软弱岩体工程特性研究综述

软弱岩体工程特性研究综述

李佳宝

四川乐西高速公路有限责任公司  四川省成都市、 610000，

摘要：软弱岩体工程一直是一个世界性难题，目前仍主要采用工程类比法设计。近年来随着人类工程活动的不断深入，软岩工程越来越多，所遇到的问题也越来越复杂，软岩成因不一，类型繁多。虽然软岩地下工程都表现为围岩变形量大，但其变形机理是不同的。所以，本文针对软弱岩体工程特性，首先要对软岩进行适当的分类，并研究不同类型软弱岩体工程中软岩的破坏包括（围岩变形规律、失稳形态和失稳规律），进而因地制宜的提出对应的支护理论与技术，以及提供后期工程中的监测与反馈系统，有助于正确及时地对软弱岩体工程稳定性做出评价，最终达到信息化施工。

关键词：软岩分类 软岩破坏 软岩支护 监测与反馈

Abstract：Weak rock mass engineering has always been a worldwide problem, and it is still mainly designed using engineering analogy. In recent years, with the continuous deepening of human engineering activities, more and more soft rock projects have been encountered, and the problems encountered have become more and more complicated. Soft rock has different causes and various types. Although the soft rock underground engineering shows that the deformation of the surrounding rock is large, the deformation mechanism is different. Therefore, in view of the engineering characteristics of weak rock mass, the soft rock should be properly classified, and the damage of soft rock in different types of weak rock mass engineering (including deformation law, instability shape and instability law of surrounding rock) should be studied. The corresponding support theory and technology are proposed, and the monitoring and feedback system in the later engineering is provided, which helps to evaluate the stability of the weak rock mass engineering correctly and timely, and finally achieves information construction.

Keywords：soft rock classification soft rock damage soft rock support monitoring and feedback

引言

软岩工程是一个相对的概念，不同的位置 (如埋深等 )、不同的环境条件，都会使软岩工程所表现出来的特性发生变化，甚至使软岩工程发生根本性的变化[1]。对软岩的定义，目前尚未统一。1981年在东京召开的“国际软岩学术讨论会”上，规定“软弱、破碎和风化岩石”为软岩。有的学者建议把软岩定义为“难支护岩体”。清华大学周维垣教授认为软岩可定义为“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”[2]。一般来讲，软岩是指软弱破碎、膨胀、流变、强风化及高应力岩体的总称。

1软岩分类

国内外对岩体分类已提出了几十种甚至上百种方法，有描述的、有指标化的、有理论的、也有工程的。任何一种定义，都抓住了软岩的某些本质特征，刻画了软岩的某些基本性质。考虑的因素也不尽相同结合国内外具有代表性的围岩分类考虑因素总结如下[3]：

由上可知各代表性围岩的分类方法考虑的因素都不尽相同，但均考虑了岩石强度和岩体完整程度这两项因素，其中岩石强度包括（矿物成分、结构及成因、风化程度、水化作用后的软化程度、吸水反应等），而岩体完整程度包括（结构面几何特征和结构面形状特征）考虑了结构面的组数、产状、密度、延伸程度、各结构面的切割关系、张开度、粗糙度、起伏度、填充物、填充情况、水的赋存状况等各方面因素对岩体进行定性分析。从而形成以下具有定量性的分类[4]：

表中:Rc———岩石单轴饱和抗压强度，Mpa；Kv———岩体完整性指数，Kv=(Vpm/ Vpr)2，其中Vpm为岩体弹性纵波速度，km/s,，Vpr为岩石弹性纵波速度，km/s。

2软岩破坏

2.1变形规律

根据岩体结构力学的观点[5]，岩体是由岩块(结构体)和结构面(节理、裂隙、裂缝等)组成的结构体。由于组成岩体的岩块强度和结构面特性不同,所以不同类型软岩隧道围岩变形规律各不相同。

