軟巖隧道變形特性和施工對(duì)策

2.1　軟巖變形力學(xué)機(jī)制

軟巖巷道支護(hù)盲目性的表現(xiàn)之一是對(duì)其變形力學(xué)機(jī)制不清楚。不同的軟巖在其特定的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境中所表現(xiàn)出的變形機(jī)制不同。軟巖巷道之所以具有大變形、大地壓、難支護(hù)的特點(diǎn)，是因?yàn)檐泿r巷道圍巖并非具有單一的變形力學(xué)機(jī)制，而是同時(shí)具有多種變形力學(xué)機(jī)制的“并發(fā)癥”和“綜合癥”—復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制。軟巖變形力學(xué)機(jī)制可分為三類十三亞類(圖1)。每種變形力學(xué)機(jī)制有其獨(dú)特的特征型礦物、力學(xué)作用和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其軟巖巷道的破壞特征也有所不同(表3)。

表3　軟巖巷道變形機(jī)制及破壞特點(diǎn)

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

類型 亞型 控制性因素

特征型 軟巖巷道破壞特點(diǎn)

Ⅰ型

ⅠA型 分子吸水機(jī)制，晶胞之間可吸收無定量水分子，吸水能力強(qiáng) 蒙脫石型 圍巖暴露后，容易風(fēng)化，軟化，裂隙化：Ⅰ型巷道底鼓、擠幫、難支護(hù)，其嚴(yán)重程度從 ⅠA、ⅠAB、ⅠB依次減弱；ⅠC型則看微隙發(fā)育程度。

ⅠAB型 ⅠA & ⅠB決定于混層比 伊/蒙混層型

ⅠB型 膠體吸水機(jī)制，晶胞之間不允許進(jìn)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(xì)吸水機(jī)制 微隙型

Ⅱ型

ⅡA型 殘余構(gòu)造應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力型 變型破壞與方向有關(guān)，與深度無關(guān)

ⅡB型 自重應(yīng)力 重力型 與方向無關(guān)，與深度有關(guān)

ⅡC型 地下水 水力型 僅與地下水有關(guān)

ⅡD型 工程開挖活動(dòng) 工程偏應(yīng)力型 與設(shè)計(jì)有關(guān)，巷道密集，巖柱偏小

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(guī)則鋸齒狀

ⅢD型 優(yōu)勢(shì)節(jié)理 節(jié)理型 不規(guī)則鋸齒狀

ⅢE型 隨機(jī)節(jié)理 隨機(jī)節(jié)理型 掉塊

圖1　軟巖巷道變形力學(xué)機(jī)制

Fig.1　Deformation mechanism of adit in soft rocks

因此，要想有效地進(jìn)行軟巖巷道支護(hù)，單一的支護(hù)方法是難以奏效的，必須“對(duì)癥下藥”,采取符合這種“綜合癥”、“并發(fā)癥”特點(diǎn)的聯(lián)合支護(hù)方法。為此，要對(duì)軟巖巷道實(shí)施成功支護(hù)，須運(yùn)用以下3個(gè)技術(shù)關(guān)鍵：

2.1.1　軟巖變形力學(xué)機(jī)制的確定

通過野外工程地質(zhì)研究和室內(nèi)物化力學(xué)試驗(yàn)分析以及理論分析，可正確地確定軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制類型。I型變形力學(xué)機(jī)制主要依據(jù)其特征礦物和微隙發(fā)育情況進(jìn)行確定；II型變形力學(xué)機(jī)制主要是根據(jù)受力特點(diǎn)及在工程力作用下巷道的特征來確定；III型變形力學(xué)機(jī)制主要是受結(jié)構(gòu)面影響的非對(duì)稱變形力學(xué)機(jī)制，要求首先鑒別結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)及其構(gòu)造體系歸屬，然后再依據(jù)其產(chǎn)狀與巷道走向的相互交切關(guān)系來確定。

2.1.2　復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制的轉(zhuǎn)化

軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制通常是三種以上變形力學(xué)機(jī)制的復(fù)合類型。不同復(fù)合型具不同的支護(hù)技術(shù)對(duì)策要點(diǎn)，因此，其支護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)策是有效地把復(fù)合型轉(zhuǎn)化為單一型。

2.1.3　合理地運(yùn)用復(fù)合型轉(zhuǎn)化技術(shù)

要做好軟巖支護(hù)工作，除了正確地確定軟巖巷道變形力學(xué)機(jī)制類型、有效地轉(zhuǎn)化復(fù)合型的變形力學(xué)機(jī)制之外，要十分注重、合理地運(yùn)用復(fù)合型向單一型轉(zhuǎn)化技術(shù)。即軟巖變形過程中的每個(gè)支護(hù)力學(xué)措施的效果與時(shí)間、支護(hù)順序密切有關(guān)，每個(gè)環(huán)節(jié)都將是十分考究，必須適應(yīng)其復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制特點(diǎn)。只有這樣，才能保證支護(hù)做到“對(duì)癥下藥”，才能保證支護(hù)成功。

2.2　軟巖軟化路徑及狀態(tài)方程

巖石在工程力的作用下進(jìn)入軟巖狀態(tài)的途徑，從理論上可分為四種類型，即初始軟化型、強(qiáng)度軟化型、應(yīng)力增長型、強(qiáng)度降低與應(yīng)力增加復(fù)合型。

2.2.1　初始軟化型

在工程開挖之初（T=0），巖石軟化臨界荷載（σcs）小于圍巖應(yīng)力（σmax），巷道持續(xù)變形不止，表明巖石即進(jìn)入軟巖狀態(tài)。該種類型稱為初始軟化型。其狀態(tài)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(shí)間無關(guān)的塑性變形，mm； Upr為與時(shí)間有關(guān)的塑性變形（如流變等），mm。

2.2.2　強(qiáng)度軟化型

在工程開挖一段時(shí)間以后（T=t），圍巖應(yīng)力為常量，圍巖的軟化臨界荷載由于風(fēng)化、裂隙化等影響不斷降低，使得fs<1，巷道圍巖持續(xù)變形。這種類型稱為強(qiáng)度降低型。其軟化狀態(tài)方程為：

(6)

2.2.3　應(yīng)力增長型

隨著工程開挖的不斷進(jìn)行（T≥t），圍巖的最大應(yīng)力值不斷增加，()，圍巖的軟化臨界荷載保持不變（σcs=C），在某一時(shí)刻，圍巖開始進(jìn)入軟巖狀態(tài)（fs≤1）,巷道圍巖持續(xù)變形不止。（），表明圍巖進(jìn)入了軟巖狀態(tài)。該種類型稱為應(yīng)力增長型，其狀態(tài)方程為：

(7)

2.2.4　強(qiáng)度降低和應(yīng)力增長復(fù)合型

隨著工程開挖的不斷進(jìn)行(T≥t),圍巖最大應(yīng)力值不斷增加(），圍巖的軟化臨界荷載不斷降低(σcs=f2(t),≤0),在某一時(shí)刻,圍巖開始進(jìn)入軟巖狀態(tài)(fs<1),巷道持續(xù)變形.該種類型稱為強(qiáng)度降低和應(yīng)力增長復(fù)合型,其狀態(tài)方程為：

(8)