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工程軟岩

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中文名: 工程軟岩 類 型: 岩石 標 准: 抗壓強度小於25 MPa 分類依據: 強度指標

人們普遍採用的軟岩定義基本上可歸於地質軟岩的範疇，按地質學的岩性劃分，地質軟岩是指強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱岩層，該類岩石多為泥岩、頁岩、粉砂岩和泥質砂岩等單軸抗壓強度小於25 MPa的岩石，是天然形成的複雜的地質介質。國際岩石力學會將軟岩定義為單軸抗壓強度（σc）在0.5～25 MPa之間的一類岩石1，其分類依據基本上是依強度指標。

簡介

1　軟岩的概念及工程分類

關於軟岩的概念，國內外有十幾種之多[8,9]，大體上可分為描述性定義、指標化定義和工程定義，且各有其優缺點。本文在研究前人關於軟岩概念的基礎上，提出了新的軟岩概念及其分類體系。

1.1　地質軟岩的概念

人們普遍採用的軟岩定義基本上可歸於地質軟岩的範疇，按地質學的岩性劃分，地質軟岩是指強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱岩層，該類岩石多為泥岩、頁岩、粉砂岩和泥質砂岩等單軸抗壓強度小於25 MPa的岩石，是天然形成的複雜的地質介質。國際岩石力學會將軟岩定義為單軸抗壓強度（σc）在0.5～25 MPa之間的一類岩石，其分類依據基本上是依強度指標。

該軟岩定義用於工程實踐中會出現矛盾。如巷道所處深度足夠的淺，地應力水平足夠的低，則小於25 MPa的岩石也不會產生軟岩的特徵；相反，大於25 MPa的岩石，其工程部位足夠的深，地應力水平足夠的高，也可以產生軟岩的大變形、大地壓和難支護的現象。因此，地質軟岩的定義不能用於工程實踐，故而提出了工程軟岩的概念。

1.2　工程軟岩的概念

工程軟岩是指在工程力作用下能產生顯著塑性變形的工程岩體。流行的軟岩定義強調了軟岩的軟、弱、松、散等低強度的特點，同時應強調軟岩所承受的工程力荷載的大小，強調從軟岩的強度和工程力荷載的對立統一關係中分析、把握軟岩的相對性實質。

該定義的主題詞是工程力、顯著變形和工程岩體。工程岩體是軟岩工程研究的主要對象，是巷道、邊坡、基坑開挖擾動影響範圍之內的岩體，包含岩塊、結構面及其空間組合特徵。工程力是指作用在工程岩體上的力的總和，它可以是重力、構造殘餘應力、水的作用力和工程擾動力以及膨脹應力等；顯著塑性變形是指以塑性變形為主體的變形量超過了工程設計的允許變形值並影響了工程的正常使用，顯著塑性變形包含顯著的彈塑性變形、粘彈塑性變形，連續性變形和非連續性變形等。此定義揭示了軟岩的相對性實質，即取決於工程力與岩體強度的相互關係。當工程力一定時，不同岩體，強度高於工程力水平的大多表現為硬岩的力學特性，強度低於工程力水平的則可能表現為軟岩的力學特性；對同種岩石，在較低工程力作用下，表現為硬岩的變形特性，在較高工程力的作用下則可能表現為軟岩的變形特性。

1.3 　軟岩的兩個基本力學屬性

軟岩有兩個基本力學屬性：軟化臨界荷載和軟岩臨界深度。它揭示了軟岩的相對性實質。

1.3.1　軟化臨界荷載

軟岩的蠕變試驗表明，當所施加的荷載小於某一荷載水平時，岩石處於穩定變形狀態，蠕變曲線趨於某一變形值，隨時間延伸而不再變化；當所施加的荷載大於某一荷載水平時，岩石出現明顯的塑性變形加速現象，即產生不穩定變形，這一荷載，稱為軟岩的軟化臨界荷載，亦即能使岩石產生明顯變形的最小荷載。岩石種類一定時，其軟化臨界荷載是客觀存在的。當岩石所受荷載水平低於軟化臨界荷載時，該岩石屬於硬岩範疇；而只有當荷載水平高於軟化臨界荷載時，該岩石表現出軟岩的大變形特性，此時該岩石稱之為軟岩。

