公路隧道软岩非线性力学变形特征及优化控制支护探讨

纪红亮

（中铁十五局集团第六工程有限公司，河南 洛阳 471013）

前言

软岩是介于硬岩和土体之间的一种特殊工程介质，软岩在工程力作用下能产生显著塑性变形。软岩可分为狭义的软岩和广义的软弱岩石。在我国工程岩体分级标准和岩土工程勘察规范中，将饱和单轴抗压强度Rc<30MPa的岩类称为软质岩，并将小于5MPa的岩类称为极软岩。国际工程地质学会把软岩定义为1.5MPa

软岩是由软弱结构体和软弱结构面组成的岩体，这种结构体和结构面具有它自身的地质特征、物质特征、物理力学性质及工程地质力学特性。软岩物质组成和岩体结构因素决定了软岩具有强度低、变形大、流动变形显著的岩石力学特征。软岩的环境因素力学效应明显，如围压效应、水作用效应、干湿交替效应、水岩化学相互作用效应等。研究软岩应以地质为基础，从微观-细观-宏观不同尺度上去分析软岩的再变形、再破坏的岩体力学特征，揭示软岩的岩体力学作用规律，从而为软岩工程的控制支护设计提供依据和基础[1-4]。

1 软岩的工程力学特征

1.1 软岩的工程力学特性

软岩中泥质矿物成分和结构面决定了软岩的力学特性，显示出可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性特点[5-7]。

1.1.1 可塑性

软岩在工程力作用下，常产生不可逆变形的性质，称为可塑性。膨胀性软岩的可塑性是由于软岩受力后片架状结构的泥质矿物发生滑移或泥质矿物亲水性引起的。节理化软岩是由于结构面滑动和扩容引起的，高应力软岩大多是上述两种原因共同引起。

1.1.2 膨胀性

软岩的膨胀性质是在物理、化学、力学等因素的作用下，产生体积变形的现象，其膨胀机理有：内部膨胀、外部膨胀和应力扩容膨胀三种。工程中的软岩膨胀为复合膨胀形式。

1.1.3 崩解性

软岩的崩解性是指软岩在物理、化学、力学等因素作用下，产生片状解体。膨胀性软岩崩解主要是粘土矿物集合体在水作用下，膨胀应力不均匀造成的崩裂。节理化软岩的崩解则是在工程力的作用下，由于裂隙发育不均匀造成局部张力引起的崩裂。高应力软岩则有可能多种崩解机制同时存在。

1.1.4 流变性

软岩的流变性是指软岩受力变形过程中与时间有关，包括塑性流动、粘性流动、结构面闭合和滑移变形。膨胀性软岩主要是泥质矿物发生粘性流动，在工程力作用下，达到一定极限后，开始塑性变形；节理化软岩流变性主要指结构面的扩容和滑移；高应力软岩流变性多为诸形式的不同组合。岩石变形在应力状态不变的情况下不断增长，处于蠕变状态；或在约束变形条件下，软岩的强度随时间变形而降低。

1.1.5 易扰性

软岩的易扰性指由于软岩软弱裂隙发育，吸水膨胀等特性，导致软岩抗外部环境扰动的能力极差。对卸荷松动、施工震动等极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化的特点。

1.1.6 软化临界荷载和软化临界深度

软岩的临界荷载，对于给定的工程围岩，均由弹性变形为主的工程状态向以塑性变形为主的工程状态转化的临界点（软化突变点），与之相对应的应力水平称为软化临界荷载。与软化临界荷载相对应，岩石中存在着一个软化临界深度。

1.2 软岩的软化路径特征

岩石在工程力的作用下进入软岩状态的途径，从理论上可分为四种类型，即初始软化型、强度软化型、应力增长型、强度降低与应力增加复合型[2-3]。

1.2.1 初始软化型

在工程开挖之初（T=0），岩石软化临界荷载（σ0）小于围岩应力 σmax，硐室围岩持续变形不止，表明岩石即进入软岩状态。该种类型为初始软化型，其状态方程如下：

式中：

μ＝μe+μp+μq；

μ-总变形，mm；

μe-弹性变形，mm；

μp-与时间无关的塑性变形，mm；

μq-与时间有关的流变变形，mm。

1.2.2 强度软化型

在工程开挖一段时间以后（T叟C），围岩应力为常量，围岩的软化临界荷载由于风化、裂隙化等影响不断降低，使得fs<1，隧道围岩持续变形。该种类型为强度软化型，其软化状态方程如下：

