張紅義

（四川綿九高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

在當(dāng)前，我國的高地應(yīng)力軟巖隧道工程在施工過程中面臨很多的問題，其中變形是其面對的最大問題。隧道工程在施工過程中出現(xiàn)軟巖受理變形，使得軟巖支護(hù)出現(xiàn)破壞和開裂，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致隧道塌方，形成不可逆的、難以修復(fù)的永久性支護(hù)破壞。與此同時(shí)，在軟巖隧道施工方法上，如果沒有采取科學(xué)、合理、恰當(dāng)?shù)氖┕し绞?，那么不僅會(huì)造成軟巖隧道施工工程造價(jià)的不斷提高，同時(shí)也會(huì)大大的影響軟巖隧道工程的施工質(zhì)量和施工安全性。通過對軟巖工程地質(zhì)力學(xué)進(jìn)行有效的研究，不斷結(jié)合軟巖隧道的施工現(xiàn)狀和具體情況來創(chuàng)新軟巖隧道的支護(hù)方法，有效的解決軟巖支護(hù)變形的問題，從而最大限度的提升軟巖隧道的施工效率和施工質(zhì)量。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)出一些新的技術(shù)或者理論來應(yīng)對和解決軟巖隧道的支護(hù)問題，并取得了很大的成效，如聯(lián)合支護(hù)技術(shù)、松動(dòng)圈技術(shù)、新奧法和大弧板理論或者技術(shù)等。但是由于工程軟巖具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，軟巖隧道的支護(hù)原則、原理和對策、軟巖隧道變形力學(xué)的相關(guān)機(jī)制、軟巖隧道很難支護(hù)的問題及原因等缺乏全面且系統(tǒng)的把握和研究，這使得很多問題依然存在且亟待解決，這很容易導(dǎo)致在軟巖工程支護(hù)成功效率的降低，實(shí)踐過于盲目，導(dǎo)致存在嚴(yán)重的浪費(fèi)資源的問題，不利于更好的提升軟巖隧道工程的支護(hù)效率和支護(hù)質(zhì)量。因此，本文主要對軟巖的概念及類型、軟巖的變形力學(xué)機(jī)制、軟巖的隧道支護(hù)相關(guān)內(nèi)容等進(jìn)行深入的討論和研究，旨在更好的研究和把握軟巖隧道的支護(hù)問題，運(yùn)用更加有效的技術(shù)方法來解決軟巖隧道的支護(hù)問題。

1 軟巖的概述

1.1 軟巖的概念及內(nèi)涵

軟巖是在一定的環(huán)境和條件下產(chǎn)生的一種塑性變形非常顯著的巖石力學(xué)介質(zhì)，其具內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的復(fù)雜性。軟弱、松散的巖層與堅(jiān)硬的巖層是相對的，其具有很低的自然強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度在20MPa 以下，且圍巖松動(dòng)圈厚度1.5 米以上。軟巖的分類主要有兩種，一種是工程類軟巖，另一種是地質(zhì)類軟巖。工程類軟巖主要是指巖石受到了工程作用力的影響，是的巖石產(chǎn)生的塑性變形非常明顯的一種巖體工程，工程類軟巖主要強(qiáng)調(diào)的是巖石強(qiáng)度與工程荷載大小之間的對立統(tǒng)一關(guān)系，這樣能夠?qū)こ填愜泿r的實(shí)質(zhì)性進(jìn)行更加全面的分析和把握。而地質(zhì)軟巖主要是指具有較大孔隙度、較低強(qiáng)度、較差膠結(jié)程度以及受構(gòu)造面切割和風(fēng)化影響非常大的巖層，或者是含有大量膨脹性黏土礦物的弱、軟、松散的巖石，如泥質(zhì)礦巖、粉砂巖、頁巖、泥巖等等，這些都是地質(zhì)介質(zhì)都具有天然性和復(fù)雜性。依據(jù)軟巖的差異特性和塑性變形的顯著原理來給軟巖分類，可以分為復(fù)合型軟巖、節(jié)理化軟巖、高應(yīng)力軟巖與膨脹性軟巖這四大類。其中高應(yīng)力軟巖又有構(gòu)造力與自重應(yīng)力之分。構(gòu)造應(yīng)力軟巖與方向有關(guān)，與深度沒有關(guān)系；自重應(yīng)力軟巖與深度有關(guān)系，而與方向沒有關(guān)系。

