软岩工程地质力学研究进展

张红义

（四川绵九高速公路有限责任公司，四川 成都 610041）

在当前，我国的高地应力软岩隧道工程在施工过程中面临很多的问题，其中变形是其面对的最大问题。隧道工程在施工过程中出现软岩受理变形，使得软岩支护出现破坏和开裂，严重会导致隧道塌方，形成不可逆的、难以修复的永久性支护破坏。与此同时，在软岩隧道施工方法上，如果没有采取科学、合理、恰当的施工方式，那么不仅会造成软岩隧道施工工程造价的不断提高，同时也会大大的影响软岩隧道工程的施工质量和施工安全性。通过对软岩工程地质力学进行有效的研究，不断结合软岩隧道的施工现状和具体情况来创新软岩隧道的支护方法，有效的解决软岩支护变形的问题，从而最大限度的提升软岩隧道的施工效率和施工质量。

目前，国内外已经研发出一些新的技术或者理论来应对和解决软岩隧道的支护问题，并取得了很大的成效，如联合支护技术、松动圈技术、新奥法和大弧板理论或者技术等。但是由于工程软岩具有很强的复杂性，软岩隧道的支护原则、原理和对策、软岩隧道变形力学的相关机制、软岩隧道很难支护的问题及原因等缺乏全面且系统的把握和研究，这使得很多问题依然存在且亟待解决，这很容易导致在软岩工程支护成功效率的降低，实践过于盲目，导致存在严重的浪费资源的问题，不利于更好的提升软岩隧道工程的支护效率和支护质量。因此，本文主要对软岩的概念及类型、软岩的变形力学机制、软岩的隧道支护相关内容等进行深入的讨论和研究，旨在更好的研究和把握软岩隧道的支护问题，运用更加有效的技术方法来解决软岩隧道的支护问题。

1 软岩的概述

1.1 软岩的概念及内涵

软岩是在一定的环境和条件下产生的一种塑性变形非常显著的岩石力学介质，其具内部结构具有很强的复杂性。软弱、松散的岩层与坚硬的岩层是相对的，其具有很低的自然强度，抗压强度在20MPa 以下，且围岩松动圈厚度1.5 米以上。软岩的分类主要有两种，一种是工程类软岩，另一种是地质类软岩。工程类软岩主要是指岩石受到了工程作用力的影响，是的岩石产生的塑性变形非常明显的一种岩体工程，工程类软岩主要强调的是岩石强度与工程荷载大小之间的对立统一关系，这样能够对工程类软岩的实质性进行更加全面的分析和把握。而地质软岩主要是指具有较大孔隙度、较低强度、较差胶结程度以及受构造面切割和风化影响非常大的岩层，或者是含有大量膨胀性黏土矿物的弱、软、松散的岩石，如泥质矿岩、粉砂岩、页岩、泥岩等等，这些都是地质介质都具有天然性和复杂性。依据软岩的差异特性和塑性变形的显著原理来给软岩分类，可以分为复合型软岩、节理化软岩、高应力软岩与膨胀性软岩这四大类。其中高应力软岩又有构造力与自重应力之分。构造应力软岩与方向有关，与深度没有关系；自重应力软岩与深度有关系，而与方向没有关系。

软岩工程与地质软岩之间是存在着密切联系的，当地质软岩的强度显著大于工程荷载强度时，地质软岩的塑性变形不会发生的那么明显，因此，地质软岩不变成工程类软岩。而如果地质软岩由于受到工程力的作用与影响，其产生的塑性变形非常明显，这样地质软岩就能够转变成工程软岩。在高应力和大深度的作用下，一些地质硬岩也会展示出一些非常显著的变形特性，其也会被看做是工程软岩。

1.2 软岩工程的力学属性

软岩工程主要的研究对象就是软岩工程，其多指边坡、隧道和基坑开完扰动影响范围内的所有岩体，其包括结构面、岩块以及空间组合特性。软岩工程的基本力学属性主要有两方面，一方面是软化临界荷载，另一方面是软岩临界深度，软岩工程的基本力学属性将软岩的相对性实质有效的揭示出来。软化临界荷载的基本力学属性，经过软岩蠕变的试验，当增加的荷载与某一荷载水平小时，岩石的变形状态会趋于稳定，入编的曲线值也会趋向某个变形值，且不会因为时间的增加或者延伸而产生任何变化。如果增加的荷载比某一荷载水平要大时，岩石的塑性变形就会变得非常显著，塑性的速度也会提升，这会产生不稳定性的岩石变形状态，这就叫做软岩的软化临界荷载，也是能够使得岩石产生塑性变形非常显著的最小荷载。当确定岩石种类时，其在客观上存在软化临界荷载。而当岩石承受的荷载水平要比软化的临界荷载要低时，这类岩石属于硬岩。