2.2失稳形态及规律

2.2.1软弱型软岩

软弱型软岩的变形以岩块变形为主，结构面的影响较小。由于软弱型软岩的岩块强度很小，所以这类软岩隧道破坏机理以塑性变形和流变变形为主。隧道变形的特点是变形持续时间长、变形速度居高不下、变形量大，表现为明显的流变变形特征。软弱型软岩隧道破坏型式主要有持续性的挤压流动性底鼓、大变形量的顶板及两帮收敛变形。

2.2.2破碎型软岩

破碎型软岩的变形由岩块变形和结构面变形两部分组成。所以这类隧道变形以松动塌落变形和流变变形为主,其破坏型式主要有顶板冒落、两帮片落鼓折、大变形量的顶板及两帮收敛变形。

2.2.3高应力型软岩

高应力型软岩隧道在岩块强度较高时,变形破坏以松动塌落为主，具体形式有冒顶、片帮；在岩块强度较低时，其变形破坏以流变变形为主。高应力地区软岩的主要破坏形式有大变形和岩爆两种。当变形量很大且延续时间很长时，就产生了持续不断的破坏以致深入到围岩内部，使围岩塑性区逐渐增大造成洞室大规模坍塌。因此，围岩破坏具有明显的时效性[6]。

2.2.4软弱破碎型软岩

软弱破碎型软岩兼有软弱型与破碎型软岩变形的特点，变形机理十分复杂，表现出强烈的流变变形特性。这类软岩的具体变形形式表现为来压迅猛及持续高速流变变形。

2.2.5膨胀性软岩

泥岩或泥质胶结页岩、砂岩内含蒙脱石、伊利石等膨胀性粘土矿物，致使在此类地层中修建的建筑物由于围岩的膨胀变形而产生许多病害。膨胀性地层岩性比较复杂，种类也多。我国华北和西北地区部分线路隧道常见的膨胀性地层主要有泥岩、页岩及第三系粘土类。在这些地层中修建隧道时经常遇到的现象有:围岩吸水膨胀；岩体自然风化作用和干湿循环胀缩效应强烈；围岩变形量大，持续时间长；施工极易坍塌，结构开裂，道床上鼓[7]。

3软岩支护

根据软弱工程力学[8]，由于组成岩体的岩块强度和结构面特性不同，不同类型软岩巷道围岩变形规律各不相同，实践中应根据不同类型软岩巷道围岩变形规律、失稳规律确定其支护原则和支护方案如下[9]。

4监测与反馈

4.1现场监控量测试验

(1)围岩收敛位移量测；所谓收敛位移量测主要是指对壁面两点间水平距离的变形量的量测，拱顶下沉及底板隆起位移量的量测等。它是判断围岩动态的最主要的量测项目，特别是当围岩为垂直岩层时，内空收敛位移量测更具有非常重要的意义，也比较容易测得，对于地下空间的稳定能提供可靠的信息，因为岩体变形是其应力形态变化的最直观反映[10]。(2)围岩内位移量测；为了探明支护系统上承受的荷载，进一步研究支架与围岩相互作用之间的关系，不仅需要量测支护空间产生的相对位移(或空间断面的变形)，而且还需要对围岩深部岩体位移进行监测