軟巖工程與地質(zhì)軟巖之間是存在著密切聯(lián)系的，當(dāng)?shù)刭|(zhì)軟巖的強(qiáng)度顯著大于工程荷載強(qiáng)度時(shí)，地質(zhì)軟巖的塑性變形不會(huì)發(fā)生的那么明顯，因此，地質(zhì)軟巖不變成工程類軟巖。而如果地質(zhì)軟巖由于受到工程力的作用與影響，其產(chǎn)生的塑性變形非常明顯，這樣地質(zhì)軟巖就能夠轉(zhuǎn)變成工程軟巖。在高應(yīng)力和大深度的作用下，一些地質(zhì)硬巖也會(huì)展示出一些非常顯著的變形特性，其也會(huì)被看做是工程軟巖。

1.2 軟巖工程的力學(xué)屬性

軟巖工程主要的研究對象就是軟巖工程，其多指邊坡、隧道和基坑開完擾動(dòng)影響范圍內(nèi)的所有巖體，其包括結(jié)構(gòu)面、巖塊以及空間組合特性。軟巖工程的基本力學(xué)屬性主要有兩方面，一方面是軟化臨界荷載，另一方面是軟巖臨界深度，軟巖工程的基本力學(xué)屬性將軟巖的相對性實(shí)質(zhì)有效的揭示出來。軟化臨界荷載的基本力學(xué)屬性，經(jīng)過軟巖蠕變的試驗(yàn)，當(dāng)增加的荷載與某一荷載水平小時(shí)，巖石的變形狀態(tài)會(huì)趨于穩(wěn)定，入編的曲線值也會(huì)趨向某個(gè)變形值，且不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間的增加或者延伸而產(chǎn)生任何變化。如果增加的荷載比某一荷載水平要大時(shí)，巖石的塑性變形就會(huì)變得非常顯著，塑性的速度也會(huì)提升，這會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性的巖石變形狀態(tài)，這就叫做軟巖的軟化臨界荷載，也是能夠使得巖石產(chǎn)生塑性變形非常顯著的最小荷載。當(dāng)確定巖石種類時(shí)，其在客觀上存在軟化臨界荷載。而當(dāng)巖石承受的荷載水平要比軟化的臨界荷載要低時(shí)，這類巖石屬于硬巖。

軟化臨界深度與軟化臨界荷載的存在處于相對狀態(tài)。當(dāng)隧道的位置比某個(gè)開采深度要大時(shí)，圍巖就會(huì)產(chǎn)生非常大的塑性變形和明顯的大地壓現(xiàn)象，大大的增加了支護(hù)的難度。但是如果隧道的位置不深，其深度比某一深度要小，那么大地壓、大變形的現(xiàn)狀或者問題就會(huì)明顯消失，此時(shí)的臨界深度就會(huì)被叫做巖石軟化臨界深度。軟化臨界荷載與其深度的地應(yīng)力水平基本持平。

