对隧道施工工程中软岩支护技术的探讨

　　软岩工程是矿山、交通、水利和建筑等行业施工建设中经常碰到的技术难题。近二十年来，世界各国都在软岩工程支护技术的理论和实践上进行了广泛的研究，从软岩的矿物成分和物理力学性质等方面进行了探讨，取得了可喜的成果。软岩的工程力学性质取决于组成软岩的粘土矿物，如高岭土、伊利石和蒙脱石。岩石含粘土矿物多，其强度就低。软岩的可塑性、膨胀性、崩解性及流变性决定了软岩工程的复杂性和难控性，使得软岩工程呈现变形量大，变形速度快，持续时间长，稳定性差等特点。

　　1现有的软岩支护技术

　　1.1软岩支护技术

　　软岩工程必须实行人工支护，才能保证其稳定性。软岩工程的技术关键就是控制围岩的稳定。目前，用于软岩工程的支护技术有多种多样，主要有如下一些支护类型：

　　1.1.1砌体支护

　　砌体支护约占我国地下开采巷道支护中的20%，主要材料是料石、砖和混凝土等，这是一种传统的支护形式，应用比较广泛。但是，这是一种刚性材料。为了适应软岩巷道变形大的特点，人们在实践中创造了干砌料石木板圆碹、离壁碹、重缝碹、条带碹和高强弧板等支护形式，收到了较好的效果。

　　1.1.2支架支护

　　支架支护目前的软岩巷道，尤其是承受动压的采准巷道，使用u型钢、槽钢和工字钢制作的可缩支架较多，其断面形状也向多样化发展，如圆形、椭圆形、梯形、方环形、马蹄形及非对称形等。支架间还安设了拉杆和背板，以增加其整体稳定性。有的巷道还进行了壁后充填。

　　1.1.3锚喷支护

　　锚喷支护由于能及时支护巷道，喷层与围岩密贴.适应性强，使用灵活，可有不同的组合，因而越来越多的用于软岩工程。锚杆按材料可分为金属锚杆、木锚杆、竹锚杆、钢丝绳锚杆和有机玻璃锚杆等。其锚固方式有全长锚固和端头锚固，其锚固方法有水泥砂浆、水泥药卷、树脂药卷和机械锚固。喷射混凝土和锚杆相结合，就构成了一般软岩巷道的基本支护形。

　　1.1.4联合支护

　　对于力学性能差或环境条件恶劣的软岩工程，往往采用联合支护的形式。联合支护是采用不同性能的单一支护的组合结构。在联合支护中，各种支护各自发挥其所固有的性能，扬长避短，共同作用，以适应围岩变形的要求，最终达到使巷道稳定的目的。联合支护的形式有锚喷、锚网喷、锚梁喷、锚网梁喷、锚网带喷、锚喷喧、锚网梁喷架等。

　　1.2软岩支护的理论

　　目前，国内外软岩支护理论有两大类，一类是用定性的原则表述的支护理论;另一类是用定量的力学模型研究的支护理论。

　　1.2.1定性的支护理论

　　目前，定性的地压理论主要有新奥法及松动圈支护理论。

　　新奥法(NATM)是奥地利学者在总结前人经验后提出的一套隧道设计与施工原则，将其总结为22条。至今为止，新奥法仍是国际上在地下工程设计与施工中占主导地位的权威理论。多年来的实践充分证明了这一点，它提倡的主动支护和柔性支护方法对软岩是有效的，22条原则组成了可用于设计，施工、监测反馈等各种工作的较完整理论体系。各方面都有数条原则较为完整地考虑，在22条中，除其中涉及到最终围岩允许变形量、一次支护时间及确定、二次支护强度及刚度等问题的的五条原则外，其它17条原则比较容易理解。提法较明确，相当一部分原则可操作性强。

　　新奥法的不足主要表现在其中的五条原则难以真正理解和掌握。这五条原则为文中的第五、六、七、八及十二条原则。由于新奥法是大量规律性的经验总结，而对规律本质的认识取决于当时岩石力学的发展水平，22条中的一些原则可以用力学原理满意地解释，而上述五条原则尚难做到对原则的说明仍是经验性的。新奥法是50年代～60年展起来的，受当时条件的限制.必然会有某些不足之处，在20年代～3O年后的今天，我们有责任给予补充和完善。

