質(zhì)成分一般由固體相、液體相、氣體相等三相組成的多相體系，有時(shí)由兩相組成。固體相是由許許多多大小不等、形狀不同的礦物顆粒按照各種不同的排列方式組合在一起，構(gòu)成軟巖的主要部分，稱“骨架”。在顆粒間的孔隙中，通常有液相的水溶液和氣體形成三相體，有時(shí)只被水或氣體充填形成二相體。由于顆粒、水溶液和氣體這三個(gè)基本組成部分不是彼此孤立地、機(jī)械地混在一起，而是相互聯(lián)系、相互作用，共同形成軟巖的工程地質(zhì)性質(zhì)，并決定軟巖力學(xué)特性。固相顆粒是軟巖的最主要的物質(zhì)組成，構(gòu)

12、成軟巖的主體，是最穩(wěn)定、變化最小的成分，在三相之間相互作用過程中，一般居主導(dǎo)地位，對于固相顆粒部分，在進(jìn)行軟巖的工程地質(zhì)研究時(shí)，從顆粒大小的組合和礦物成分，化學(xué)成分三個(gè)方面來考慮。組成軟巖的液體相部分實(shí)際上是化學(xué)溶液而不是純水。若將溶液作為純水研究時(shí)，研究顆粒的親水性而形成的強(qiáng)結(jié)合水，弱結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水對軟巖工程地質(zhì)亦有很大的影響。 軟巖的固體相部分，實(shí)質(zhì)上都是礦物顆粒，并且是一種多礦物體系。不同的礦物其性質(zhì)各不相同，它們在軟巖中的相對含量和粒度成分一樣，也是影響軟巖的力學(xué)性質(zhì)的重要因素。1）原生礦物組成軟巖固體相部分的物質(zhì)，主要來自巖石風(fēng)化產(chǎn)物。巖石經(jīng)過物理風(fēng)化、遷移作用、沉積作用、成

13、巖作用而形成軟巖。原生礦物仍保留著風(fēng)化作用前存在于母巖中的礦物成分。軟巖中原生礦物主要有：硅酸鹽類礦物、氧化物類礦物，此外尚有硫化物類礦物及磷酸鹽類礦物。 硅酸鹽類礦物中常見的有長石類、云母類、輝石類及角閃石類等礦物。常見的長石類礦物有鉀長石(KAISI3O8)和鈣長石(CaAl2O8)。它們不太穩(wěn)定，風(fēng)化作用易形成次生礦物。常見的云母類礦Mn)3AlSi3O10 (OH)2)。兩者都不易風(fēng)化，云母類礦物含較多的Fe、Mg、K等元素。常見的輝石類和角閃石類礦物有普通輝石(Ca(Mg、Fe、Al)(Si, Al)206)和普通角閃石(Ca2Na(Mg、Fe)4(A1, Fe+3)(Si,Al)4

14、O11)(OH)2)。氧化物類礦物中常見的有石英、赤鐵礦、磁鐵礦，它們相當(dāng)穩(wěn)定，不易風(fēng)化，其中石英是軟巖中分布較廣的一種礦物。軟巖中硫化物類礦物通常只有鐵的硫化物，它們極易風(fēng)化。磷酸鹽類礦物主要是磷灰石。物有白云母(KAl2AlSi3O10(OH, F)2)和黑云母(K(Mg、Fe、Mn)3AlSi3O10 (OH)2)。兩者都不易風(fēng)化，云母類礦物含較多的Fe、Mg、K等元素。常見的輝石類和角閃石類礦物有普通輝石(Ca(Mg、Fe、Al)(Si, Al)206)和普通角閃石(Ca2Na(Mg、Fe)4(A1, Fe+3)(Si,Al)4O11)(OH)2)。 氧化物類礦物中常見的有石英、赤鐵礦