1.3 膨脹性軟巖的相關(guān)概述

我國的膨脹性軟巖有古生代、中生代與新生代軟巖之分。由于地質(zhì)時(shí)期不同，軟巖的生成條件與環(huán)境也不盡相同，且軟巖的礦物質(zhì)含量、成分也存在很大的差別，其主要表現(xiàn)在水理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上。從水理性質(zhì)來方面來看，古生代軟巖不含蒙脫石，吸水量與吸水率都很低，其軟化性質(zhì)并不明顯，同時(shí)也沒有明顯的崩解性與膨脹性；中生代軟巖含有很少的蒙脫石，具有明顯的吸水性，巖塊的吸水率在10%-70%之間，膨脹性很強(qiáng)，吸水性很弱，且有很少的軟巖具有很低的吸水力和膨脹性。新生代軟巖含有大量的蒙脫石，具有很強(qiáng)的吸水量，巖塊的吸水率在20%-80%之間，具有非常顯著的吸水軟化性和膨脹性。從化學(xué)性質(zhì)上來分析，古生代軟巖的PH 值在5.4-10.1 之間，最小值為4.98，最大值為10.38，比表面積在20-100m2g-1之間，陽離子交換量在10-20meg.100g－1之間，最小為5.09meg.100g－1，最大為38.07meg.100g－1.中生代軟巖的PH 值在7.1-10.1 之間，最小值為6.82，最大值為10.18.比表面積在100-350m2g-1之間，最小為24.27m2g-1,最大值為717m2g-1.陽離子交換量在20-50m2g-1之間，最小值為8.13m2g-1，最大值為86.73m2g-1。新生代軟巖的PH 值在7.8-10 之間，最小值為4.4，最大值為10.02.比表面積在150-450m2g-1之間，最小為18.15m2g-1,最大值為555.4m2g-1.陽離子交換量在25-60m2g-1之間，最小值為7.02m2g-1，最大值為79.8m2g-1。從力學(xué)性質(zhì)方面來分析，古生代軟巖的抗壓強(qiáng)度在24-40MPa 之間，抗壓強(qiáng)度在1-2MPa 之間，長期強(qiáng)度或者瞬時(shí)強(qiáng)度在40-70MPa 之間，彈性模量較大，泊松比較小。而中生代軟巖的抗壓強(qiáng)度在15-30MPa 之間，抗壓強(qiáng)度在0.4-1MPa 之間，長期強(qiáng)度/瞬時(shí)強(qiáng)度在30-60MPa 之間，彈性模量很低，泊松比很大。新生代軟巖的抗壓強(qiáng)度在10MPa以下，抗壓強(qiáng)度在0.5MPa 以內(nèi)，長期強(qiáng)度或者瞬時(shí)強(qiáng)度在10-40MPa 之間，彈性模量很低，泊松比較大。

2 研究工程軟巖地質(zhì)力學(xué)的變形機(jī)制

在軟巖工程中，隧道支護(hù)是比較常見的軟巖工程。而在支護(hù)軟巖隧道時(shí)，很多人不清楚工程軟巖地質(zhì)力學(xué)的變形機(jī)制，因此，在支護(hù)軟巖隧道方面存在很大的盲目性和局限性。由于地質(zhì)環(huán)境不同、地質(zhì)力學(xué)不同、不同類工程軟巖的變形機(jī)制也是不盡相同的。與此同時(shí)，軟巖隧道圍巖的變形力學(xué)機(jī)制不是一成不變的，也不是單一的，其會(huì)受到很多力學(xué)作用和影響而發(fā)生變形，其地質(zhì)力學(xué)機(jī)制是復(fù)合型的。復(fù)合型的軟巖隧道在支護(hù)上會(huì)存在很大的困難，且具有大地壓、大變形的特性。軟巖工程的地質(zhì)力學(xué)機(jī)制并不是單一且固定的，其每種變形力學(xué)機(jī)制都具有特殊的結(jié)構(gòu)、力學(xué)作用、特征型礦物等特點(diǎn)，且軟巖隧道還具有不同的破壞特征?；诖耍瑸榱四軌蛱嵘泿r隧道支護(hù)的效果和質(zhì)量，如果運(yùn)用單一的支護(hù)方法或者手段是很難取得很好的效果的，我們必須要結(jié)合軟巖工程的地質(zhì)力學(xué)的特殊性來“對癥下藥”,運(yùn)用綜合、聯(lián)合的支護(hù)方法來進(jìn)行軟巖隧道的支護(hù)，提升軟巖隧道的支護(hù)質(zhì)量。

