软岩隧道

第三章 软岩隧道 软岩隧道是指修建于软弱围岩中的隧道。由于软岩具有强度低、变形大和遇水软化等特点，给隧道的设计和施工乃至衬砌结构的长期稳定带来了一定困难。在隧道勘察设计阶段，由于不易把握软岩的物理力学性质和地应力水平，使隧道支护、衬砌的结构形式和设计参数经常不能与实际的工程条件相适应；在施工阶段，若施工方法或施工时机不当，则可能造成围岩变形失控或酿成塌方事故；软岩通常具有流变性，围岩中的应力及围岩作用给隧道结构的压力随时间而发展变化，随时间而不断增大的围岩压力对隧道结构的稳定不利。鉴于软岩隧道工程的复杂性及软岩变形压力失控其后果的严重性，多年来工程界一直致力于软岩隧道的设计理论与施工方法的研究。本章探讨软岩的分类、软岩围岩压力、软岩隧道设计、软岩隧道施工及软岩隧道施工监控等内容。

第一节 软岩分类与性质 软岩是指在工程力作用下能产生显著变形的工程岩体[1]。研究软岩不仅要重视软岩的强度特性，而且还应重视软岩所承受的工程力的大小，从软岩的强度和工程力的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。 工程岩体是软岩隧道工程研究的主要对象，是隧道开挖扰动影响范围之内的岩体，包含岩块、结构面及其空间组合特征和赋存条件；隧道工程力是指作用在隧道工程岩体上的力的总和，它可以是重力、构造残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等；显著变形是指超过了隧道设计允许的变形，该变形包含弹性变形、塑性变形、粘弹性变形，连续性变形和非连续性变形等，但以显著的塑性变形和非连续性变形为主。软岩的软硬具有相对性，即取决于工程力与岩石强度的相互关系。同种岩石，在较低工程力的作用下，可能表现出硬岩的变形特性，在较高工程力的作用下则可能表现为软岩的变形特性。 一、软岩的工程分类 根据软岩的致软原因，可将软岩分为四类，如表3-1所示。 软岩分类 表3-1 软岩名称 塑性变形特点 膨胀性软岩 沿片架状硅酸盐粘土矿物产生滑移，遇水显著膨胀等 高应力软岩 遇水发生少许膨胀，在高应力状态下，沿片架状粘土矿物发生滑移 节理化软岩 沿节理等结构面产生滑移、扩容等塑性变形 复合型软岩 具有上述某种组合的复合机理 膨胀性软岩系指含有粘土的高膨胀性矿物在较低应力水平（25MPa）条件下即发生显著变形的低强度工程岩体，如工程中常见的泥岩等。由于低应力软岩的显著特征是含有大量粘土矿物而具有膨胀性，故据其膨胀性大小又可分为强膨胀性软岩（自由膨胀变形＞15%）、中膨胀性软岩（自由膨胀变形4%～10%）和弱膨胀性软岩（自由膨胀变形＜9%）。 高应力软岩则是指在较高应力水平（＞25MPa）条件下才发生显著变形的中高强度的工程岩体。这种软岩的强度一般高于25MPa，其地质特征是泥质成分较少，砂质成分较多，如泥质粉砂岩、泥质砂岩等。它们的工程特点是，埋深不大时，表现为硬岩的变形特征，当埋深达到一定深度以下，表现为软岩的变形特性。根据高应力类型不同，高应力软岩可细分为自重高应力软岩和构造高应力软岩。前者的特点是与深度有关，与方向无关；而后者的特点是与深度无关，而与方向有关。 节理化软岩系指含泥质成分很少（或几乎不含）的岩体，发育了多组节理，其中岩块的强度颇高，呈硬岩力学特性，但整个工程岩体在隧道工程力的作用下则发生显著的变形，呈现出软岩的特性。例如，我国许多煤矿的煤层巷道，煤块强度很高，节理发育，岩体强度较低，常发生显著变形。此类软岩可根据节理化程度不同，细分为镶嵌节理化软岩、碎裂节理化软岩和散体节理化软岩。 二、岩石的软化临界荷载 软岩的蠕变试验表明，当所施加的荷载小于某一荷载水平时，岩石处于稳定变形状态，蠕变曲线趋于某一变形值，随时间延伸而不再变化；当所施加的荷载大于某一荷载水平时，岩石出现明显的塑性变形加速现象，即产生不稳定变形，这一荷载，称为软岩的软化临界荷载，亦即能使岩石产生明显变形的最小荷载。不同的岩石具有不同的软化临界荷载。软化临界荷载是判定软岩的标准。当岩石所受荷载水平低于软化临界荷载时，该岩石属于硬岩范畴；当荷载水平高于软化临界荷载时，该岩石表现出软岩的大变形特性，此时该岩石称为软岩。 与软化临界荷载相对应地存在着软化临界深度。对于特定的岩石，所处深度也能支配其软硬状态。当隧道的埋深大于某一深度时，围岩产生明显的塑性大变形、大地压和难支护现象；但当隧道位置较浅，即小于某一深度时，大变形、大地压现象明显消失。这一临界深度，称为岩石软化临界深度。软化临界深度的地应力水平与软化临界荷载大致相当。 三、软岩的分级 膨胀性软岩可根据矿物组合特征和饱和吸水率两个指标细分为三级，详见表3-2。 膨胀性软岩分级 表3-2