1.3.2　軟化臨界深度

與軟化臨界荷載相對應地存在着軟化臨界深度。對特定礦區，軟化臨界深度也是一個客觀量。當巷道的位置大於某一開採深度時，圍岩產生明顯的塑性大變形、大地壓和難支護現象；但當巷道位置較淺，即小於某一深度時，大變形、大地壓現象明顯消失。這一臨界深度，稱之為岩石軟化臨界深度。軟化臨界深度的地應力水平大致相當於軟化臨界荷載。

1.4　軟岩的工程分類

按照工程軟岩的定義，根據產生塑性變形的機理不同，將軟岩分為四類，即膨脹性軟岩(或稱低強度軟岩)、高應力軟岩、節理化軟岩和複合型軟岩。具體的分級分類指標如表1所示。

表1　 軟岩工程分類與分級總表

Table 1　Classification and grading of soft rock

軟岩分類 分類指標 軟岩分級 分級指標

σc/MPa 泥質含量 結構面

膨脹性軟岩 <25 >25% 少 　 蒙脫石含量/(%) ω0/（%） 自由膨脹變量/(%)

弱膨脹軟岩 <10 <10 >15

中膨脹軟岩 10～30 10～50 10～15

強膨脹軟岩 >30 >50 <10

高應力軟岩 ≥25 ≤25% 少 　 工程岩體應力水平/MPa

高應力軟岩 25～50

超高應力軟岩 50～75

極高應力軟岩 >75

節理化軟岩 低～中等 少含 多組 　 JS/條.m－2 節理間距 完整指數Kv

較破碎軟岩 0～15 0.2～0.4 0.55～0.35

破碎軟岩 15～30 0.1～0.2 0.35～0.15

極破碎軟岩 >3 <0.1 <0.15

複合型軟岩 低～高 含 少～多組 根據具體條件進行分類和分級

1.5　 我國膨脹型軟岩的地質力學化學特徵

不同地質時期的軟岩由於其成生環境不同，礦物成分與含量也不同，表現在工程上其水理性質、化學性質和力學性質都存在較大的差別(表2)[11～12]。

表2　 我國膨脹型軟岩的地質力學化學特徵

Table 2　 The geomechanical and chemical Characteristics of the swelling soft rocks in China

軟岩性質 類別 古生代軟岩 中生代軟岩 新生代軟岩

水理性質 基本不含蒙脫石，吸水量低，岩塊吸水率小於10%，膨脹性、崩解性和軟化性質不明顯。 含少量蒙脫石和大量伊/矇混層礦物，吸水量明顯，岩塊吸水率為10%～70%，有較強的膨脹性和吸水軟化性不明顯，少量軟岩膨脹性和吸水力低。 含大量蒙脫石和大量伊/矇混層礦物，吸水量強，岩塊吸水率為20%～80%，膨脹性和吸水軟化性顯著。

化學性質 pH值 5.4～10.1，最小為4.98，最大為10.38 7.1～10.1，最小為6.82，最大為10.18 7.8～10，最小為4.4，最大為10.02

比表面積/

m2.g－1 20～100 100～350，最小24.27，最大為717 150～450，最小為18.15，最大為555.4

陽離子

交換量/

meg.100g－1 10～20，最小為5.09，最大為38.07 20～50，最小為8.13，最大為86.73 25～60.最小為7.02，最大為79.8

力學性質 抗壓強度/

MPa 24～40 15～30 小於10

抗拉強度/

MPa 1～2 0.4～1 小於0.5

(長期強度)/(瞬時強度)/

(%) 40～70 30～60 10～40

彈性模量 較大 較低 很低

泊松比 較小 比較大 較大

2　 軟岩變形力學機制及其轉化對策

2.1　軟岩變形力學機制

軟岩巷道支護盲目性的表現之一是對其變形力學機制不清楚。不同的軟岩在其特定的地質力學環境中所表現出的變形機制不同。軟岩巷道之所以具有大變形、大地壓、難支護的特點，是因為軟岩巷道圍岩並非具有單一的變形力學機制，而是同時具有多種變形力學機制的「併發症」和「綜合症」—複合型變形力學機制。軟岩變形力學機制可分為三類十三亞類(圖1)。每種變形力學機制有其獨特的特徵型礦物、力學作用和結構特點，其軟岩巷道的破壞特徵也有所不同(表3)。