15、、磁鐵礦，它們相當(dāng)穩(wěn)定，不易風(fēng)化，其中石英是軟巖中分布較廣的一種礦物。軟巖中硫化物類礦物通常只有鐵的硫化物，它們極易風(fēng)化。磷酸鹽類礦物主要是磷灰石。2)次生產(chǎn)物原生礦物在一定的氣候條件下，經(jīng)化學(xué)風(fēng)化作用，使原生礦物進(jìn)一步分解，形成一種新的礦物，顆粒變得更細(xì)，甚至變成膠體顆粒，這種礦物稱次生礦物。次生礦物有兩種類型：一種是原生礦物中的一部分可溶的物質(zhì)被溶濾到別的地方沉淀下來，形成“可溶的次生礦物”；另一種是原生礦物中可溶的部分被溶濾走后，殘存的部分性質(zhì)已改變，形成了新的“不可溶的次生礦物”?？扇苄缘拇紊V物主要指各種礦物中化學(xué)性質(zhì)活潑的K、Na、Ca、Mg 及Cl、S 等元素。這些元素呈陽離子及

16、酸根離子，溶于水后，在遷移過程中，因蒸發(fā)濃縮作用形成可溶的鹵化物、硫酸鹽及碳酸鹽。這些鹽類一般都結(jié)晶沉淀并充填于軟巖的孔隙內(nèi)，形成不穩(wěn)定的膠結(jié)物；未沉淀析出的部分，則成離子狀態(tài)存在于軟巖的孔隙溶液中，這種溶液與粘粒相互作用，影響著軟巖的工程地質(zhì)性質(zhì)。不可溶性的次生礦物有次生二氧化硅、氧化物、粘土礦物。次生二氧化硅是由原生礦物硅酸鹽經(jīng)化學(xué)風(fēng)化后，原有的礦物結(jié)構(gòu)被破壞，游離出結(jié)晶格架的細(xì)小碎片，由SiO2組成，氧化物多由三價(jià)Fe、Al和O、OH、H2O等組成的礦物，如磁鐵礦等。粘土礦物是原生礦物長石及云母等硅酸鹽類礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化而成。主要有高嶺石、水云母(伊利石)、蒙脫石等。粘土礦物是軟巖的重要組

17、成部分。3）有機(jī)制有機(jī)質(zhì)由軟巖中動(dòng)植物殘骸在微生物的作用下分解而成：一種是分解不完全的植物殘骸，形成泥炭，疏松多孔；另一種則是完全分解的腐植質(zhì)。有機(jī)質(zhì)的親水性很強(qiáng)，對軟巖性質(zhì)的影響很大四、軟巖的力學(xué)特性（1）水的軟化效應(yīng) 圖1展示出第三紀(jì)泥巖在不同含水量條件下的試驗(yàn)結(jié)果其規(guī)律性 表 現(xiàn)為含水量越多，力學(xué)性質(zhì)越差。（2）溫度效應(yīng) 當(dāng)前地下深采礦山工程溫度效應(yīng)還未提到日程上來 ,但對高寒地區(qū)露天工程已經(jīng)形成危害。例如，高寒地區(qū)的水電工程和交通 、礦山邊坡工程 ,由于凍融作用,導(dǎo)致巖體逐年疲勞累積 ,力學(xué)性質(zhì)下降（如表2） 表2 軟巖凍融試驗(yàn)結(jié)果、巖組實(shí)驗(yàn)條件抗壓強(qiáng)度/MPa變形模量/MPa泊松比巖

18、塊結(jié)果特征泥巖垂直層面18.413000.3試件完整，無貫通性可見裂隙，隱裂隙和微裂隙非常發(fā)育平行層面17.812000.35垂直層面凍融6.140000.4用直接凍融法凍融后巖樣外觀隱微裂隙和微裂隙均有不同程度變化平行層面凍融5.439000.45頁巖垂直層面27.816000.29薄層狀完整巖塊無可見裂隙隱微裂隙發(fā)育平行層面26.412700.32垂直層面凍融22.213000.35巖塊經(jīng)凍融后隱微裂隙均有變化平行層面凍融20.310600.42煤垂直層面26.512000.29試件上有三組陡傾角隱裂隙，與層面接近正交，微裂隙發(fā)育平行層面25.611500.28垂直層面凍融24.21030

