软岩隧道支护的作用机理及对策探讨

　　软岩隧道支护的作用机理及对策探讨

　　李国旺

　　摘　要：本文根据软岩隧道的特点，在探讨软岩隧道失稳原因、破坏特征及其形成的力学特征,分析软岩隧道各种支护方法的作用机理，对软岩隧道支护重点与对策进行了探讨。并对软岩隧道选择合理的支护方法提出了见解。

　　关键词：软岩隧道 支护机理 支护对策

　　1绪论

　　随着我国经济的发展，国家投入了大量人力、物力用于基础设施建设。近年来，在工程建设的众多技术领域中隧道和隧道技术表现得十分突出。隧道作为一种隧道结构物，以开发利用隧道潜在资源为目的，因而能更好地实现环保、安全、便利、节能和经济的工程要求。我国工程技术人员在这方面做出了大量的努力和杰出的贡献，并取得了举世瞩目的成就。截至2006年底，全国公路隧道达3788处、184.18万延米，其中特长隧道49处、19.18万延米。其它隧道情况分别为：长隧道444处、72.32万延米，中隧道577处、40.94万延米，短隧道2718处、51.75万延米。

　　在隧道开挖过程中，由于岩体的天然应力平衡状态遭到破坏，引起隧道周围岩体的卸荷回弹和应力重分布，当这种回弹应力和重分布应力超过围岩强度所能承受的范围时，将造成岩体的失稳破坏，如果不进行支护，围岩就会发生岩块错动、掉快、甚至坍塌，给隧道施工和运营带来危害。为保证隧道维持需要的净空和安全，隧道开挖后是需要进行支护的，也就是利用支护来阻止隧道周边围岩产生的位移或掉块。在隧道工程中，维持隧道围岩以及支护结构的安全与稳定是设计、施工以及维护过程中的基本出发点，如何保证在安全可靠的前提下，以较少的投资建设隧道工程是工程设计、施工及维护过程的重要原则。由于隧道赋存于复杂的地质环境中，且一般的隧道工程往往投资巨大，一旦发生围岩失稳情况，往往使隧道工程的正常施工、安全使用、采矿或其他作业无法继续进行，甚至导致严重的工程事故，造成可怕的人员伤亡及巨大的经济损失，软岩隧道作为一种特殊地质隧道表现得尤为明显，其变形量大、变形速度快、持续时间长的特点已超出了传统支护理论的范畴。

　　软岩隧道的特点，使得软岩隧道支护问题成为困扰隧道建设的重大问题之一。由于软岩隧道支护不当而造成的巨大的返修量不仅造成很大的经济浪费，而且使整个隧道生产陷于困境，甚至关闭。据不完全统计，每年隧道掘进上万千米，软岩隧道约占其中的1/10。由于软岩支护的问题，大约有1/6的软岩隧道需要返修、维护，所以能否解决好软岩隧道的支护等问题，是我国隧道掘进和安全生产的关键问题之一。因此关于软岩支护问题的研究得到了广泛关注，并取得了大量的研究成果。

　　2软岩隧道变形破坏的主要特点及影响因素

　　2.1软岩的定义

　　软岩亦称松软岩层，不仅是指围岩岩体松软。而且指围岩不稳定或极不稳定。软岩是一种特殊的岩类，从岩石固有的特性来说，它具有软的形态，而从工程应用的观点来看，它又是“弱”的，它具有较低的承载能力和较大的变形性，在工程力的作用下，具有明显的塑性变形或粘塑性变形特征。进入软岩状态的隧道，其强度特性、泥质含量、结构面特点及其塑性变形力学特点差异很大，其软岩种类是不同的。根据特性的差异及产生显著塑性变形的机理，软岩可分为四大类，即膨胀性软岩(也称低强度软岩)、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。