表3　軟岩巷道變形機制及破壞特點

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

類型 亞型 控制性因素

特徵型 軟岩巷道破壞特點

Ⅰ型

ⅠA型 分子吸水機制，晶胞之間可吸收無定量水分子，吸水能力強 蒙脫石型 圍岩暴露後，容易風化，軟化，裂隙化：Ⅰ型巷道底鼓、擠幫、難支護，其嚴重程度從 ⅠA、ⅠAB、ⅠB依次減弱；ⅠC型則看微隙發育程度。

ⅠAB型 ⅠA & ⅠB決定於混層比 伊/矇混層型

ⅠB型 膠體吸水機制，晶胞之間不允許進入水分子，粘粒表面形成水的吸附層 高嶺石型

ⅠC型 微隙-毛細吸水機制 微隙型

Ⅱ型

ⅡA型 殘餘構造應力 構造應力型 變型破壞與方向有關，與深度無關

ⅡB型 自重應力 重力型 與方向無關，與深度有關

ⅡC型 地下水 水力型 僅與地下水有關

ⅡD型 工程開挖活動 工程偏應力型 與設計有關，巷道密集，岩柱偏小

Ⅲ型

ⅢA型 斷層、斷裂帶 斷層型 塌方、冒頂

ⅢB型 軟弱夾層 弱層型 超挖、平頂

ⅢC型 層理 層理型 規則鋸齒狀

ⅢD型 優勢節理 節理型 不規則鋸齒狀

ⅢE型 隨機節理 隨機節理型 掉塊

圖1　 軟岩巷道變形力學機制

Fig.1　Deformation mechanism of adit in soft rocks

因此，要想有效地進行軟岩巷道支護，單一的支護方法是難以奏效的，必須「對症下藥」,採取符合這種「綜合症」、「併發症」特點的聯合支護方法。為此，要對軟岩巷道實施成功支護，須運用以下3個技術關鍵：

2.1.1　軟岩變形力學機制的確定

通過野外工程地質研究和室內物化力學試驗分析以及理論分析，可正確地確定軟岩巷道的變形力學機制類型。I型變形力學機制主要依據其特徵礦物和微隙發育情況進行確定；II型變形力學機制主要是根據受力特點及在工程力作用下巷道的特徵來確定；III型變形力學機制主要是受結構面影響的非對稱變形力學機制，要求首先鑑別結構面的力學性質及其構造體系歸屬，然後再依據其產狀與巷道走向的相互交切關係來確定。

2.1.2　複合型變形力學機制的轉化

軟岩巷道的變形力學機制通常是三種以上變形力學機制的複合類型。不同複合型具不同的支護技術對策要點，因此，其支護的關鍵技術對策是有效地把複合型轉化為單一型。

2.1.3　合理地運用複合型轉化技術

要做好軟岩支護工作，除了正確地確定軟岩巷道變形力學機制類型、有效地轉化複合型的變形力學機制之外，要十分注重、合理地運用複合型向單一型轉化技術。即軟岩變形過程中的每個支護力學措施的效果與時間、支護順序密切有關，每個環節都將是十分考究，必須適應其複合型變形力學機制特點。只有這樣，才能保證支護做到「對症下藥」，才能保證支護成功。

2.2　軟岩軟化路徑及狀態方程

岩石在工程力的作用下進入軟岩狀態的途徑，從理論上可分為四種類型，即初始軟化型、強度軟化型、應力增長型、強度降低與應力增加複合型。

2.2.1　初始軟化型

在工程開挖之初（T=0），岩石軟化臨界荷載（σcs）小於圍岩應力（σmax），巷道持續變形不止，表明岩石即進入軟岩狀態。該種類型稱為初始軟化型。其狀態方程為：

(5)

式中 U=Uc+Upo+Upr； U為總變形，mm； Uc為彈性變形，mm； Upo為與時間無關的塑性變形，mm； Upr為與時間有關的塑性變形（如流變等），mm。