高应力软岩可根据深度比（A= H/Hcr，H为隧道埋深，Hcr为岩石软化临界深度）指标可将其分为三级，即准高应力软岩、高应力软岩和超高应力软岩。详见表3-3。 高应力软岩分级 表3-3 高应力软岩 深度比，A=H/Hcr

较高应力软岩 0.8～1.2

高应力软岩 1.2～2.0 超高应力软岩 ＞2.0

节理化软岩可根据结构面组数和结构面间距两个指标将其细分为三级，即较破碎软岩、破碎软岩和极破碎软岩。详见表3-4。 节理化软岩分级 表3-4 节理化软岩 节理组数 节理间距 完整系数 较破碎软岩 1～3 0.2～0.4 0.55～0.35 破碎软岩 ≥3 ﹤0.2 0.35～0.15 极破碎软岩 无序 ﹤0.15 工程上遇到的软岩各种各样，了解软岩的分类与分级，并掌握各类软岩的变形特征，有助于分析解决复杂工程问题。 四、泥质岩的地质规律与特性 从地质角度讲，软岩多为泥质岩。下面简要介绍工程界对泥质软岩地质规律的认识与特性总结。 1．泥质岩成岩胶结作用及其地质规律 （1）泥质岩是各种泥岩、页岩、粘土岩及泥质粉砂岩，还包括火成岩变质热液蚀变的粘土岩和中酸性凝灰岩等，是工程性质极为复杂的岩体。 （2）泥质岩的强度不仅与胶结物的成分性质和胶结作用有关，还与成岩环境时代及变质作用有直接关

