軟弱圍巖松動圈形成和發展對支護變形的作用分析

趙鵬宇 王龍 申連平

摘要：目前，對于軟弱圍巖大變形特性機理的理論認識還不夠完整，在眾研究者中尚未達成共識。本文以軟弱圍巖松動圈的形成和發展為理論出發點，并結合之前相關研究者所得到的部分結論進行軟巖變形機理分析，以期為軟巖變形理論的發展及軟巖隧道施工提供一定的思路和參考。

關鍵詞：隧道工程 軟弱圍巖 松動圈 變形

軟弱圍巖具有大變形、難支護的工程性質已為廣大隧道建設人員所了解，但是對于其變形特性機理的理論認識還不夠完整，在眾多研究者中尚未達成共識，比如姚國圣等提出巖體擴容和塑性軟化對軟巖變形的影響；陳宗基提出的應力釋放對圍巖穩定性的影響；張社榮等提出圍巖隨開挖面的推進形成三維應力旋轉而造成圍巖應力狀態的改變，引起圍巖變形等，這些結論在某一點上都很好地解釋了軟巖的變形特性，然而卻沒有很好地進行串聯，以形成一套比較完整的分析理論。所以，本文從松動圈的形成和發展出發，并結合之前研究者所提出的部分相關結論，對軟弱圍巖大變形機理進行相對比較完整的分析。

1.軟弱圍巖的定義

目前，關于軟弱圍巖的定義主要從兩個角度出發，即圍巖的物理性質和圍巖所處的應力狀態及相應的變形特征，分別得到地質軟巖定義和工程軟巖定義。

地質軟巖：單軸飽和抗壓強度低于30Mpa的巖石，結構面發育、強度低、膠結度較差、常含有泥質礦物或者膨脹性礦物，遇水易軟化。

工程軟巖：指在工程力的作用下會發生顯著塑性變形的巖體。即不管巖體的強度有多大，在其所處的圍巖應力狀態下，將發生顯著的塑性變形的巖體即稱為軟巖。在隧道施工領域，目前普遍采用該軟巖定義。

2.松動圈的形成和發展與支護變形的關系

2.1松動圈的定義

松動圈指隧道開挖后，首先因為開挖擾動而形成的一定破裂范圍，而后因為圍巖的受力狀態發生改變，由三向受力變為近似的二向受力狀態，巖體抗壓強度發生明顯的下降。當此時圍巖所受的應力小于下降后的巖體強度，則圍巖能夠自穩，相反圍巖將發生破裂，且破裂區由開挖面周邊開始向圍巖深處發展，直至某處其三向應力狀態重新達到平衡，因而形成一個圓環形的塑性破裂帶。

在松動圈內巖體破碎，裂隙中充滿水、空氣等介質，而界面以外的巖體比較完整，一般多為塑性軟化變形和彈性變形，物性差異較大。

2.2松動圈的最初形成

松動圈的形成最直觀的理解是由于隧道的開挖對圍巖的擾動，造成圍巖最原始的破裂、松動。此時圍巖松動圈的范圍主要取決于圍巖的物理性質，包括圍巖強度、膠結程度以及結構面發育程度等等，還有掌子面的開挖方法。

還有一個原因，即隧道開挖后，圍巖應力釋放所造成的圍巖松動、解體。在未擾動之前，圍巖在初始地應力的作用下，處于一個相對穩定的平衡狀態，且內部積蓄有因外力對其做功而形成的一定的勢能uε。由于開挖引起的巨大擾動，該平衡被打破，而且在開挖面附近，圍巖由三向受力變為近似的二向受力狀態（未進行支護之前），一部分約束力被解除，積蓄在圍巖內部的勢能將會在極短的時間內得到釋放，而圍巖將會沿約束力最小的方向，即臨空面方向，發生膨脹。因為巖體中各巖石單元的力學性質各有差異，如其彈性模量等，所以不可避免地將形成各自不同大小的膨脹量，從而形成圍巖的松動破壞。

所以綜上所述，松動圈的形成范圍是以上兩者相互疊加的結果，其所形成的圍巖壓力屬于松動圍巖壓力，對軟巖隧道大變形的影響較小。

2.3松動圈的發展與支護變形的關系

在完成隧道支護后，圍巖應力狀態將進行重新調整，且隨著掌子面的向前推進而不斷變化，不僅包括圍巖的應力大小，而且包括應力方向的改變，就如張社榮提出的隨著隧道的向前推進，圍巖主應力方向發生三維旋轉。

如果調整后的應力狀態的偏應力σd（在三軸試驗中σd=σ1-σ3）大于擴容閥值f﹡時將產生不穩定的擴容變形，使已有的裂紋進一步張開、連通，并伴有新裂紋的產生，使圍巖強度進一步降低，出現應變軟化現象，而使巖體在圍巖應力作用下發生體積膨脹，并形成相應的碎脹力，構成圍巖壓力的一部分。當圍巖壓力增長至支護屈服強度時，將形成支護的變形，而支護的變形又將導致內部圍巖應力的釋放，使得原本塑性區與破裂區交界面上的接觸應力減小，相當于在此處又形成了一個相對薄弱面，使得在塑性區一定范圍內圍巖又發生應力釋放以及應力重分布而發生破裂，從而導致松動圈向圍巖深部發展，進而形成新的圍巖壓力以及相應的支護變形。如此反復，直至松動圈深度達到某一位置時，其在支護反力作用下，三向應力狀態恰好能達到平衡，不再出現不穩定擴容。

所以，目前很多學者認為，軟弱圍巖支護的最大載荷是松動圈發展過程中所形成的碎脹力。碎脹力是支護的主要對象，是造成軟弱圍巖支護大變形的最主要的圍巖壓力。

3.結語

軟弱圍巖大變形最直接的原因為圍巖的不穩定，而根本原因在于松動圈的不穩定發展，造成巨大的圍巖擴容膨脹，以及相應的碎脹力，所以必須將控制松動圈的形成和發展作為軟巖隧道施工的重中之重，重點把關。具體施工中，應注意以下幾點：

（1）做好超前支護，在開挖時提前做好支護工作，以減小松動圈的形成范圍，同時，在開挖時，盡量注意減小對圍巖的擾動。

（2）提高注漿質量，利用注漿提高圍巖的強度，相應地提高圍巖擴容閥值f*，降低圍巖受力后的塑性軟化，同時利用漿液填補巖體中因擴容膨脹而產生的裂隙，避免地下水進入，造成圍巖遇水軟化。

（3）合理選擇支護參數，以充分調動圍巖變形釋放的能量，并能最大程度的發揮圍巖的自承能力。

以上只是一部分理論定性的分析，還有很多實際問題目前還無法解決，比如如何利用松動圈范圍的測定，進而較為準確的估算包含碎脹力在內的圍巖壓力，從而選擇合理的支護參數，方便施工。

參考文獻：

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