　　2.2影响软岩隧道变形的主要因素

　　(1)岩性因素岩石本身的强度、刚度、结构、胶结程度及胶结物的性能，膨胀性矿物的含量等，这均是影响软岩隧道变形的内在因素。

　　(2)工程应力的影响它是造成围岩变形的外部因素。垂直应力、构造残余应力及工程环境和施工的扰动应力，邻近隧道施工，采动影响等，特别是多种应力的迭加情况影响更大。

　　(3)水的影响包括隧道水及工程用水，尤其是对膨胀岩，水几乎是万恶之源，水不仅造成粘土质岩的膨胀，同时降低岩石强度。

　　(4)时间因素流变是软岩特性之一，隧道变形和时间密切相关。

　　2.3软岩隧道变形破坏的主要特点

　　(1)软岩隧道变形呈现蠕变变形三阶段的规律，并具有明显的时间效应。初期来

　　压快，变形量大，软岩隧道自稳能力很差，如不加控制很快就会发生岩块冒落、隧

　　道破坏。但如果用不适应软岩大变形特点的刚性架，也将很快被压坏。

　　(2)软岩隧道多为环向受压，且非对称。隧道开挖后不仅顶板变形易冒落，底板

　　也将产生强烈底朦，如隧道支护对底板不加控制，往往出现强烈底瞰并引发两帮破

　　坏、顶坍落。

　　(3)软岩隧道变形随深度增加而增大。不同隧道，不同地质条件下都存在一

　　个软化临界深度，超过临界深度，支护的难度就明显增大，且软岩隧道变形在不同

　　的应力作用下，有明显的方向性。

　　(4)软岩的失水和吸水均可造成软岩发生膨胀变形破坏或泥化破坏。

　　3软岩隧道支护原理及作用机理

　　3.1软岩隧道支护原理

　　松软岩层隧道支护的着眼点应放在充分利用和发挥自承能力上。支护原理是：根据岩

　　层不同属性，不同地压来源，从分析地压活动基本规律人手，运用信息化设计方法，使支

　　护体系和施工工艺过程不断适用围岩变形的活动状态，以达到控制围岩变形，维护隧道稳

　　定的目的。

　　具体的说，有以下几个方面：必须改变传统的单纯提高支护刚度的思想，支护结构及强度应与加固围岩、提高围自承能力相结合，与围岩变形及强度相匹配，实践证明，单纯提高支护刚度的方法是难以奏效的;必须采取卸压、加固与支护相结合的方法，统筹考虑、合理安排，对高地应力区，要卸得充分，对大变形区，要让得适度，对松散破碎区，要注意整体加固，对隧道围岩整体要支护住; 进行围岩变形量测，准确地举握围岩变形的话动状态，根据量测结果进行反馈定二次支护结构的参数，确定补强时间，再次支护时间和封底时间;树立综合治理、联合支护、长期监控的支护思想体系。

　　3.2软岩隧道支护原理

　　从地质工程观来看，软岩由于其强较小，无法自稳，因此必须对其进行改造，以满足软岩巷道工程的要求。在软岩改造的方法措施中，锚喷网架和注浆都需不同程度﹑不同量地用上。为了更好地发挥各部分的潜能，使工程造价经济合理，必须正确认识到他们的作用机理。

　　软岩隧道工程支护从支护时间上分为超前支护、临时支护、永久支护等。软岩隧道工程支护从支护方法上分：锚杆支护、挂钢筋网支护、喷射混凝土支护、注浆支护、混凝土衬砌支护等。下面对各支护方法的作用机理进行说明。

　　1.锚杆加固围岩机理

　　锚杆对围岩起着加固作用，在防止个别危岩的掉落或滑落而注入的锚杆起着悬吊作用;锚杆用于加固水平或缓倾的层状围岩时则起着组合梁作用;锚杆对在节理发育的岩体和松动区则起组合拱作用;锚杆能向围岩施加压力，使处于二向应力状态的巷道围岩保持三向应力状态，阻止围岩强度恶化。

　　2.喷射混凝土作用机理

　　混凝土喷层可改变围岩表面受力状态，填平补强围岩，覆盖围岩表面形成防风化和止水的防护层，防止围岩松动，及间接提高围岩中的环向力等作用

　　3.注浆作用机理

　　注浆加固能提高了支护结构的整体性、承载能力和稳定性，将松散的岩石胶结成整体，提高了岩体的凝聚力和内摩擦角，同时可以利用浆液封堵围岩的裂隙，隔绝空气，起到防止围岩风化的作用，且能防止围岩被水浸湿而降低围岩本身强度。

　　4.钢筋网作用机理

　　支护中加入钢筋网可防止收缩裂缝出现，减少裂缝数量和限制裂缝宽度，提高支护的抗动载能力，使喷层应力得到均匀分布，同时能增强喷层的柔性，改变其变形性能，防止围岩局部破坏。

　　4软岩隧道支护对策

　　早期的支护理论沿用地面结构工程原理设计支护参数，围岩是支护的对象，支护只是人工构筑的承载结构而已。然而，现代岩石力学揭示，岩石破裂后具有残余强度，松动破裂围岩仍具有相当高的承载能力，围岩既是支护压力的根源，又是抵抗平衡原岩应力的承载体，而且是主要的承载结构体。支护的作用在于维护和提高松动围岩的残余强度，充分发挥围岩的承载能力。因而，在软岩隧道支护中，要遵循以下几方面原则：