[11]。(3)地表下沉量测；对于浅埋隧道地表沉降以及沉降的发展趋势是判断隧道围岩稳定性的一个重要标志。浅埋隧道通常位于软弱、破碎、自稳时间极短的围岩中，施工方法不妥极易发生冒顶塌方或地表有害下沉，当地表有建筑物时会危及其安全。浅埋隧道开挖时可能会引起地层沉陷而波及地表，因此，地表下沉量测对浅埋隧道的施工是十分重要的[12]。(4)围岩弹性波测试；体是个复杂的介质，因此，声波在岩体中的传播特性远比均匀完整的理想弹性介质要复杂得多。岩体中各种地质物理和地应力的作用，对声波传播的行程和振幅，将产生一系列的影响。因此，岩体中声波传播的特征是岩体性态的客观反映。而岩体中声波传播与其内部的结构特征有着密切联系，随着岩体的种类、弹性参数、结构面、断层和破碎带、密度、孔隙率、应力状态、风化程度和含水率不同而有显著的变化。因而，对围岩进行弹性波测试是非常有必要的。(5)岩石强度测试； 岩石分类、工程地质评价岩体工程设计和施工，皆以岩石工程性质为基础，而获取岩石力学性质指标要通过室内常规试验或现场大型试验来实现。大型试验费力费时费用高，室内常规试验则要将采集来的岩样加工成标准尺寸的试件，再利用各种试验机和仪器测定出岩石力学性质指标。这样一则需要一套完整的加工和试验设备；二则风化、软弱的岩石往往遇水软化、崩解，难以加工成试件；三则岩体工程多处于远离试验设备、交通不便地方。为此多年来国内外科研人员都在研究结构简单、携带方便、适用野外并能快速测得成果的试验设备和方法，岩石点荷载试验就是其中的一种[13]。

4.2监控量测信息反馈方法

由于围岩性质的复杂性，加上施工等人为因素的影响，在软岩工程施工中，无论事先的调查和实验做得多么细致，支护的实际受力和变形状态，往往难以与力学模型所分析的结果一致。为了确保工程的安全可靠和经济合理，必须在施工阶段实行监控量测，及时收集施工时，围岩和支护结构中所产生的位移和应力变化等信息。并且根据一定的标准来判断是否需要预先设计的支护结构和施工流程，这一方法称为信息反馈法[14]。它的特点是能反映工程开挖后的围岩的实际应力及变形状态，使得设计和施工与围岩的实际动态相匹配。在软岩工程中所采用的反馈方法可以分作两大类:理论反馈法和经验反馈法[15]。

4.2.1理论反馈法

在工程支护结构设计计算中，所需要的计算参数为表征岩体物理力学特性的参数(如变形模量，泊松比。粘聚力以及内摩擦角等)和反映岩体环境条件的初始地应力。 对于工程支护结构进行设计计算时，首先要根据结构物的具体情况选取力学模式，其次要确定计算参数，应用现场量测信息进行反馈[16]。求解计算参数，这种方法叫做理论反馈法，理论反馈法又分为直接反馈法和间接反馈法两种。

4.2.2经验反馈法

经验反馈法是根据工程类比建立一些判断准则，然后利用量测到的信息与这些准则进行比较，以此来判断围岩的稳定和支护结构的工作状态的方法，一般可以用三种判断准则进行判断：(1)允许位移值；所谓允许位移值，是指在隧道施工的全过程中，在保证围岩不产生有害松动，地表不产生有害沉降(指浅埋隧道)条件下的最终位移值。(2)位移变化速率；它是以每天的位移量来表示的，对某一开挖断面来讲，从开始产生位移到它稳定为止，每天的位移变化速率都是不同的。根据位移变化数率来判断围岩的稳定程度，是目前国内外广泛采用的方法[17]。(3)时间－位移曲线(位移时态曲线)；如果其回归曲线μ对时间的二阶导数，说明位移速率不断下降，这是围岩稳定的标志。如果出现，则说明位移速率维持不变或者不断增大，表明围岩处于危险状态，必须立即进行加固[18]。

5结论

通过围岩分级、支护技术和监控量测，对软岩工程施工过程的力学特点和规律、变形特征进行了系统全面的描述，并对软岩工程稳定性进行评价。

总之，由于量测技术以及计算机技术的发展，软岩工程结构体系的信息设计和施工方法有了很大的发展。现场监控量测获得的数据是反分析计算的基础资料，而反分析计算得到的结果又可为监控量测的定量判断提供理论依据。两者的结合，就是通过施工前和施工中对工程的量测，并且以这些量测值进行反演分析，用来监控围岩和支护的动态及其稳定与安全，根据及时获得的量测信息进一步修改和完善原设计，并指导下阶段施工，确定支护施作方式和时间，调整支护参数，以期获得最优地下结构物的一种方法，以达到信息化施工的目的。

参考文献

1

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