2.2.2　強度軟化型

在工程開挖一段時間以後（T=t），圍岩應力為常量，圍岩的軟化臨界荷載由於風化、裂隙化等影響不斷降低，使得fs<1，巷道圍岩持續變形。這種類型稱為強度降低型。其軟化狀態方程為：

(6)

2.2.3　應力增長型

隨着工程開挖的不斷進行（T≥t），圍岩的最大應力值不斷增加，()，圍岩的軟化臨界荷載保持不變（σcs=C），在某一時刻，圍岩開始進入軟岩狀態（fs≤1）,巷道圍岩持續變形不止。（），表明圍岩進入了軟岩狀態。該種類型稱為應力增長型，其狀態方程為：

(7)

2.2.4　 強度降低和應力增長複合型

隨着工程開挖的不斷進行(T≥t),圍岩最大應力值不斷增加(），圍岩的軟化臨界荷載不斷降低(σcs=f2(t),≤0),在某一時刻,圍岩開始進入軟岩狀態(fs<1),巷道持續變形.該種類型稱為強度降低和應力增長複合型,其狀態方程為：

(8)

3　軟岩巷道支護原理

3.1　軟岩巷道支護原理

軟岩巷道支護和硬岩巷道支護原理截然不同，這是由它們的本構關係不同所決定的。硬岩巷道支護不允許硬岩進入塑性，因進入塑性狀態的硬岩將喪失承載能力。而軟岩巷道另一個獨特之處是，其巨大的塑性能(如膨脹變形能等)必須以某種形式釋放出來。假設巷道開挖後使圍岩向臨空區運動各種力(包括重力、水作用力、膨脹力、構造應力和工程偏應力等)的合力T(圖2)，則軟岩巷道支護原理可以表示為：

T=D+R+S　(9)

式中：T為挖掉巷道岩體後使圍岩向臨空區運動的合力，包括重力、水作用力、膨脹力、構造應力和工程偏應力等；D 為以變形的形式轉化的工程力，可以包括①彈塑性轉化(與時間無關)；②粘彈塑性轉化(與時間有關)；③膨脹力的轉化(與時間有關)。對於軟岩來講，主要是塑性能以變形的方式釋放；R 為圍岩自撐力，即圍岩本身具有一定強度，可承擔部分或全部荷載；S 為工程支護力。

圖2　PT合力示意圖

Fig.2　Scheme of resultant force PT

式(9)和圖2表示如下意義：

(1)巷道開挖後引起的圍岩向臨空區運動的合力T並不是純粹由工程支護力S全部承擔，而是由三部分共同分擔。T首先由軟岩的彈塑性能以變形的方式釋放一部分，亦即T的一部分轉化為岩體形變。其次，T的另一部分由岩體本身自承力承擔。如果岩體強度很高，R>T－D，則巷道可以自穩。對於軟岩，R較小，一般R<T－D，故巷道要穩定，必須進行工程支護，即加上S。為求工程穩定，通常(S+R)值要大於(T-D)值。

(2)一個優化的巷道設計和支護設計應該同時滿足三個條件：

①PD→max；

②PR→max；

③PS→min。

實際上，要使PD→max，PR就不能達到最大；要使PR→max，PD就不能達到最大。要同時滿足PD→max，PR→max，關鍵是選取變形能釋放的時間和支護時間。

3.2　 最佳支護時間和最佳支護時段

岩石力學理論和工程實際表明，巷道開挖以後，巷道圍岩的變形會逐漸加大。以變形速度區分，可劃分三個階段：即減速變形階段、近似線性的恆速變形階段和加速變形階段。當進入加速變形階段時，岩體本身結構改組，產生新裂紋，強度就大大降低。顯然，加速變形階段可以使D→max，但卻大大降低了R，這不滿足優化原則。解決這個問題的關鍵是最佳支護時間概念的建立和最佳支護時段的確定。

3.2.1　最佳支護時間和最佳支護時段的概念

最佳支護時間系指可以使(R+D)同時達到最大的支護時間，其意義如圖3所示。圖3表明，最佳支護時間就是(PR+PD)-t曲線峰值點所對應的時間TS。實踐證明該點與PD-t曲線和PR-t曲線的交點所對應的時間基本相同。此時，支護使PD在優化意義上充分地達到最大，最佳支護時間點的確定，在工程實踐中是難以辦到的，所以提出了最佳支護時段概念，最佳支護時段的概念如圖4所示。