1.2.3 应力增长型

1.2.4 强度降低和应力增长复合型

1.3 软岩的变形力学过程及影响因素

软岩失稳是一个相当复杂的过程，通常伴随着变形的非均匀性、非线性和大位移等特点，是一个高度非线性科学问题。根据近年来有关岩石破坏、失稳的分叉与混沌研究，软岩失稳是一种分叉混沌现象，当荷载达到某临界点时，岩土工程系统的力学平衡控制微分方程的解不唯一；超过该临界点后，可能出现多种分叉和混沌解。其结果与边界条件、初始缺陷、几何条件以及应力状态密切相关[8-9]。

如图1示，软岩的变形力学过程可分为三个阶段，即体积压缩的线性变形力学阶段（OL段）、塑性扩容的突变力学阶段（LP段）、体积膨胀的混沌力学阶段（PC段）。第一阶段与第二阶段的分界点为体积应变曲线的拐点L，第二阶段与第三阶段的分界点为体积应变曲线与纵坐标轴的交点P，L点称为非线性分界点，P点称为混沌分界点。变形力学过程是否存在混沌力学阶段，是软岩与线形力学介质最显著的区别。在工程实践中，岩体变形的前两个阶段发展很快，在软岩工程开挖的同时即已完成，从而软岩工程的变形力学过程主要表现为混沌变形过程。软岩工程的这一特点又使软岩工程的变形力学过程表现出对工程力学条件的敏感依赖性等混沌力学特点，并使软岩工程的变形破坏具有很大的随机性，从而使软岩工程的力学行为具有长期不可预测性。因此软岩工程的变形力学过程是一个以混沌运动为主的力学过程，这是软岩工程与硬岩工程的根本区别，也是软岩工程难支护的主要原因。

软岩的工程力学特性，对一些内在和外在影响因素表现出异常的敏感性。比如，①矿物成分：矿物对软岩性质有较大的影响，并且表现出异常敏感，如软岩中粘土矿物蒙脱石含量的不同对软岩的膨胀性和吸水性影响很大；②含水量：软岩的含水量对力学试验结果也有较大影响，并且表现的异常敏感。含水量的微小变形对软岩的剪切强度的影响将会很大；③围压：软岩的力学性质具有对围压的敏感依赖性。以围压对软岩三轴压缩试验的影响为例。对同类软岩，随着围压增大，其变形破坏过程、峰值强度、残余强度、破坏形式等变形力学性质均有较大变化，试验结果具有较大的分散性和随机性，并且对围岩的变化十分敏感。④加载过程：软岩的变形力学性质对加载过程（加载的时间、速率、大小、方式等）的变化也十分敏感。

2 软岩工程的优化控制支护设计技术

2.1 软岩工程优化控制支护设计

软岩支护与硬岩支护不同，由于硬岩强度高，自稳能力强，为充分利用硬岩的自承能力，进行支护时一般不允许硬岩的变形力学过程发展至混沌变形阶段；而软岩则强度低，自稳能力差，围岩蕴含极大的变形能，其变形力学过程发展很快，一般在工程开挖完成的同时即进入混沌变形阶段。因此，软岩支护应在混沌变形阶段进行。进行软岩支护时，可利用软岩工程在变形力学过程中所呈现出的不同软化路径特征、以及对工程力学条件的敏感依赖性特点，通过对软岩工程力学条件（初始条件、边界条件及作用过程）的调整与控制，消除或减小对围岩稳定不利的混沌力学效应，控制软岩工程变形力学过程的发展趋势。确保其向有利于软岩工程稳定与安全的方向发展，从而达到软岩支护的目的。