首先，確定軟巖變形力學(xué)機(jī)制。經(jīng)過廣大專家、地質(zhì)人員的反復(fù)實(shí)踐，基本能夠?qū)泿r工程的變形力學(xué)機(jī)制的種類進(jìn)行合理、有效的確定，其主要分為三個(gè)類型。第一類主要是結(jié)合軟巖隧道的微隙發(fā)育的具體狀況與其特征礦物來確定的變形力學(xué)機(jī)制。第二類主要是根據(jù)軟巖隧道在工程力作用下的特征或者受力特點(diǎn)來確定軟巖隧道的變形力學(xué)機(jī)制。第三類主要是先明確軟巖隧道結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造體系、隧道走向以及軟巖隧道的產(chǎn)狀，以此來確定受結(jié)構(gòu)面影響的非對稱變形力學(xué)機(jī)制。

其次，合理轉(zhuǎn)化復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制。在轉(zhuǎn)化復(fù)合型力學(xué)機(jī)制之前，要先對變形力學(xué)機(jī)制的復(fù)合性進(jìn)行全面的了解，其主要是由三種或者三種以上的變形力學(xué)復(fù)合而成的一種軟巖隧道變形力學(xué)機(jī)制。復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制也不是一成不變的，同時(shí)也存在很多類型的復(fù)合型地質(zhì)力學(xué)機(jī)制，在進(jìn)行不同類型地質(zhì)力學(xué)支護(hù)時(shí)，要結(jié)合每個(gè)類型的復(fù)合地質(zhì)力學(xué)機(jī)制來選擇不同的支護(hù)對策或者技術(shù)，推動(dòng)復(fù)合型地質(zhì)力學(xué)機(jī)制逐漸向單一型的地質(zhì)力學(xué)方向轉(zhuǎn)變，從而更好地實(shí)現(xiàn)支護(hù)目標(biāo)，提升支護(hù)的成功率。

最后，科學(xué)、合理、有效的運(yùn)用復(fù)合轉(zhuǎn)化技術(shù)。為了能夠更好地支護(hù)軟巖隧道，不僅要對軟巖隧道的變形力學(xué)機(jī)制分類進(jìn)行有效的確定，轉(zhuǎn)化復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制，同時(shí)也要運(yùn)用合理、科學(xué)、有效的方法或者技術(shù)來推動(dòng)復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化成單一型的力學(xué)變形機(jī)制。在軟巖隧道形成的過程當(dāng)中，支護(hù)順序、支護(hù)時(shí)間與每個(gè)支護(hù)力學(xué)的效果有著非常密切的聯(lián)系，且每個(gè)環(huán)節(jié)都是值得深入研究和討論的。因此，為了能夠更好地提升支護(hù)軟巖隧道的成功效率，對復(fù)合地質(zhì)力學(xué)的特性進(jìn)行全面的了解與掌握，并結(jié)合復(fù)合型力學(xué)變形機(jī)制的特點(diǎn)來對提出更加切實(shí)可行的支護(hù)對策，實(shí)施有效的支護(hù)策略和措施，最大化的保證軟巖隧道支護(hù)效果，提升軟巖隧道支護(hù)的成功率。

3 軟巖隧道的支護(hù)理論研究

經(jīng)過大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，新開或者翻修的軟巖隧道都有一個(gè)循序漸進(jìn)破壞的力學(xué)過程，其是從軟巖隧道的一個(gè)或者幾個(gè)部位開始發(fā)生損傷、變形和破壞，使得整個(gè)支護(hù)體失去了穩(wěn)定性，而這些隧道圍巖與支護(hù)相互作用的工程力學(xué)破壞部位，我們通常叫其為關(guān)鍵部位。而軟巖隧道的關(guān)鍵部位由于受到不協(xié)調(diào)的非線性力學(xué)，耗費(fèi)了大量的能量，其具有非常復(fù)雜的機(jī)理和支護(hù)原理。與此同時(shí)，在開挖隧道的過程中，由于巖體自身的天然平衡應(yīng)力狀態(tài)遭到了嚴(yán)重的破壞，使得隧道周圍巖體的負(fù)荷應(yīng)力與回彈出現(xiàn)重新分布，而這種重新分布的應(yīng)力與回彈分布的盈利均超過了隧道圍巖所能承受的負(fù)荷，從而使得隧道巖體的穩(wěn)定性遭到破壞。軟巖隧道一般在施工過程中會(huì)存在較大的安全隱患，會(huì)出現(xiàn)較大的變形，具有較低的承載力，周圍巖石具有很大的不穩(wěn)定行，同時(shí)具有較大的變形速率、較長的收斂時(shí)間，很難有效的控制其變形，使得軟巖隧道的病害愈發(fā)嚴(yán)重，大大的增加了軟巖隧道的施工資本，不利于軟巖隧道的更好建設(shè)和運(yùn)營。