圖3　 最佳支護時間Ts的含義

Fig.3　 The meaning of optimum supporting time Ts

圖4　最佳支護時段的含義

Fig.4　 The meaning of optimum supporting period

3.2.2　 最佳支護時間(TS)的物理意義

巷道開挖以後，原有的天然應力狀態被破壞，圍岩中應力重新分布，切向應力增大的同時，徑向應力減小，並在硐壁處達到極限。這種變化促使圍岩向巷道臨空區變形，圍岩本身的裂隙發生擴容和擴展，力學性質隨之不斷惡化。在圍岩應力條件下，切向應力在硐壁附近發生高度集中，致使這一區域岩層屈服而進入塑性工作狀態。進入塑性狀態的圍岩稱為塑性區。塑性區的出現，使應力集中區從岩壁向縱深偏移，當應力集中的強度超過圍岩屈服強度時，又將出現新的塑性區，如此逐層推進，使塑性區不斷向縱深發展。假若不採取適當支護措施，臨空塑性區將隨變形加大而出現鬆動破壞。塑性區和鬆動破壞區截然不同，鬆動破壞區沒有承載能力，而塑性區具有承載能力。

塑性區可分為穩定塑性區和非穩定塑性區。出現鬆動破壞之前的最大塑性區範圍，稱為穩定塑性區；出現了鬆動破壞區之後的塑性區，稱為非穩定塑性區。穩定塑性區所對應的宏觀圍岩的徑向變形稱為穩定變形；非穩定塑性區所對應的圍岩的徑向變形稱為非穩定變形。 塑性區的出現改變了圍岩的應力狀態，這種變化對支護來講具有兩個力學效應：(1)圍岩中切向應力和徑向應力降低，減小了作用於支護體上的荷載；(2)應力集中區向深層偏移，減小了應力集中的破壞作用。在巷道兩幫發生應力集中時，兩幫岩石處於極不利的單軸受力狀態條件，極易產生片幫破壞。

應力集中偏移深部後，一方面應力集中程度降低，另一方面深部岩石處於三軸受力狀態，其破壞可能性大大減小。因此，對於高應力軟岩巷道支護來講，要允許出現穩定塑性區，嚴格限制非穩定塑性區的擴展。其宏觀判別標誌就是最佳支護時間Ts。Ts之前出現的變形稱穩定變形，對應的塑性區稱穩定塑性區。所以最佳支護時間的力學含義就是最大限度地發揮塑性區承載能力而又不出現鬆動破壞時所對應的時間。它可以通過計算機監控得到，也可以通過現場特徵判斷直接得到。

3.2.3　 最佳支護時間的確定

研究表明，變形力學狀態進入圖4中A區時，支護體多產生鱗狀剝落；變形力學狀態進入B區時，伴隨着片狀剝落；進入C區後，將產生塊狀崩落和結構失穩。因此，判別最佳支護時間(段)就是鱗、片狀剝落的高應力腐蝕現象出現的時間。

根據現場調查研究，張性、張扭性裂縫，寬度達到1～3 mm，即已進入A區和B區，即進入耦合支護的時間；巷道表面各點變形量達到設計餘量的60%，即進入耦合支護的時間。

4　 關鍵部位耦合支護理論

研究發現，無論是新開巷道、還是翻修巷道，其破壞是一個漸進的力學過程，是從某一個或幾個部位開始變形、損傷、破壞，進而導致整個支護體失穩。這些首先破壞的部位，我們稱為關鍵部位。

4.1　 關鍵部位產生的力學機理

關鍵部位的產生是巷道圍岩和支護相互作用的工程力學破壞現象。其機理是軟岩巷道已進入非線性塑性大變形階段，變形場是非線性力學場。眾所周知，線性力學的變形場是協調的、可以疊加的，是能量保守場；而軟岩非線性力學的塑性大變形場則是不協調的、力學量不可疊加，是能量耗散場。因此，軟岩巷道的支護與圍岩相互作用後出現關鍵部位的機理頗為複雜，有如下4種類型(圖5)。

參考來源

軟岩隧道施工