因此，对软岩工程的控制支护优化设计着重在如下三方面：①工程优化设计：强调通过对工程力学初始条件、边界条件、作用过程的优化控制，消除对软岩工程稳定不利的混沌力学效应，从而使由工程开挖而引起的工程应力及作用于支护结构上的工程应力趋向最小，这是软岩工程控制支护优化的基础和前提。②支护应力优化设计：强调通过软岩工程的大变形，释放围岩中积聚的巨大变形能，转化围岩承受的高应力，充分利用围岩的自承能力，从而减小作用于支护体上的工程应力，这是软岩工程控制支护优化的关键。③支护结构优化设计：强调通过支护结构的设计优化，使其受力均匀、合理，从而充分发挥支护材料的承载能力，达到降低工程造价的目的，这是确保软岩工程控制支护技术经济合理的重要环节。

2.2 软岩优化控制支护技术

软岩工程的优化控制支护技术可分为两大类：①柔性控制支护技术：支护结构主要是由锚杆、编织网、喷层等柔性支护构件组成。控制机理是在柔性支护体的作用下，围岩产生控制的混沌变形，从而释放围岩变形能，转化围岩高应力，最终控制工程岩体的变形。②刚柔结合控制支护技术：支护结构的组成有支架浇注砼、砌碴等刚性支护构件；锚杆、编织网、喷层及预留空隙层，柔性充填物等柔性支护构件。控制机理是，在柔性支护体的作用下，围岩产生有控制的混沌变形，从而释放围岩变形能，转化围岩高应力，而当围岩变形发展到一定程度，刚性支护体开始发挥作用，从而达到最终控制工程岩体变形的目的。软岩优化控制支护方法见表1。

3 软岩工程优化控制支护实例

福建省某高速公路隧道断面为圆拱曲墙型，底宽 10.25m，高 5.0m，全长 4075m，隧道穿越地层主要为全-强风化花岗岩及全-强风化凝灰熔岩（见图2）。隧道工程破坏一般自洞周开始，首先出现的张性破坏，表现为冒顶、片帮，接着塑性破坏，洞周失稳。通常隧道工程失稳为拱顶冒落，其变形力学机制为重力机制；全-强风化的花岗岩及全风化、强风化凝灰熔构造带遇水时，表现为水力机制。针对不同的地质条件选择不同的优化控制支护对策。在全风化的凝灰熔岩及全强风化花岗岩构造带内，支护对策为：预设超前管棚，对围岩进行预注浆，设临时支护，开挖后喷射第一层混凝土，架设钢支撑，并打设中空注浆锚杆，再进行挂网喷射二次混凝土；在强风化凝灰熔岩层内，支护对策为：开挖后喷射第一层混凝土，架设钢支撑，打设中空注浆锚杆，再进行挂网喷射二次混凝土。

同时，在优化控制支护过程中做到：①及时封闭开挖的围岩表面，防止膨胀性矿物与地下水发生物化反应；②隧道支护结构以联合支护为佳，具备让压、加固、强力的综合能力，既能使软岩膨胀压力释放，又能保护岩体强度，以保持围岩稳定性和充分发挥围岩自承能力；③围岩初步释放能量后，支护体须以高阻力限制软岩变形，并具有必要的卸压通道；④支护设计优化断面参数，既预留变形空间和补强余地，又要避免断面过大使膨胀性矿物的物化反应向恶性发展；⑤重视对底板的加固及涌渗水的治理。

在隧洞掘进过程中，通过采用以上优化控制支护对策，取得了良好的支护效果，确保了施工期的隧道安全，同时临时支护后的断面在浇筑混凝土前符合设计要求。

4 结论

软岩是一种具有非均质、非连续、非线性、大变形、各向异性和流变性特点的特殊力学介质，软岩的变形过程是一个高度非线性的混沌力学过程，其变形破坏和力学行为具有很大的随机性和不可预测性；软岩工程力学条件（初始条件、边界条件及作用过程）对其工程力学特性的影响非常敏感；因此，对软岩工程力学条件实施控制是达到优化控制支护的有效途径。

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