隧道施工中的软岩支护

【摘要】本文探讨了现有的支护技术及理论，同时指出目前软岩支护工程中存在的不足。总结出建立适应的软岩支护理论的途径，分析了目前软岩支护中的基础性的问题（比如：流变，膨胀）。

【关键词】软岩；支护理论；流变；膨胀

1、引言

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。近年来，在我国的水工、道路及矿山建设中，大量工程实践提供了众多成功经验和失败教训，成为软岩技术发展的推动力。软岩工程开挖后，支护系统除承受松脱岩石自重外，主要承受随时间增长的变形压力围岩变形与支架压力不仅取决于原岩应力、岩体性质，而且，取决于支架刚度和架设时间等因素，并且，随时间增长而改变。

2、有的软岩支护技术和理论

2.1 软岩支护技术

由于软岩的物理力学特性，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）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。

（2）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。

（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。

2.2 软岩支护理论

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）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 Rabcewice（1964～l965）在总结前人经验后提出的一套隧道设计与施工原则，米勒（1980） [1] 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的权威理论。新奥法摒弃隧道力学中的以普压理论为代表的松动地压理论，将岩体视为承载体，这种认识的重大转变给支护带来一场革命。董方庭等（1996） [2] 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。

（2）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。50 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。

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。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，C、θ值，可使巷道围岩的应力尽早取得平衡。

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：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。

3、适用于围岩的支护理论

3.1 围岩变形机理的研究

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。初步得到以下结论：

（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。陈宗基（1991） [3] 给出了稳定蠕变准则，Wittke（1979） [4] 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。范秋雁（1997）[5]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、结语

（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：

[1]米勒.L，新奥法的基本思想和主要原则，地下工程，No6，1980.

[2]董方庭等，松动圈软岩锚喷支护理论和技术，中国煤矿软岩巷支护理论与实践，中国矿业大学出版社，1996.

[3]陈宗基等，岩石的封闭力、蠕变和扩容本构类方程，岩石力学与工程学报，No1，l99l.

[4]Wittke.W.，Foundation for the Design and conetruction of Tunnel in Swelling Rock.Proc.4th int.

[5]范秋雁，软岩巷道地压研究，中科院武汉岩石力学研究所博士论文，1997.