19、0.3凍融后煤塊隱裂隙有不同程度的顯化平行層面凍融24.29500.4云母石英片巖垂直片理干（110）凍（94）微風(fēng)化與片理斜交干（135）凍（102）圍壓效應(yīng)顯著盡管軟巖力學(xué)特性隨賦存環(huán)境變化有易變性 ,但在原應(yīng)力場條件下 ,其力學(xué)性能還是較高的。圖2展示出軟巖隨賦存環(huán)境應(yīng)力場擾動(dòng)程度不同,其變形模量變化規(guī)律由擾動(dòng)地區(qū)至未擾區(qū)逐漸提高,在未擾動(dòng)區(qū) E 值基本上是穩(wěn)定的,比洞壁擾動(dòng)區(qū)提高5倍多。圖1泥巖力學(xué)性質(zhì)與含水量的關(guān)系 圖2 極破碎纖閃石化玄武巖E與孔深關(guān)系時(shí)間效應(yīng)軟巖力學(xué)性質(zhì)的時(shí)間效應(yīng)表現(xiàn)在恒定載荷作用下巖體產(chǎn)生流變;在恒應(yīng)變條件下巖體應(yīng)力松弛。軟巖力學(xué)性質(zhì)與時(shí)間的相關(guān)性 ,隨時(shí)間的推

20、移有明顯降低。例如 ,白堅(jiān)系泥巖流變試驗(yàn)結(jié)果:含水量9% 的泥巖起始流變強(qiáng)度不到峰值強(qiáng)度50% ;臨界等速流變強(qiáng)度僅接近峰值強(qiáng)度的65%。關(guān)于軟巖隧道的支護(hù)研究，過去人們通常認(rèn)為隧道失穩(wěn)是由于支護(hù)本身的強(qiáng)度不夠，因此把如何確定支護(hù)力的大小當(dāng)成研究的重點(diǎn)。早期的太沙基理論和普氏理論都可看作是一種被動(dòng)的支護(hù)理論。新奧法的出現(xiàn)改變了人們的支護(hù)觀念，新奧法認(rèn)為應(yīng)充分利用圍巖自身強(qiáng)度來支撐自己，并及時(shí)用薄層噴射混凝土封閉圍巖，進(jìn)行柔性支護(hù)，同時(shí)用現(xiàn)場監(jiān)測信息來指導(dǎo)施工。新奧法支護(hù)理論可看作是一種主動(dòng)支護(hù)。五隧道支護(hù)理論的發(fā)展與現(xiàn)狀新奧法目前已成為隧道工程設(shè)計(jì)施工的主要方法之一，同時(shí)它也是軟弱圍巖支護(hù)主要

21、的理論之一。雖然新奧法在解決軟巖支護(hù)問題時(shí)有較好的效果，但是新奧法在解決軟弱圍巖支護(hù)與穩(wěn)定等方面存在一些不足：由于新奧法是以彈塑性理論為基礎(chǔ)的，而軟巖的流變性等問題已超出了彈塑性問題所能解決的范圍，以及由于人們對軟弱圍巖的物理含義和力學(xué)性質(zhì)理解還不夠，不合理地解釋極軟弱膨脹松散圍巖隧道的變形支護(hù)機(jī)理，造成錨噴或錨噴網(wǎng)支護(hù)的隧道大面積垮落、坍塌等事故，導(dǎo)致人力、物力的巨大浪費(fèi)與損失。近些年來，許多學(xué)者針對軟弱圍巖問題進(jìn)行了大量的研究，逐漸形成了一些有影響的理論我國軟巖支護(hù)系統(tǒng)研究工作始于1958年，之后在20世紀(jì)80年代，先后召開了20余次與軟巖工程相關(guān)的全國性會(huì)議，使地下工程軟巖問題的理論研究