　　1.维护和保持围岩的残余强度的原则

　　一般软岩，在经受水或者风化影响后，强度将降低，所以开隧后应及时喷射混凝土以封闭岩面，防止围岩风化潮解，减少围岩强度的损失，施工过程中的光面爆破等技术措施，有利于保持围岩的强度。

　　2.提高围岩残余强度的原则

　　提高围岩残余强度有三个技术途径：

　　(1)提高支护阻力，改善围岩应力状态。开挖后应尽快完成支护的主体结构由二维应力状态转为三维应力状态，从而提高围岩的残余强度。

　　(2)用锚杆支护加固围岩。实验证明，锚杆能利用其锚固力将破碎围岩锚固起来，恢复和提高破裂围岩的残余强度，形成具有较高承载能力和可塑性的锚固层。锚杆锚固力大、密度高，这种加固作用就越明显。

　　(3)注浆加固。破碎严重的岩体，单纯依靠锚杆加固不能满足要求时，应考虑注浆加固，这是提高松动破碎围岩强度最有效的方法。注浆方式可以采用单独注浆或者采用外锚内注的“锚注式”锚杆。

　　3.充分发挥围岩的承裁能力的原则

　　充分发挥围岩的承裁能力，主要体现在以下几个方面

　　(1)圆形隧道原则。软岩隧道中，圆形隧道支护结构的承裁能力最大(均匀应力场)，采用圆形断面有利于提高围岩的承裁能力，改善支护效果。隧道断面形状的确定应尽量考虑适应围岩应力场持

　　(2)全断面支护原则。软岩隧道支护所承受的荷载主要是围岩的变形压力，它来自于隧道的四周，包括隧道底扳。如果底板不支护，它就是支护的一个薄弱点，很容易发生底鼓现象，降低整个隧道支护结构的承裁能力，导致支护失败。所以，软岩隧道底板必须予以支护。

　　(3)可缩性支护原则。软岩隧道中，围岩变形压力是支护的主要荷载，普通刚性支护(砌碴支护、普通锚喷等)难以适应，在大的变形压力作用下很快就会破坏，使围岩处于事实上的无支护状态，不利于发挥围岩的承载能力;对于可缩性支护，当变形压力超过围岩的承载能力后，支架可缩让压，这一过程是减少支护受力，让围岩发挥更大承载能力的过程，所以，软岩隧道支护的主体结构必须是可缩性交护，如锚喷网支护和u型钢可缩性支架等。

　　(4)二次支护原则

　　理论和实践都已证明，软岩隧道采用一次强阻力刚性支护来维护围岩是不能成功的，因为它不适应软岩隧道初期变形量大、变形速度快的特点。为适应软岩的变形持征，应采取二次支护成隧的方法。一次支护主要是加固围岩，提高其残余强度，在不产生过度膨胀、剪胀变形的条件下，利用可缩性支护控制围岩变形卸压。二次支护要在围岩变形稳定后适时完成，给隧道围岩提供最终支护强度和刚度，以保持隧道校长时间的稳定性和安全储备。二次支护时机，根据监测数据确定。

　　5结论

　　由于软岩特殊性，在进行支护设计时需要对岩石的性质做出准确的判断，根据特点采取合理的支护形式，而且软岩隧道支护并不是单一的支护可以奏效的，也不是一次支护最终可以实现的，必须采用联合支护的方式。同时要做好监控测量工作，软岩具有明显的时间效应，变形持续时间长，坚持现场长期监控量测，提供围岩变形动态信息，及时修改和完善原设计或采取相应的加固措施具有重要意义。

　　参考文献：

　　[l]何满潮.软岩巷道工程概论北京[M].徐州：中国矿业大学出版社,1993.

　　[2]何满潮.软岩工程技术现状及展望，世纪之交软岩工程技术与现状及展望，煤炭工业版社，1999年

　　[3]孙钧.地下工程设计理论与实践[M].上海:上海科学技术出版社，1996.

　　[4]刘特洪.软岩工程设计理论与施工实践,中国建筑工业出版社,2001

　　[5]孙钧，侯学渊.地下结构，北京：科学出版社,1991

　　[6]刘雄.岩石流变学概念，地质出版社，1994

　　[7]缪协兴.软岩力学，中国矿业大学出版社，1995

　　[8]郭陕云.论我国隧道和地下工程技术的研究和发展.隧道建设闭.2004，19-20.

　　[9]关宝树，国兆林主编.隧道及地下工程阅.成都:西南交通大学出版社，2000.

　　[10]杨林德，颜建平，王悦照，王启耀.围岩变形的时效特征与预测的研究.岩石力学与工程学月报.2005，24(l):212一16.