李宁军：软岩速度技术

1、软岩黄土隧道技术1第一节软岩的概念1、软岩的定义：1）地质软岩定义：具有软弱（强度低）、松散（孔隙度大、胶结程度差）、破碎（受构造面切割及风化影响显著）、膨胀性（含有大量膨胀性粘土矿物）岩体的总称。2）工程软岩定义：在工程力（重力、构造应力、膨胀应力、工程扰动力、水作用力，支护力）作用下，产生显著的塑性变形和流变的工程岩体（围岩）。22、软岩分类 根据岩体自然特征、物理化学特性、在工程力作用下产生显著变形的机理分类的主要依据。 1）低强度软岩：结构松散、胶结程度差、岩石单轴抗压强度低于25MPa，在低应力状态下产生显著塑性变形的工程岩体。 2）膨胀性软岩：含有较多蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土质

2、矿物成分，亲水后产生显著膨胀变形的工程体。 3）高应力软岩：在高应力作用下产生显著塑性变形的工程岩体。 4）节理化软岩：因节理、层理、裂隙发育，在工程力作用下产生显著滑移、扩容的塑性变形的岩体。3 5）复合型软岩：具有以上情况2种以上组合的岩体。3、软岩的综合分级级别饱和抗压强度MPa干燥饱和吸水率%完整系数kv软化深度系数较软岩1525200.550.351.01.3软岩51520500.350.151.32.0极软岩5500.152.044、软岩的工程特性软岩有别于硬岩而独具的特性：1）可塑性结构疏松、粘土矿物亲水性强，在工程力和水的作用下矿物分子结构发生变化，使岩石具有极大的可塑性，强度

3、急剧降低。2）膨胀性有分子膨胀、胶体膨胀和应力扩容等三种形式，多为复合型膨胀。3）流变性受力变形过程与时间密切相关。4）易扰动性对施工震动、暴露风化、吸水膨胀、软化泥化、卸荷松动等影响极为敏感。55、软岩坑道变形的主要特点：1）呈现蠕变变形三阶段的规律。初期来压快，变形量大，不加控制会发生坍塌；刚性支护不能适应大变形，将很快被压坏，要在控制下允许变形；变形后期仍以一定速度流变，需有足够的支承能力。2）多表现为环向受压，且为非对称。如对底板不加控制，强烈底鼓引发两帮破坏、顶板坍落。3）变形随埋深增加而增大。超过临界深度支护难度明显增大。64）软岩失水和吸水均造成坑道强烈变形破坏。失水软岩发生纵横

4、裂隙，剥落破坏；再吸水迅速膨胀变形或泥化破坏。7第二节软岩的基本力学属性1、软化临界荷载软岩蠕变试验表明：当荷载小于某一水平时，岩石处于稳定变形状态，蠕变曲线趋某一变形值，不再随时间变化。当荷载大于某一荷载水平时，岩石呈现明显的塑性变形加速现象，即不稳定变形。称为软岩的软化临界荷载。2、软化临界荷载的确定1）通过岩石蠕变力学试验，测定出岩石的长期强度，大致相当于软化临界荷载。2）经验系数乘k以岩石单轴抗压强度。膨胀软岩k=0.30.5;高应力软岩k=0.50.7;节理化软岩k=0.40.883、软岩的软化路径岩石在工程力的作用下进入软岩状态的途径：1）初始软化型坑道开挖之初，岩石软化临界荷载小

5、于围岩应力，持续变形不止。2）强度降低型坑道开挖一段时间后，围岩应力为常量，围岩的软化临界荷载不断降低（风化、裂隙化），某时坑道持续变形。3）应力增长型坑道持续开挖，围岩应力不断增加，超过保持不变的软化临界荷载，某时坑道持续变形不止。94）强度降低与应力增长复合型随坑道不断开挖，围岩应力不断增加，围岩的软化临界荷载不断降低，某时坑道持续变形。4、软岩三轴抗压特性在相同围压下：砂岩类变形量小，轴向破坏荷载高。泥岩和沙质页岩变形量大，轴向破坏荷载小，表现出塑性变形破坏的特征。10泥岩应力应变全过程曲线11沙质页岩应力应变全过程曲线12粉砂岩应力应变全过程曲线135、软岩的流变性是指软岩受力变形过程