22、進(jìn)入了一個(gè)新的階段。其中具有代表性的理論有：于學(xué)馥教授等人在1981年提出的“軸變論”理論，該理論認(rèn)為巷道坍落可以自行穩(wěn)定，可以用彈性理論進(jìn)行分析，圍巖破壞是由于應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度極限引起的，坍落改變巷道軸比，導(dǎo)致應(yīng)力重分布，應(yīng)力重分布的特點(diǎn)是高應(yīng)力下降，低應(yīng)力上升，并向無拉力和均勻分布發(fā)展，直到穩(wěn)定而停止。近些年來，于學(xué)馥教授等人運(yùn)用系統(tǒng)論、熱力學(xué)等理論提出了開挖系統(tǒng)控制理論，該理論認(rèn)為：開挖擾動(dòng)破壞了巖體的平衡，這個(gè)不平衡系統(tǒng)具有自組織功能。馮豫、陸家梁等結(jié)合軟弱圍巖實(shí)際，靈活運(yùn)用新奧法理論提出聯(lián)合支護(hù)理論，該理論的觀點(diǎn)可以概括為：對于軟巖支護(hù)適宜采用“先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩(wěn)定支護(hù)

23、”。孫鈞、鄭雨天和朱效嘉教授等提出的噴弧板支護(hù)理論，該理論是對聯(lián)合支護(hù)理論的發(fā)展。中國礦業(yè)大學(xué)董方庭教授提出松動(dòng)圈理論，其主要內(nèi)容是：凡是堅(jiān)硬圍巖的裸露隧道，其圍巖松動(dòng)圈都接近于零，此時(shí)隧道圍巖的彈塑性變形雖然存在，但并不需要支護(hù)。松動(dòng)圈越大，收斂變形越大，支護(hù)難度就越大，因此，支護(hù)的目的在于防止圍巖松動(dòng)圈展過程中的有害變形。何滿潮教授運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)和現(xiàn)代大變形力學(xué)相結(jié)合的方法，通過分析軟弱圍巖變形力學(xué)機(jī)制，提出的以轉(zhuǎn)化復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制為核心的一種新的隧道軟弱圍巖支護(hù)理論。這些理論與技術(shù)解決了大量軟弱圍巖支護(hù)問題，為我國地下工程的建設(shè)做出了貢獻(xiàn)5. 圍巖彈塑性分析隧道開挖前，圍巖賦存一定的應(yīng)

24、力狀態(tài)，并積存了相應(yīng)的應(yīng)變位能。而當(dāng)隧道開挖后，部分巖體被移去，導(dǎo)致洞周巖體失去支撐和約束，從而打破了原有的力學(xué)平衡，產(chǎn)生相應(yīng)的位移并牽動(dòng)更深巖體的位移，直至一定深度。使得圍巖體應(yīng)力場重新調(diào)整，即應(yīng)力重分布，并出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致隧道圍巖體應(yīng)力場及位移場分布特性發(fā)生根本性的變化。因此，研究隧道圍巖應(yīng)力重分布特性是判斷圍巖穩(wěn)定與否及工程設(shè)計(jì)與施工的必要工作。5.1隧道開挖后的應(yīng)力重分布隧道在進(jìn)行開挖之前，在特定地應(yīng)力場中，地下的巖體處于應(yīng)力平衡的狀態(tài)。然而，在隧道開挖以后，原有的天然應(yīng)力狀態(tài)被破壞，這樣圍巖中的應(yīng)力就開始重新分布，切向應(yīng)力增大，徑向應(yīng)力減小，并在洞壁處達(dá)到極限。這種應(yīng)力狀態(tài)的變化使

25、得圍巖向隧道臨空面發(fā)生變形，并且圍巖本身的裂隙也將發(fā)生擴(kuò)容和擴(kuò)展，這樣圍巖的力學(xué)性質(zhì)逐漸惡化。在圍巖應(yīng)力條件下，在洞壁附近切向應(yīng)力出現(xiàn)高度集中，繼而使巖層屈服進(jìn)入塑性狀態(tài)。這時(shí)如果不及時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)，臨空塑性區(qū)就會(huì)隨著變形的進(jìn)一步加大而出現(xiàn)松動(dòng)破壞。在這種情況下，可自隧道臨空面向外依次將隧道圍巖劃分為塑性流動(dòng)區(qū)、塑性軟化區(qū)、塑性硬化區(qū)、彈性區(qū)四個(gè)區(qū)113。每個(gè)區(qū)的力學(xué)行為與巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的相應(yīng)段相對應(yīng)，其中彈性區(qū)對應(yīng)于彈性變形階段，塑性硬化區(qū)對應(yīng)于塑性硬化階段，塑性軟化區(qū)對應(yīng)于巖石的峰后軟化階段，塑性流動(dòng)區(qū)對應(yīng)于巖石的松動(dòng)破壞階段(如圖6-1)。六防治措施(1) 在總結(jié)軟巖支護(hù)理論

