1.2 软岩及软岩隧道

1.2.1 软弱围岩的含义及力学特性

1．软岩的概念

关于软岩的含义至今仍有多种解释。1981年在东京召开的“国际软岩学术讨论会”规定“软弱、破碎和风化岩石”为软岩。国际岩石力学学会（ISRM）定义软质岩为单轴抗压强度为0.5～25MPa的岩石。1984年在昆明召开的煤矿矿山压力名词讨论会上提出的定义为，软岩是指强度低、空隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱岩层[14]。何满潮等将软岩分成地质软岩和工程软岩分别予以定义，上述软岩为地质软岩，而工程软岩为在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体[15]。何满潮系统地分析了软岩中矿物组成以及软岩中膨胀矿物特性，研究了软岩的单轴抗压特性、抗拉强度特性和三轴抗压力学特性，并研究了软岩的可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性等工程力学特性，通过试验研究发现了软岩的抗剪强度恢复特性。孙钧教授引入“不稳定围岩”作为软岩的条件，将软岩定义为在高地应力、地下水和强风化作用下，具有显著渗流、膨胀或崩解特性的软弱、破碎、风化和节理化围岩，简称为不稳定围岩岩体[16]。

2．软岩的分类与分级

软岩的种类繁多，不同软岩之间强度特性、结构面特点、泥质含量以及塑性变形的力学特点差异相当大，为了更好地研究软岩的力学与工程特性，将软岩分为膨胀性软岩、高地应力软岩、节理化软岩和复合型软岩四大类[15],[17]，每类之间根据各自不同的特点又进行了分级[15],[18]，如表1-4和表1-5所示。各类软岩产生塑性变形的机理是不同的，参见表1-6。

3．软岩的力学属性

关于软岩的力学特性，日本学者R.Yoshinaka等分别对凝灰岩、粉砂岩、泥岩和砂岩等四种软岩进行了三轴固结不排水剪切试验。研究表明，尽管在高围压作用下变形模量呈非线性增加，但对于最大失效应力，软岩很快进入屈服；随着围压的增加，残余状态起始阈值也相应增大，轴向应变和轴向塑性应变均倾向于屈服；一旦岩石进入屈服，变形模量随轴向塑性应变呈指数衰减。近年来，在中国的水工、道路及矿山建设中，越来越多地涉及软岩工程问题，大量工程实践提供了众多成功经验和失败教训，成为软岩技术发展的推动力。孙钧教授总结软岩的基本特征是：强度低，孔隙率高，容重小，渗水、吸水性好，易风化，易崩解，具有显著的膨胀性和明显的时效特性，认为高地应力地区的岩石蠕变将呈非线性性态发展。中铁四院在堡镇隧道软弱围岩大变形研究中，提出软弱围岩一般具有抗压强度低、强度应力比小，具有显著的塑性变形特征，变形量大、变形时间长，径向变形特征明显等力学特征。郭志研究员对软岩流变过程与强度进行了研究，提出根据流变过程中4个特征点的变化规律确定临界等速流变应力的方法和流变强度取值原则。周楚良研究了软岩强度衰减、流变与围岩稳定性，提出了岩石强度随时间呈指数函数衰减的计算公式，以及流变呈指数函数递增的规律。曲永新总结了国内外有关泥质岩成胶作用研究成果，提出了快速有效的泥质岩工程分类方法和判别指标[19]。

岩土体的强度是指包含结构面网络的岩体（包括土体）的强度，岩体的强度不同于岩石（完整岩块）的强度，也不同于结构面的强度，岩体的强度受岩石强度、结构面强度、岩体结构、岩体赋存环境等多种因素的控制。因此，导致软弱围岩强度较低的原因主要有以下几点[19]。

1）岩石强度低

根据中国工程岩体分级标准、岩土工程勘察规范、铁路隧道设计规范等资料，一般将单轴饱和抗压强度低于30MPa的岩石称为软质岩或软岩。软质岩主要包括未成岩的岩石、已风化的岩石以及含有软弱矿物的岩石。未成岩的岩石，即尚未固结的岩石，其范围大致是新第三系以后的低固结或未固结的砂岩、泥岩，以及形成一部分冲积层的砂质土、砾质土、火山灰等未固结的以及固结度低的岩石，统称为未固结岩石。已风化的岩石是指由于风化作用而使强度降低的岩石，包括全风化的各类土。含有软弱矿物的岩石主要包括泥质岩组，含煤岩组，含盐、含石膏岩组，云母片岩、滑石片岩组等。

2）岩体破碎

对于一些坚硬的岩石，如坚硬的岩浆岩、石灰岩、砂岩等，虽然岩石强度较高，但若受到强烈的构造运动影响，会导致节理、裂隙、断层等结构面发育，从而致使岩体强度降低，围岩稳定性变差。

3）围岩赋存环境差

隧道围岩由于赋存于富水、高地应力等不良地质环境中，而易引起涌水、塌方等地质灾害，赋存于这种地质环境下的围岩也可称为软弱围岩。隧道工程的软弱围岩，通常是指包括软弱、破碎、富水等不良地质条件下的围岩。从围岩级别上看，这类围岩基本上属于Ⅴ、Ⅵ级围岩，对大断面和特大断面隧道，也包括一部分Ⅳ级围岩在内。简单地说，隧道软弱围岩就是用通常的初期支护及简易的小导管支护不能控制开挖后的围岩变形，而需要采用“有针对性的控制变形对策”（即所谓的辅助工法）的围岩。