6、与时间有关的变形性质。包括弹性后效（延迟发生的弹性变形）、流动（随时间延续而发生得塑性变形）、结构面闭合和滑移变形（结构面的压缩和错动变形，属塑性变形）。 软岩坑道表现出的力学现象，围岩应力、变形、破坏等几乎都与时间有关。以往应用弹性力学和弹塑性力学求出的坑道变形和应力都是瞬间发生的，是量测不到、无法阻止的。量测到的和支护加以阻挡的都是流变产生的变形和应力。14软岩的流变性主要表现在软岩的：1）蠕变性在恒定荷载作用下发生的流变性质。蠕变的应力是常量，流变的应力可以是变量。蠕变曲线三阶段： 阶段衰减蠕变，应变速率由大逐渐减小，蠕变曲线上凸。 阶段等速蠕变，应变速率近似为常数或为零，蠕变曲线近似为

7、直线。 阶段加速蠕变，应变速率逐渐增加，蠕变曲线下凹。1516 同一材料，在不同应力水平上的蠕变表现不同，可分为三种类型： 稳定蠕变在低应力水平下，只有蠕变阶段和阶段（且为水平线），永远不出现阶段那种变形迅速增大而导致破坏形象。 亚稳定蠕变在中等应力水平下，只有蠕变阶段和阶段（为稍有上升的斜直线），在相当长的期限内不致出现阶段。 不稳定蠕变在比较高得应力水平下，连续出现蠕变、阶段，变形在后期迅速增长而导致破坏。1718 通过现场实测，可以得到隧道的蠕变曲线。但应注意： （1）无支护坑道的围岩变形曲线属于蠕变曲线。因坑道围岩内侧压力为零，外侧压力为原始地应力始终不变，故围岩变形曲线符合蠕变条件。

8、 （2）有支护隧道的围岩变形曲线属于流变曲线。支护反力随围岩挤压不断增长，围岩受到的内压随时间变化，围岩变形曲线应视为流变曲线。192）松弛性在恒定变形条件下，应力随时间延续而逐渐减小的性质。可划分4种类型： （1）立即松弛，变形保持恒定后，应力立即消失。 （2）完全松弛，变形保持恒定后，应力逐渐消失。 （3）不完全松弛，变形保持恒定后，应力逐渐松弛趋于某一定值。 （4）不松弛，变形保持恒定后，应力始终不变。20松弛曲线21第三节软岩隧道稳定控制技术 长期以来，软岩隧道稳定性研究一直是从支护类型入手，常常事与愿违。 应从工程地质分析及软岩分类入手，弄清其变形力学机制，运用支护关键技术，实施有效

9、的转化，才能取得成功的支护效果。1、软岩坑道变形机制分类 型物化膨胀型 型应力扩容型 型结构变形型22类型亚型控制性因素特征型坑道破坏特点型A型分子吸水，吸水能力强蒙脱石型围岩暴露后，易风化、软化、裂隙化。怕风、怕水、怕震动。坑道底鼓、挤帮、难支护，严重程度依次减弱。AB型取决于混层比伊/蒙混合型B型胶体吸水，粘颗粒表面形成水的吸附层高岭石型C型微隙毛细吸水微隙型23类型亚类控制性因素特征型坑道破坏特点型A型残余构造应力构造应力型变形破坏与方向有关B型自重应力重力型变形破坏与深度有关C型地下水水力型变形破坏与地下水有关D型临近工程开挖扰动工程偏应力型与设计有关24类型亚类控制性因素特征型坑道破