26、的發(fā)展與現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過隧道圍巖彈塑性分析，以及軟巖大變形隧道的開挖方法、支護(hù)設(shè)計(jì)原則和支護(hù)方法的研究，得出了軟巖隧道大變形的施工對策，并將其應(yīng)用于云嶺隧道大變形洞段的治理，通過實(shí)際施工效果反饋，治理方案是有效適用的。(2) 在進(jìn)行軟巖大變形隧道的施工時(shí)，應(yīng)采取主動(dòng)整治原則，控制大變形對施工造成危害，其要點(diǎn)包括：初期支護(hù)應(yīng)采用柔性支護(hù)，這樣洞壁能發(fā)生較大的變形，從而消耗圍巖中儲存的部分能量；預(yù)留變形量必須留夠(寧多勿少)，防止初期支護(hù)變形過大侵入模筑混凝土凈空；要重視隧道底部的處理，仰拱應(yīng)不比其他部位襯砌薄，而且應(yīng)在開挖后立即澆注(仰拱不能及時(shí)澆注時(shí)，隧道應(yīng)加設(shè)長錨桿)。且仰拱的曲率應(yīng)比一般

27、隧道有所加大，當(dāng)采用臺階法分部開挖時(shí)，上半斷面應(yīng)加設(shè)臨時(shí)仰拱；加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)控量測，重視地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，動(dòng)態(tài)控制軟圍巖大變形。(3) 開挖和支護(hù)是大變形治理的現(xiàn)場實(shí)施階段，直接關(guān)系到治理效果和施工安全，通過運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，對隧道采用不同開挖進(jìn)尺、不同開挖方法的施工過程以及不同支護(hù)參數(shù)下圍巖位移的變化情況進(jìn)行了模擬，得出了以下結(jié)論：采用不同的開挖步長和開挖方法對圍巖均會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力擾動(dòng)。對于非線性特征明顯的軟巖，應(yīng)力調(diào)整是一個(gè)能量耗散的不可逆過程，因此不同的開挖步長和開挖方法都將引起不同的應(yīng)力擾動(dòng)效果?；蛘哒f不同的應(yīng)力路徑，將導(dǎo)致不同的終極應(yīng)力場和不同的圍巖位移變形量。采用1 m的開挖步長時(shí)比3

28、m的開挖步長時(shí)的開挖擾動(dòng)更小，采用預(yù)留核心土法開挖比采用上下臺階法開挖和全斷面法開挖的開挖擾動(dòng)更小。初期支護(hù)強(qiáng)度的增加對控制圍巖變形能起到較好的效果。隨著初期支護(hù)強(qiáng)度的增加，圍巖的位移變形量(包括拱頂下沉、水平收斂和底鼓)均有不同程度的減小。七展望深埋長大隧道作為陸路交通、海峽通道、水利水電及跨流域調(diào)水等大型土木工程建設(shè)項(xiàng)目中的一種重要結(jié)構(gòu)物，它在克服高山峽谷等地形障礙、縮短空間距離及改善線路運(yùn)營質(zhì)量等方面具有不可替代的作用。由于大埋深及穿越地質(zhì)單元的復(fù)雜性與多樣性，深埋長大隧道地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生通常具有普遍性，其中圍巖大變形更是成為地下工程世界性難題之一，因此，加大深埋長大隧道圍巖大變形機(jī)理及其控制技術(shù)研究的力度具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。1 Geo-Slope InternationalLtd.GeostudioTutorials EB.20042 Divis W FTheories of plasticity and the failure of soil massesMNew York：Elsevier,19