1.2.2 软弱围岩隧道

软弱围岩由于强度低，对工程扰动极其敏感，在受拉或受压条件下将产生塑性区，使围岩和支护发生变形。一旦施工方法和工程措施不当，极易发生初期支护变形侵限和隧道坍方等工程灾害。从隧道开挖后的围岩变形看，在软弱围岩中开挖，经常出现以下力学现象：拱顶崩塌，掌子面失稳，底鼓现象严重，长时间的持续变形或变形不收敛，初期支护严重变异，在富水条件下出现异常涌水与围岩流失等。综合而言，在软弱围岩地质条件下，变形的终极结果是造成掌子面崩塌、拱部坍塌以及各种异常现象。

围岩变形是评价隧道围岩稳定性的重要指标，也是隧道设计的基本准则之一。隧道开挖后，围岩变形稳定性大致经历三个阶段：弹性变形阶段，弹性变形和塑性变形共存阶段，以流变为主，流变、塑性变形共存，同时围岩发生损伤、断裂、挤出及膨胀耦合作用阶段。坚硬围岩以弹性变形和塑性变形为主，而软弱围岩则以塑性变形和流变变形为主。软弱围岩隧道的变形特征主要包括以下几点[19]。

1．变形量大

隧道开挖后，能够产生显著的塑性变形是软弱围岩最主要的显性特征。实测数据表明，软弱围岩洞壁位移可达数十厘米，甚至一百多厘米，往往表现为初期支护严重破裂，如喷射混凝土开裂脱落、钢架扭曲，甚至引起二衬混凝土的开裂。

2．初期变形速度快

坚硬围岩在隧道开挖后，变形很快达到稳定状态，其变形速率很小。而软弱围岩隧道开挖后，变形速率较大。

3．变形持续时间长

软弱围岩不仅初期的变形速度快，而且延续时间长，具有明显的流变特征。众多研究表明，软弱围岩隧道开挖后很长一段时间内，支护或衬砌上的压力一直在变化，这可解释为软弱围岩蠕变的结果。例如花岗岩、砂岩等坚硬岩石蠕变变形很小，且在很短时间内趋于稳定。而页岩、泥岩等软弱岩石的蠕变变形非常明显。可见，软弱围岩的蠕变特性对隧道围岩的变形及其稳定性影响显著。

4．围岩破坏范围大

软弱围岩隧道周边的塑性区扩大，特别是支护不及时或结构刚度、强度不足时，围岩破坏范围更大。

5．压力增长快

围岩压力随开挖时间迅速增大，在很短的时间内，围岩即与支护结构接触，产生较大的围岩压力。如果施工方法和支护措施得当，支护封闭后变形就应得到控制。反之，即使支护封闭后，变形还会发展，以致支护发生破坏。因此，掌握施工阶段大变形的发展规律和控制技术，是软弱围岩隧道施工的关键。

6．变形破坏形式多样

软弱围岩隧道的变形破坏形式一般表现为喷射混凝土严重开裂、初期支护变形侵限、钢架变形扭曲、隧底上鼓、拱顶掉块坍塌等。如关角隧道9号斜井井身X0+40～X0+25段右侧（面向掌子面）边墙出现不同程度的变形，钢架扭曲、混凝土剥落。Ⅰ线隧道DK308+000～DK308+115段、Ⅱ线隧道DYK307+820～DYK307+940段洞身过大的变形导致喷射混凝土剥落掉块，拱架严重变形，并发生扭曲。正洞DYK304+430～DYK304+500段，多处出现喷层开裂、剥落，型钢钢架扭曲，底部上鼓。个别地段出现变形侵限、坍塌以及衬砌开裂。两水隧道DK359+407～DK359+427区段，施工中变形量大，多处出现变形侵限、喷层脱落掉块、支护开裂、钢架扭曲、拱脚失稳、底板隆起等现象，其中最大侵限处侵入净空40cm。天平山隧道DK372+760～DK372+765段拱部喷射混凝土开裂，钢架扭曲。

围岩的强度是指围岩抵抗外力的能力，包括抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。对于隧道而言，不同部位的围岩所处的应力状态各异，有的部位以压应力为主，则应考虑围岩的抗压强度，有的部位以拉应力为主，则应考虑围岩的抗拉强度。当隧道开挖后，如围岩重分布应力超过围岩的强度，则将出现压缩破坏、拉伸破坏或剪切破坏，以及压剪或拉剪的混合破坏等。围岩强度不同于岩石强度，也不同于结构面强度，而是指包含结构面的岩体的强度，因此，围岩强度受岩石强度、结构面强度、岩体结构、围岩赋存环境等因素的控制。从以上分析可知，影响围岩强度的主要因素是岩石强度、围岩的完整性系数以及结构面的特征等。软弱围岩的强度特征主要有以下几点：①软弱围岩的强度随岩石强度的降低而降低，当围岩的完整性及结构面特征恒定时，围岩的强度和岩石强度呈线性变化；②当构成围岩的岩石强度恒定时，围岩强度随围岩的完整性系数减小而降低，即围岩越完整，围岩强度越接近岩石强度，围岩越破碎，围岩强度越低；③当围岩中存在控制性软弱结构面时，如存在断层、挤压破碎带，则围岩的强度受结构面产状与洞轴的关系以及结构面强度两个因素的影响；④软弱围岩的强度受地下水影响较敏感，地下水对软弱围岩有显著的软化和泥化作用。地下水对软弱围岩的软化和泥化作用主要表现在对结构面中充填物物理性状的改变上，岩体结构面中充填物随含水量的变化，发生由固态向塑态直至液态的弱化效应，使软弱围岩的力学性能降低，黏聚力和内摩擦角值减小，围岩变形量大，稳定性降低。