軟巖隧道變形特性和施工對策圖書目錄

2.1　軟巖變形力學機制

軟巖巷道支護盲目性的表現(xiàn)之一是對其變形力學機制不清楚。不同的軟巖在其特定的地質力學環(huán)境中所表現(xiàn)出的變形機制不同。軟巖巷道之所以具有大變形、大地壓、難支護的特點，是因為軟巖巷道圍巖并非具有單一的變形力學機制，而是同時具有多種變形力學機制的“并發(fā)癥”和“綜合癥”—復合型變形力學機制。軟巖變形力學機制可分為三類十三亞類(圖1)。每種變形力學機制有其獨特的特征型礦物、力學作用和結構特點，其軟巖巷道的破壞特征也有所不同(表3)。

表3　軟巖巷道變形機制及破壞特點

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

Ⅰ型

ⅠA型 分子吸水機制，晶胞之間可吸收無定量水分子，吸水能力強 蒙脫石型 圍巖暴露后，容易風化，軟化，裂隙化：Ⅰ型巷道底鼓、擠幫、難支護，其嚴重程度從 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 膠體吸水機制，晶胞之間不允許進入水分子，粘粒表面形成水的吸附層 高嶺石型

ⅠC型 微隙-毛細吸水機制 微隙型

Ⅱ型

ⅡA型 殘余構造應力 構造應力型 變型破壞與方向有關，與深度無關

ⅡB型 自重應力 重力型 與方向無關，與深度有關

ⅡC型 地下水 水力型 僅與地下水有關

ⅡD型 工程開挖活動 工程偏應力型 與設計有關，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)勢節(jié)理 節(jié)理型 不規(guī)則鋸齒狀

ⅢE型 隨機節(jié)理 隨機節(jié)理型 掉塊

圖1　軟巖巷道變形力學機制

Fig.1　Deformation mechanism of adit in soft rocks

因此，要想有效地進行軟巖巷道支護，單一的支護方法是難以奏效的，必須“對癥下藥”,采取符合這種“綜合癥”、“并發(fā)癥”特點的聯(lián)合支護方法。為此，要對軟巖巷道實施成功支護，須運用以下3個技術關鍵：

2.1.1　軟巖變形力學機制的確定

通過野外工程地質研究和室內物化力學試驗分析以及理論分析，可正確地確定軟巖巷道的變形力學機制類型。I型變形力學機制主要依據其特征礦物和微隙發(fā)育情況進行確定；II型變形力學機制主要是根據受力特點及在工程力作用下巷道的特征來確定；III型變形力學機制主要是受結構面影響的非對稱變形力學機制，要求首先鑒別結構面的力學性質及其構造體系歸屬，然后再依據其產狀與巷道走向的相互交切關系來確定。

2.1.2　復合型變形力學機制的轉化

軟巖巷道的變形力學機制通常是三種以上變形力學機制的復合類型。不同復合型具不同的支護技術對策要點，因此，其支護的關鍵技術對策是有效地把復合型轉化為單一型。

2.1.3　合理地運用復合型轉化技術

要做好軟巖支護工作，除了正確地確定軟巖巷道變形力學機制類型、有效地轉化復合型的變形力學機制之外，要十分注重、合理地運用復合型向單一型轉化技術。即軟巖變形過程中的每個支護力學措施的效果與時間、支護順序密切有關，每個環(huán)節(jié)都將是十分考究，必須適應其復合型變形力學機制特點。只有這樣，才能保證支護做到“對癥下藥”，才能保證支護成功。

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、強度軟化型、應力增長型、強度降低與應力增加復合型。

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）小于圍巖應力（σmax），巷道持續(xù)變形不止，表明巖石即進入軟巖狀態(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為與時間無關的塑性變形，mm； Upr為與時間有關的塑性變形（如流變等），mm。

2.2.2　強度軟化型

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

(6)

2.2.3　應力增長型

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

(7)

2.2.4　強度降低和應力增長復合型

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

(8)