通過對軟巖隧道特點(diǎn)和支護(hù)現(xiàn)狀的分析，在支護(hù)軟巖隧道時(shí)，要充分發(fā)揮和利用自身的承載能力，重視適度泄壓與剛性支護(hù)的有效結(jié)合，強(qiáng)化加固、卸壓與支護(hù)的相互結(jié)合與運(yùn)用，從而促進(jìn)軟巖隧道工程支護(hù)效果和質(zhì)量的有效提高。

4 研究支護(hù)軟巖隧道的原理和時(shí)間

在支護(hù)原理方面，軟巖隧道與硬巖隧道是完全不同的，二者之間的支護(hù)差異主要是由于二者的本質(zhì)構(gòu)成關(guān)系不同。當(dāng)進(jìn)行硬巖隧道的支護(hù)工程時(shí)，硬巖隧道的狀態(tài)是堅(jiān)決不允許進(jìn)入塑性變形狀態(tài)的，如果硬巖隧道進(jìn)入塑性變形的狀態(tài)，那么其會(huì)完全的喪失其應(yīng)有的荷載能力，使得硬巖隧道的作用得不到真正的發(fā)揮。但是軟巖隧道與硬巖隧道不同，軟巖隧道本身處于塑性變形狀態(tài)，且為了能夠達(dá)到軟巖隧道的良好支護(hù)效果，軟巖隧道的塑性性能必須要以不同的形式來完全的釋出來，以此來發(fā)揮出支護(hù)軟巖隧道的作用和價(jià)值。

經(jīng)過巖石力學(xué)工程實(shí)踐與理論可知，在開挖隧道之后，隧道圍巖會(huì)出現(xiàn)很大的變形，且變形的程度會(huì)隨著隧道圍巖的范圍的變化而變化。隧道圍巖變形的程度依據(jù)變形的速度來劃分，可分為減速變形階段、恒速變形階段與加速變形階段。在加速變形階段，讓軟巖隧道的自身巖體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生很大的改變，會(huì)有新的裂紋產(chǎn)生，降低了軟巖隧道的強(qiáng)度，不利于軟巖隧道的更好地支護(hù)。為了能夠更好地解決這個(gè)問題，建立最佳支護(hù)時(shí)間的概念，確定最佳支護(hù)時(shí)間是非常有必要的。由于開挖軟巖隧道會(huì)破壞軟巖隧道原有的天然應(yīng)力，圍巖的應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)重新分布，增加了切向應(yīng)力，減小了徑向應(yīng)力，這種變化會(huì)導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)變形，巖體產(chǎn)生裂隙，惡化了力學(xué)性質(zhì)。因此，為了能夠更好地提升軟巖隧道的支護(hù)質(zhì)量，我們必須要掌握好最佳支護(hù)時(shí)間的力學(xué)，將塑性區(qū)的承載能力最大新都的發(fā)揮出來，保障軟巖隧道的支護(hù)效果。

5 結(jié)束語

綜上所述，目前，軟巖工程地質(zhì)力學(xué)受到多種因素的作用和影響，通過對軟巖概況、軟巖工程地質(zhì)變形力學(xué)的機(jī)制、軟巖工程的力學(xué)屬性、軟巖隧道的支護(hù)理論、軟巖隧道的支護(hù)原理及支護(hù)時(shí)間等的有效研究和討論，深入且全面的分析和掌握軟巖工程地質(zhì)力學(xué)的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)高效的軟巖隧道支護(hù)方案，實(shí)施更加切實(shí)可行的軟巖隧道支護(hù)技術(shù)或者策略，提升軟巖隧道的支護(hù)效果。