软弱围岩松动圈形成和发展对支护变形的作用分析

赵鹏宇 王龙 申连平

摘要：目前，对于软弱围岩大变形特性机理的理论认识还不够完整，在众研究者中尚未达成共识。本文以软弱围岩松动圈的形成和发展为理论出发点，并结合之前相关研究者所得到的部分结论进行软岩变形机理分析，以期为软岩变形理论的发展及软岩隧道施工提供一定的思路和参考。

关键词：隧道工程 软弱围岩 松动圈 变形

软弱围岩具有大变形、难支护的工程性质已为广大隧道建设人员所了解，但是对于其变形特性机理的理论认识还不够完整，在众多研究者中尚未达成共识，比如姚国圣等提出岩体扩容和塑性软化对软岩变形的影响；陈宗基提出的应力释放对围岩稳定性的影响；张社荣等提出围岩随开挖面的推进形成三维应力旋转而造成围岩应力状态的改变，引起围岩变形等，这些结论在某一点上都很好地解释了软岩的变形特性，然而却没有很好地进行串联，以形成一套比较完整的分析理论。所以，本文从松动圈的形成和发展出发，并结合之前研究者所提出的部分相关结论，对软弱围岩大变形机理进行相对比较完整的分析。

1.软弱围岩的定义

目前，关于软弱围岩的定义主要从两个角度出发，即围岩的物理性质和围岩所处的应力状态及相应的变形特征，分别得到地质软岩定义和工程软岩定义。

地质软岩：单轴饱和抗压强度低于30Mpa的岩石，结构面发育、强度低、胶结度较差、常含有泥质矿物或者膨胀性矿物，遇水易软化。

工程软岩：指在工程力的作用下会发生显著塑性变形的岩体。即不管岩体的强度有多大，在其所处的围岩应力状态下，将发生显著的塑性变形的岩体即称为软岩。在隧道施工领域，目前普遍采用该软岩定义。

2.松动圈的形成和发展与支护变形的关系

2.1松动圈的定义

松动圈指隧道开挖后，首先因为开挖扰动而形成的一定破裂范围，而后因为围岩的受力状态发生改变，由三向受力变为近似的二向受力状态，岩体抗压强度发生明显的下降。当此时围岩所受的应力小于下降后的岩体强度，则围岩能够自稳，相反围岩将发生破裂，且破裂区由开挖面周边开始向围岩深处发展，直至某处其三向应力状态重新达到平衡，因而形成一个圆环形的塑性破裂带。

在松动圈内岩体破碎，裂隙中充满水、空气等介质，而界面以外的岩体比较完整，一般多为塑性软化变形和弹性变形，物性差异较大。

2.2松动圈的最初形成

松动圈的形成最直观的理解是由于隧道的开挖对围岩的扰动，造成围岩最原始的破裂、松动。此时围岩松动圈的范围主要取决于围岩的物理性质，包括围岩强度、胶结程度以及结构面发育程度等等，还有掌子面的开挖方法。

还有一个原因，即隧道开挖后，围岩应力释放所造成的围岩松动、解体。在未扰动之前，围岩在初始地应力的作用下，处于一个相对稳定的平衡状态，且内部积蓄有因外力对其做功而形成的一定的势能uε。由于开挖引起的巨大扰动，该平衡被打破，而且在开挖面附近，围岩由三向受力变为近似的二向受力状态（未进行支护之前），一部分约束力被解除，积蓄在围岩内部的势能将会在极短的时间内得到释放，而围岩将会沿约束力最小的方向，即临空面方向，发生膨胀。因为岩体中各岩石单元的力学性质各有差异，如其弹性模量等，所以不可避免地将形成各自不同大小的膨胀量，从而形成围岩的松动破坏。

所以综上所述，松动圈的形成范围是以上两者相互叠加的结果，其所形成的围岩压力属于松动围岩压力，对软岩隧道大变形的影响较小。

2.3松动圈的发展与支护变形的关系

在完成隧道支护后，围岩应力状态将进行重新调整，且随着掌子面的向前推进而不断变化，不仅包括围岩的应力大小，而且包括应力方向的改变，就如张社荣提出的随着隧道的向前推进，围岩主应力方向发生三维旋转。

如果调整后的应力状态的偏应力σd（在三轴试验中σd=σ1-σ3）大于扩容阀值f﹡时将产生不稳定的扩容变形，使已有的裂纹进一步张开、连通，并伴有新裂纹的产生，使围岩强度进一步降低，出现应变软化现象，而使岩体在围岩应力作用下发生体积膨胀，并形成相应的碎胀力，构成围岩压力的一部分。当围岩压力增长至支护屈服强度时，将形成支护的变形，而支护的变形又将导致内部围岩应力的释放，使得原本塑性区与破裂区交界面上的接触应力减小，相当于在此处又形成了一个相对薄弱面，使得在塑性区一定范围内围岩又发生应力释放以及应力重分布而发生破裂，从而导致松动圈向围岩深部发展，进而形成新的围岩压力以及相应的支护变形。如此反复，直至松动圈深度达到某一位置时，其在支护反力作用下，三向应力状态恰好能达到平衡，不再出现不稳定扩容。

所以，目前很多学者认为，软弱围岩支护的最大载荷是松动圈发展过程中所形成的碎胀力。碎胀力是支护的主要对象，是造成软弱围岩支护大变形的最主要的围岩压力。

3.结语

软弱围岩大变形最直接的原因为围岩的不稳定，而根本原因在于松动圈的不稳定发展，造成巨大的围岩扩容膨胀，以及相应的碎胀力，所以必须将控制松动圈的形成和发展作为软岩隧道施工的重中之重，重点把关。具体施工中，应注意以下几点：

（1）做好超前支护，在开挖时提前做好支护工作，以减小松动圈的形成范围，同时，在开挖时，尽量注意减小对围岩的扰动。

（2）提高注浆质量，利用注浆提高围岩的强度，相应地提高围岩扩容阀值f*，降低围岩受力后的塑性软化，同时利用浆液填补岩体中因扩容膨胀而产生的裂隙，避免地下水进入，造成围岩遇水软化。

（3）合理选择支护参数，以充分调动围岩变形释放的能量，并能最大程度的发挥围岩的自承能力。

以上只是一部分理论定性的分析，还有很多实际问题目前还无法解决，比如如何利用松动圈范围的测定，进而较为准确的估算包含碎胀力在内的围岩压力，从而选择合理的支护参数，方便施工。

参考文献：

[1]何满朝，景海河，孙晓明，编著.软岩工程力学[M].北京：科学出版社，2002-05.

[2]张社荣，梁礼绘.考虑三维应力旋转的隧道衬砌支护时机研究[J].2006.

[3]姚国圣，李镜培，谷栓成.考虑岩体扩容和塑性软化的软岩巷道变形解析[J]. 2007.

[4]沈明荣.岩体力学[M].同济大学出版社，2000.