　　由于难以理解，导致了认识的较大差异，从而导致支护方法也有相当大的不同,一般对上述5条原则的理解是利用P—U曲线来说明，然而是P—U是何种位移尚不清楚。不论是支架架设前已完成的位移还是架设后产生的位移，都会导致P—U曲线解释的相互矛盾，如将P—U曲线理解为来源于弹塑性模型的推导结果，则由于支护不能承受开挖瞬间形成的弹塑性变形而使解释难以成，为此，建在P—U曲线基础上的“让压理论”尚缺少理论基础“让压”及“应力释放”概念是不合理的。

　　由以上分析可以看出，新奥法的理论基础是当时的岩石力学理论基础—弹塑性理论，而新奥法的发明者所观察和发现的工程问题已超出了弹塑性问题所能解决的范围，所以一些原则虽可以总结出来，但由于缺乏必要的理论基础，进行充分的合理解释、说明以及正确的计算是无法做到的。众所周知，软岩表现出来的工程特性已超出了简单的弹塑性问题范畴，用传统的新奥法处理软岩支护问题必然带来理论和技术上的不足。

　　根据围绕开挖空间所产生的松动圈以及松动圈在支护中的作用和地位，提出了软松动圈支护理论，并建立了松动圈大小与支护力大小的经验关系，对解决软岩支护问题起到积极的作用，但由于松动圈是围岩变形与破坏的最终产物，仅从这一最后形式分析问题，不仅难以考虑软岩中出现的各种较为复杂的情况和影响因素，也难以建立较为系统的又有较为严密理论基础的软岩支护理论。

　　1.2.2定量的软岩支护理论

　　定量的支护理论研究的历史实质上是围岩力学模型的研究历史。五十年代以前，围岩的力学模型经历了刚性、弹性和弹塑性发展阶段。代表性的支护理论有：

　　(1) 支护结构与围岩共同作用原理

　　在软岩体中掘进一条巷道，破坏了原岩应力的平衡状态，巷道能否保持平衡，取决于围岩的物理力学性质和原岩应力的大小。对于坚硬的围岩，巷道周围的集中应力小于其强度极限，巷道不用支护也能保持稳定。对于软弱的围岩，巷道要保持稳定.必须依靠各种形式的支护。根据岩石力学原理，按照弹塑性理论，以在轴对称圆巷为例，支护反力与围岩位移有如下关系：

　　式中：围岩位移;为软岩粘聚力;软岩的内摩擦角;剪切模量;

　　为软岩应力;支护反力;巷道或隧道半径;

　　(2) 应力平衡原理

　　软岩巷道之所以变形量大、难于维护，就是因为在弹塑性边界上，应力不平衡所致。以轴对称圆巷为例，在弹性区，有应力和;在塑性区，有应力和。在巷道围岩处于平衡状态时：

　　和或()=()

　　并由此可导出塑性区半径，即：

　　式中：塑性性区半径;弹性区半径;为软岩粘聚力;软岩的内摩擦角;为软岩应力;支护反力;

　　由上式可知，塑性区范围的大小，取决于原岩应力、支护反力，以及岩石的、值。如果原岩应力一定，支架反力和岩性指标就是围岩在弹塑性边界上取得平衡的主要因素。塑性区塑性区半径与、、值成正变关系，与成反变关系。塑性区的形式是一个由外到里的渐变过程，提高支架阻力，增加围岩的值，、值，可使巷道围岩的应力尽早取得平衡。如果把塑性圈内的岩石挖掉，就会产生一个更大的塑性圈来平衡弹性区的应力。

　　岩石流变及流变地压的研究已非常活跃，目前，考虑流变、软化、损伤、断裂、扩容及膨胀耦合作用的围岩力学模型已在国内外文献中较多地出现。但由于存在以下的两个主要问题使得定量的支护理论难以变成实用的可操作的支护理论。

　　一是考虑了各种因素的本构关系过于复杂，涉及的各种参数甚多，计算本身就已变得非常复杂和困难，而要确定支护力的大小，尚需要强度理论或稳定准则，复杂条件下的强度理论或稳定准则目前研究尚很不充分，所以难以将力学模型用于支护力的大小设计。

　　二是目前建立的模型尚难考虑支护过程和围岩变形过程，如支护设计时首先需考虑需不需要支护，然后再考虑何时支护及用多大的力去支护，而象现有的流变模型只有稳定蠕变和不稳定蠕变两种模型，支护的边界力实质上是作为“已知”力给定的，获得设计与施工所需的支护时间、强度、刚度等方面的有用信息。