膨胀性软岩 干燥饱和吸水率（%） 蒙脱石含量（%） 膨胀性矿物特征 弱膨胀性软岩 ＜20 ＜10 绿泥石、水云母 中膨胀性软岩 20～50 10～30 伊利石、高龄石 强膨胀性软岩 ＞50 ＞30 蒙脱石、伊/蒙混层矿物 系，成岩胶结程度有明显的时代特点。 （3）泥质岩在水的作用下性质极不稳定，常有膨胀、崩解、软化、泥化等趋势。完整干燥的泥质岩浸水破坏形式有以下几种：①泥糊状破坏；②碎屑状破坏；③角砾状破坏；④碎块状破坏。 （4）泥质岩成岩胶结程度的工程分类，中科院地质所提出了以“成岩胶结系数”作为泥质岩成岩胶结程度的综合分类指标和评价依据。研究表明，该指标是泥质岩成岩胶结作用的综合反映，也是泥质岩成分、结构和物化性质的综合反映。按该指标将泥质岩成岩胶结程度分为四类：①弱胶结：成岩胶结系数为1～2，该类泥质岩风干失水后，遇水强烈吸水并膨胀崩解为软泥，失去强度。②中等胶结：成岩胶结系数为2～5，该类岩石干燥后在水中呈碎屑状、碎片状破坏，岩石显著软化。③强胶结：成岩胶结系数5～10，干燥后在水中呈碎块状破坏。④极强胶结：成岩胶结系数大于10，干燥后在水中也不破坏，或沿裂隙局部破坏。 2．泥质岩活化作用及对工程特征的影响 所谓泥质岩的活化作用是指在自然地质条件下，其性质处于相对稳定的泥质岩石，由于人类的工程活动及其引起的环境变化，而造成泥质岩工程特性的恶化而显示的粘土矿物活性的作用，泥质岩活化作用对所进行的工程有直接的影响，所以在工程建设中应特别注意： （1）所有的保持天然含水量的未扰动泥质岩，在水中可以保持其稳定的天然性状。保持其较高的天然强度，几乎不显其膨胀性。 （2）环境湿度的变化是造成泥质岩性质变化的重要因素，工程施工新暴露的泥质岩在失水后产生不规则的纵横交错收缩裂隙，引起风化剥落，从而破坏岩体的稳定。 （3）泥质岩干湿交替活化作用造成岩石失稳破坏。研究表明，泥质岩在空气相对湿度低于80%，特别是60%时，连续的风干作用造成泥质岩明显的收缩裂隙，造成岩石迅速破坏。在空气湿度大于80%，特别大于90%的条件下，泥质岩吸水造成岩石水分增加，体积膨胀、强度降低。 （4）湿度波动引起的泥质岩水分迁移的影响深度，随着地下工程裂隙，松动带的存在而明显增大 （5）通风对隧道围岩的干湿交替作用影响十分严重，从而对岩石结构引起的破坏作用应予以足够重视。 （6）泥质岩在干燥后浸水迅速产生膨胀、崩解、泥化破坏，原岩含水越高、胶结作用越弱，泥质抗风化能力越差，破坏也越强烈。 （7）底板泥岩在隧道施工设备、运输设备反复碾压震动及水的作用下产生泥化破坏。 3．软岩的膨胀机制及膨胀势的判别 膨胀岩是指岩石因含水量的增加而发生体积膨胀的岩石。主要是指富含蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物的岩石。由于这种岩石遇水体积发生成倍膨胀，膨胀变形压力巨大，造成隧道围岩失稳，支架破坏，所以泥质岩中膨胀性强的岩体是工程支护最复杂的岩体之一。相关研究表明： （1）膨胀岩中蒙脱石膨胀性最为显著，这主要是蒙脱石矿物分子结构特征所致。蒙脱石既具有矿物颗粒内部分子膨胀，又具有矿物颗粒之间的外部膨胀，故其膨胀性最大。 高岭石腐植质和难溶盐，由于相邻晶饱之间结合牢固，水分子不能自由渗入，因此不具有内部分子膨胀机制，仅具有遇水矿物颗粒之间水膜加厚的膨胀机制，所以膨胀性在上述三种矿物中最弱。 （2）软岩空隙率高，裂隙多，通过毛细作用使水吸入，并产生一种毛细劈力，使岩石体积膨胀，强度降低。 （3）软岩在重力、构造应力、地下水、工程偏应力的作用下围岩产生破坏变形，体积扩胀。 （4）关于膨胀岩膨胀势的判别，中科院地质所提出以“岩块饱和吸水率”作为判定膨胀岩膨胀势的指标，并提出了分级标准，岩块干燥饱和吸水率＜10%为非膨胀性岩石；10%～20%为微膨胀岩石；20%～50%为弱膨胀岩石；50%～100%为强膨胀岩石，＞100%为剧膨胀岩石。 4．软岩特性 软岩特性的研究是软岩变形力学机制及软岩隧道围岩控制措施的基础。软岩有别于硬岩而独具的特性有以下几种： （1）可塑性。由于软岩胶结程度差，结构疏松，孔隙率高，强度低，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，吸附极性水分子形成水化膜，从而使岩石具有极大的可塑性，岩石强