软化临界深度与软化临界荷载的存在处于相对状态。当隧道的位置比某个开采深度要大时，围岩就会产生非常大的塑性变形和明显的大地压现象，大大的增加了支护的难度。但是如果隧道的位置不深，其深度比某一深度要小，那么大地压、大变形的现状或者问题就会明显消失，此时的临界深度就会被叫做岩石软化临界深度。软化临界荷载与其深度的地应力水平基本持平。

1.3 膨胀性软岩的相关概述

我国的膨胀性软岩有古生代、中生代与新生代软岩之分。由于地质时期不同，软岩的生成条件与环境也不尽相同，且软岩的矿物质含量、成分也存在很大的差别，其主要表现在水理性质、力学性质和化学性质上。从水理性质来方面来看，古生代软岩不含蒙脱石，吸水量与吸水率都很低，其软化性质并不明显，同时也没有明显的崩解性与膨胀性；中生代软岩含有很少的蒙脱石，具有明显的吸水性，岩块的吸水率在10%-70%之间，膨胀性很强，吸水性很弱，且有很少的软岩具有很低的吸水力和膨胀性。新生代软岩含有大量的蒙脱石，具有很强的吸水量，岩块的吸水率在20%-80%之间，具有非常显著的吸水软化性和膨胀性。从化学性质上来分析，古生代软岩的PH 值在5.4-10.1 之间，最小值为4.98，最大值为10.38，比表面积在20-100m2g-1之间，阳离子交换量在10-20meg.100g－1之间，最小为5.09meg.100g－1，最大为38.07meg.100g－1.中生代软岩的PH 值在7.1-10.1 之间，最小值为6.82，最大值为10.18.比表面积在100-350m2g-1之间，最小为24.27m2g-1,最大值为717m2g-1.阳离子交换量在20-50m2g-1之间，最小值为8.13m2g-1，最大值为86.73m2g-1。新生代软岩的PH 值在7.8-10 之间，最小值为4.4，最大值为10.02.比表面积在150-450m2g-1之间，最小为18.15m2g-1,最大值为555.4m2g-1.阳离子交换量在25-60m2g-1之间，最小值为7.02m2g-1，最大值为79.8m2g-1。从力学性质方面来分析，古生代软岩的抗压强度在24-40MPa 之间，抗压强度在1-2MPa 之间，长期强度或者瞬时强度在40-70MPa 之间，弹性模量较大，泊松比较小。而中生代软岩的抗压强度在15-30MPa 之间，抗压强度在0.4-1MPa 之间，长期强度/瞬时强度在30-60MPa 之间，弹性模量很低，泊松比很大。新生代软岩的抗压强度在10MPa以下，抗压强度在0.5MPa 以内，长期强度或者瞬时强度在10-40MPa 之间，弹性模量很低，泊松比较大。

2 研究工程软岩地质力学的变形机制

在软岩工程中，隧道支护是比较常见的软岩工程。而在支护软岩隧道时，很多人不清楚工程软岩地质力学的变形机制，因此，在支护软岩隧道方面存在很大的盲目性和局限性。由于地质环境不同、地质力学不同、不同类工程软岩的变形机制也是不尽相同的。与此同时，软岩隧道围岩的变形力学机制不是一成不变的，也不是单一的，其会受到很多力学作用和影响而发生变形，其地质力学机制是复合型的。复合型的软岩隧道在支护上会存在很大的困难，且具有大地压、大变形的特性。软岩工程的地质力学机制并不是单一且固定的，其每种变形力学机制都具有特殊的结构、力学作用、特征型矿物等特点，且软岩隧道还具有不同的破坏特征。基于此，为了能够提升软岩隧道支护的效果和质量，如果运用单一的支护方法或者手段是很难取得很好的效果的，我们必须要结合软岩工程的地质力学的特殊性来“对症下药”,运用综合、联合的支护方法来进行软岩隧道的支护，提升软岩隧道的支护质量。

首先，确定软岩变形力学机制。经过广大专家、地质人员的反复实践，基本能够对软岩工程的变形力学机制的种类进行合理、有效的确定，其主要分为三个类型。第一类主要是结合软岩隧道的微隙发育的具体状况与其特征矿物来确定的变形力学机制。第二类主要是根据软岩隧道在工程力作用下的特征或者受力特点来确定软岩隧道的变形力学机制。第三类主要是先明确软岩隧道结构面的力学性质、构造体系、隧道走向以及软岩隧道的产状，以此来确定受结构面影响的非对称变形力学机制。

其次，合理转化复合型变形力学机制。在转化复合型力学机制之前，要先对变形力学机制的复合性进行全面的了解，其主要是由三种或者三种以上的变形力学复合而成的一种软岩隧道变形力学机制。复合型变形力学机制也不是一成不变的，同时也存在很多类型的复合型地质力学机制，在进行不同类型地质力学支护时，要结合每个类型的复合地质力学机制来选择不同的支护对策或者技术，推动复合型地质力学机制逐渐向单一型的地质力学方向转变，从而更好地实现支护目标，提升支护的成功率。