　　所以，现有的定量支护理论既不能像新奥法那样直接可以指导软岩支护的设计与施工的各个环节，也不能确定支护力的大小。

　　2适用于软岩的支护理论

　　适用于软岩的支护理论必须具备以下两个基本的条件：

　　(1)要建立起象新奥法那样便于设计与施工的具体的指导原则。

　　(2)必须要考虑软岩的主要特性(如大变形、流变、膨胀等)来建立力学模型并通过稳定准则，求解出最大支护力和最大的围岩允许变形量。

　　由于新奥法大部分内容的科学性，条件(1)决定了软岩支护理论必然是对新奥法的修正和完善，而条件(2)决定了软岩的力学模型应该为(大变形)非饱和粘弹塑性模型(注：考虑膨胀问题及膨胀过程必须运用非饱和岩土力学)，也即通过深入研究非饱和粘弹塑性岩石和围岩的变形和破坏机理，对新奥法的原则进行修正和完善，再通过建立非饱和和粘弹塑性体的稳定准则求出支护力和围岩变量。

　　目前，岩石流变学的研究尚不充分，非饱和土土力学建立不久，非饱和岩石力学方面的研究还刚刚开始，软大变形方面的研究已做过一些工作，所以，要形成一套完整的成熟的软岩支护理论尚需做大量的基础性工作。

　　3软岩支护理论研究中的几个基础性问题

　　3.1围岩变形机理的研究

　　支护是一个过程，要使这一过程与围岩的变形过程相协调，必须充分而又深入地研究围岩的变形机理，也只有在此基础上，才能真正弄清新奥法一些原则的本质。过去，人们对岩石(块)的变形机理研究较多，而对围岩的变形机理研究不够深入，只是过多地集中在围岩表面收敛的研究方面。仅以围岩流变过程而言，若开挖形成的围岩处于粘弹性，则围岩通过流变要经历从弹性—塑性—破坏—失稳等一系列过程，在这一过程中，围岩内部的应力场、位移场及强度都将会发生复杂的变形，不了解这一过程，就无法确定合理的支护时间：再如，围岩的膨胀过程一定是强度不断变化的与流变耦合的一个过程，而且围岩内部有水、围岩周边供水和围岩里外都无水等各种情况下的变形过程将有很大的差异。

　　通过对岩石的蠕变机理、围岩的蠕变机理的理论研究和室内相似模型研究的进一步研究，初步得到了以下的结论：

　　(1)及时地提供足以使围岩形成稳定蠕变的支护力，并使围岩尽快形成压缩环，即达到安全的目的。

　　(2)采用可压缩性恒阻支护，同时设计支护力为刚好满足围岩进入稳定蠕变的支护力，从而达到最经济的目的。

　　3.2围岩稳定性准则的研究

　　建立围岩的稳定性准则是分析围岩变形机理及将力学模型应用于实际支护设计的前提，需进一步加强这一项基础性研究工作。给出了稳定蠕变准则，给出了膨胀稳定准则，但流变与膨胀耦合作用下的大变形围岩稳定准则的研究目前尚未开展。

　　3.3力学模型的研究

　　软岩支护理论最终所要建立的是(大变形)非饱和粘弹塑性模型，但由于非饱和岩石力学尚未建立，所以最终模型的形成尚需相当长的研究过程，但由于工程实际的迫切需要以及建立模型总是经历从简单到复杂，再从复杂到简单的过程，所以，抓住主要影响因素，建立较为简单的近似模型是当前软岩力学模型研究应加强的一项工作。通过研究蠕变与弹塑性变形之间的相互关系及围岩流变的机理，将一个复杂的粘弹塑性问题转化为简单的弹塑性问题来近似求解，这一模型可求出工程上所需的最小支护力及围岩最大允许变形量。

　　4结论

　　(1)目前软岩支护理论研究落后于软岩支护技术的研究，应进一步加强软岩支护基础性理论研究工作。

　　(2)由于受当时岩石力学发展水平的限制，新奥法尚存在不足之处，应该运用现代岩石力学理论加以修正和完善。

　　(3)软岩支护理论等于修正新奥法等于(大变形)非饱和粘弹塑性(力学机理+力学模型)。

　　(4)要加强围岩变形机理，稳定准则及力学模型等支护理论中的一些基础性研究工作。软岩工程分析和支护设计中一个十分重要的概念就是围岩—支护相互作用原理，由软岩的应力—应变—时间关系出发，寻求工程问题的解析解和数值解，这始终是一项广泛进行并在继续开展的重要研究内容。

　　参考文献：

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