软岩隧道变形特性和施工对策

2.1　软岩变形力学机制

软岩巷道支护盲目性的表现之一是对其变形力学机制不清楚。不同的软岩在其特定的地质力学环境中所表现出的变形机制不同。软岩巷道之所以具有大变形、大地压、难支护的特点，是因为软岩巷道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”—复合型变形力学机制。软岩变形力学机制可分为三类十三亚类(图1)。每种变形力学机制有其独特的特征型矿物、力学作用和结构特点，其软岩巷道的破坏特征也有所不同(表3)。

表3　软岩巷道变形机制及破坏特点

Table 3　Deformation mechanism and failure characteristics of adit in soft rocks

类型 亚型 控制性因素

特征型 软岩巷道破坏特点

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：Ⅰ型巷道底鼓、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 变型破坏与方向有关，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 仅与地下水有关

ⅡD型 工程开挖活动 工程偏应力型 与设计有关，巷道密集，岩柱偏小

Ⅲ型

ⅢA型 断层、断裂带 断层型 塌方、冒顶

ⅢB型 软弱夹层 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

图1　软岩巷道变形力学机制

Fig.1　Deformation mechanism of adit in soft rocks

因此，要想有效地进行软岩巷道支护，单一的支护方法是难以奏效的，必须“对症下药”,采取符合这种“综合症”、“并发症”特点的联合支护方法。为此，要对软岩巷道实施成功支护，须运用以下3个技术关键：

2.1.1　软岩变形力学机制的确定

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，可正确地确定软岩巷道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在工程力作用下巷道的特征来确定；III型变形力学机制主要是受结构面影响的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，然后再依据其产状与巷道走向的相互交切关系来确定。

2.1.2　复合型变形力学机制的转化

软岩巷道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。不同复合型具不同的支护技术对策要点，因此，其支护的关键技术对策是有效地把复合型转化为单一型。

2.1.3　合理地运用复合型转化技术

要做好软岩支护工作，除了正确地确定软岩巷道变形力学机制类型、有效地转化复合型的变形力学机制之外，要十分注重、合理地运用复合型向单一型转化技术。即软岩变形过程中的每个支护力学措施的效果与时间、支护顺序密切有关，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特点。只有这样，才能保证支护做到“对症下药”，才能保证支护成功。

2.2　软岩软化路径及状态方程

岩石在工程力的作用下进入软岩状态的途径，从理论上可分为四种类型，即初始软化型、强度软化型、应力增长型、强度降低与应力增加复合型。

2.2.1　初始软化型

在工程开挖之初（T=0），岩石软化临界荷载（σcs）小于围岩应力（σmax），巷道持续变形不止，表明岩石即进入软岩状态。该种类型称为初始软化型。其状态方程为：

(5)

式中 U=Uc+Upo+Upr； U为总变形，mm； Uc为弹性变形，mm； Upo为与时间无关的塑性变形，mm； Upr为与时间有关的塑性变形（如流变等），mm。

2.2.2　强度软化型

在工程开挖一段时间以后（T=t），围岩应力为常量，围岩的软化临界荷载由于风化、裂隙化等影响不断降低，使得fs<1，巷道围岩持续变形。这种类型称为强度降低型。其软化状态方程为：

(6)

2.2.3　应力增长型

随着工程开挖的不断进行（T≥t），围岩的最大应力值不断增加，()，围岩的软化临界荷载保持不变（σcs=C），在某一时刻，围岩开始进入软岩状态（fs≤1）,巷道围岩持续变形不止。（），表明围岩进入了软岩状态。该种类型称为应力增长型，其状态方程为：

(7)

2.2.4　强度降低和应力增长复合型

随着工程开挖的不断进行(T≥t),围岩最大应力值不断增加(），围岩的软化临界荷载不断降低(σcs=f2(t),≤0),在某一时刻,围岩开始进入软岩状态(fs<1),巷道持续变形.该种类型称为强度降低和应力增长复合型,其状态方程为：

(8)