最后，科学、合理、有效的运用复合转化技术。为了能够更好地支护软岩隧道，不仅要对软岩隧道的变形力学机制分类进行有效的确定，转化复合型变形力学机制，同时也要运用合理、科学、有效的方法或者技术来推动复合型变形力学机制转化成单一型的力学变形机制。在软岩隧道形成的过程当中，支护顺序、支护时间与每个支护力学的效果有着非常密切的联系，且每个环节都是值得深入研究和讨论的。因此，为了能够更好地提升支护软岩隧道的成功效率，对复合地质力学的特性进行全面的了解与掌握，并结合复合型力学变形机制的特点来对提出更加切实可行的支护对策，实施有效的支护策略和措施，最大化的保证软岩隧道支护效果，提升软岩隧道支护的成功率。

3 软岩隧道的支护理论研究

经过大量的实践经验表明，新开或者翻修的软岩隧道都有一个循序渐进破坏的力学过程，其是从软岩隧道的一个或者几个部位开始发生损伤、变形和破坏，使得整个支护体失去了稳定性，而这些隧道围岩与支护相互作用的工程力学破坏部位，我们通常叫其为关键部位。而软岩隧道的关键部位由于受到不协调的非线性力学，耗费了大量的能量，其具有非常复杂的机理和支护原理。与此同时，在开挖隧道的过程中，由于岩体自身的天然平衡应力状态遭到了严重的破坏，使得隧道周围岩体的负荷应力与回弹出现重新分布，而这种重新分布的应力与回弹分布的盈利均超过了隧道围岩所能承受的负荷，从而使得隧道岩体的稳定性遭到破坏。软岩隧道一般在施工过程中会存在较大的安全隐患，会出现较大的变形，具有较低的承载力，周围岩石具有很大的不稳定行，同时具有较大的变形速率、较长的收敛时间，很难有效的控制其变形，使得软岩隧道的病害愈发严重，大大的增加了软岩隧道的施工资本，不利于软岩隧道的更好建设和运营。

通过对软岩隧道特点和支护现状的分析，在支护软岩隧道时，要充分发挥和利用自身的承载能力，重视适度泄压与刚性支护的有效结合，强化加固、卸压与支护的相互结合与运用，从而促进软岩隧道工程支护效果和质量的有效提高。

4 研究支护软岩隧道的原理和时间

在支护原理方面，软岩隧道与硬岩隧道是完全不同的，二者之间的支护差异主要是由于二者的本质构成关系不同。当进行硬岩隧道的支护工程时，硬岩隧道的状态是坚决不允许进入塑性变形状态的，如果硬岩隧道进入塑性变形的状态，那么其会完全的丧失其应有的荷载能力，使得硬岩隧道的作用得不到真正的发挥。但是软岩隧道与硬岩隧道不同，软岩隧道本身处于塑性变形状态，且为了能够达到软岩隧道的良好支护效果，软岩隧道的塑性性能必须要以不同的形式来完全的释出来，以此来发挥出支护软岩隧道的作用和价值。

经过岩石力学工程实践与理论可知，在开挖隧道之后，隧道围岩会出现很大的变形，且变形的程度会随着隧道围岩的范围的变化而变化。隧道围岩变形的程度依据变形的速度来划分，可分为减速变形阶段、恒速变形阶段与加速变形阶段。在加速变形阶段，让软岩隧道的自身岩体结构会发生很大的改变，会有新的裂纹产生，降低了软岩隧道的强度，不利于软岩隧道的更好地支护。为了能够更好地解决这个问题，建立最佳支护时间的概念，确定最佳支护时间是非常有必要的。由于开挖软岩隧道会破坏软岩隧道原有的天然应力，围岩的应力会出现重新分布，增加了切向应力，减小了径向应力，这种变化会导致围岩出现变形，岩体产生裂隙，恶化了力学性质。因此，为了能够更好地提升软岩隧道的支护质量，我们必须要掌握好最佳支护时间的力学，将塑性区的承载能力最大新都的发挥出来，保障软岩隧道的支护效果。

5 结束语

综上所述，目前，软岩工程地质力学受到多种因素的作用和影响，通过对软岩概况、软岩工程地质变形力学的机制、软岩工程的力学属性、软岩隧道的支护理论、软岩隧道的支护原理及支护时间等的有效研究和讨论，深入且全面的分析和掌握软岩工程地质力学的现状和特点，设计高效的软岩隧道支护方案，实施更加切实可行的软岩隧道支护技术或者策略，提升软岩隧道的支护效果。