10、坏特点型 A型断层、断裂带断层型塌方、冒顶 B型软弱夹层弱层型超挖、平顶 C型层理层理型规则锯齿状 D型优势节理节理型不规则锯齿状 E型随机节理随机节理型掉快252、软岩支护技术关键 1）软岩坑道据有大变形、大地压、难支护的特点，原因是同时具有多种变形力学机制，即复合型变形力学机制。故单一的支护方式（措施）难以凑效。2）关键技术之一，正确确定软岩变形机制的复合型式。3）关键技术之二，有效的将复合型变形机制转化为单一型。4）关键技术之三，合理运用复合型变形机制的转化技术。顺序、时间、效果密切相关。26A分子吸水膨胀型B重力型D工程偏应力型B弱层型A断层型A分子吸水膨胀型B重力型B弱层型A断层型B

11、重力型B弱层型A断层型B重力型27第四节软岩坑道支护时机1、软岩坑道支护原理表达为： P支=P地-P放-P自P支工程支护力。P地地层使围岩向临空面位移的合力，包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力、工程偏力。P放以变形的形式转化的工程力，对软岩主要是塑性能以变形的方式释放。P自围岩自承力，由围岩本身强度分担。282、最佳支护时机要使P支最小，则应使P放、P自同时达到最大。Ts为最佳支护时机。293、最佳支护时段工程上很难按最佳支护时间施工，提出最佳支护时段。只要在 Ts1 , Ts2时段内永久支护就能达到P放、P自同时最大的目的。30第五节软岩隧道围岩承载机理1、软岩时段弹塑性状态模型。泥岩应力

12、应变全过程曲线312、坑道围岩承载结构1）对地层压力有支承作用的：（1）塑性硬化圈处于峰前变形阶段，岩体出现一些小规模、未贯通的裂隙，具有大的承载能力。称为峰前承载拱。（2）塑性软化圈处于峰后变形阶段，岩体出现许多、贯通的裂隙，岩体强度已经损失一部分，但还有一定的承载作用，如不及时支护岩体损伤继续发展。称为峰后承载拱。这两部分统称原生承载拱。322）实施支护的对象：（1）塑性软化圈通过对其施加径向支护力，增加围压，促使形成稳定的原生承载拱。（2）塑性流动区通过对其施加径向支护力，增加围压，促使形成稳定的原生承载拱和松动岩体不垮塌。3、软岩隧道支护力求有控制地产生一个合理厚度的塑性圈。塑性圈出现

13、具有3个力学效应：1）大幅度降低变形能；332）减少切向应力集中程度；3）改善围压的承载状态。塑性圈从2方面加以控制：1）控制变形速率。变形速率越慢，围压在保持原有强度的前提下，允许变形量越大，释放的变形能越大。2）控制差异性变形。控制局部出现的异常变形，才能出现均匀的塑性圈，使支护承受均匀荷载。34第六节软岩隧道耦合支护1、软岩支护相互作用不耦合，而导致坑道局部失稳：1）围岩非均匀的荷载作用在等强的支护体上，形成局部过载破坏，导致支护体失稳。2）支护体刚度小于围岩刚度，围岩产生的过量变形得不到限制，将其承担的荷载传递到支护体，形成过载破坏。3）支护体刚度大于围压刚度，围岩膨胀性能量不能转化为

14、变形能释放，施加在支护体，形成过载破坏。353637382、局部损坏部位耦合支护的时间局部损坏初期，支护体多产生鳞状剥落；再后伴随片状剥落；出现块状崩落和结构失稳。最佳支护时段为鳞、片状剥落的高应力腐蚀现象出现的时间。3、钢架混凝土设计不耦合：1）钢架强度高，混凝土强度低，强度不匹配，导致混凝土破坏。2）钢架刚度低，混凝土结构刚度高，刚度不匹配，钢架变形失稳。39第七节浅埋软岩隧道地表沉降1、地表下沉现象 浅埋隧道开挖，难以形成承载拱，围岩松动、下沉会直达地表； 随隧道掘进，地表形成盆状地表下沉。围岩的剪切变形，产生下沉槽坡度增大，会发生地表开裂； 地表下沉急剧增大、开裂，有时会出现掌子面不稳定现象。4041软岩下断面开挖时，掌子面前方不能成拱42地表沉降等值曲线43第八节黄土隧道扩建1、地层概况： 隧道洞体埋深为045m，洞室围岩以含砂砾石的老黄土为主，部分地段为黄土和砂砾石互层