软岩的工程地质特性研究

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1、随着地下工程建设规模不断扩大，在城乡建设、水电、交通、矿山、港口以及国防军事等领域都涉及软岩问题，而国家西部大开发的战略实施，大量的交通、能源与水利工程在西部的兴建，地下工程软弱围岩的稳定性和支护方法更已成为地下工程中迫切需要解决的问题。在我国天生桥、二滩、小浪底、乌江构皮滩、瀑布沟等大型水电工程中，均存在软弱岩体的流变性及围岩的稳定性问题；许多煤矿开采时间较长，由于资源开采深度的增加，使一些生产矿井软岩巷道大变形、大地压、难支护的工程问题更加突出；在软岩地区修建的桥隧工程中，围岩的稳定性同样是工程设计和施工中的重点和难点，且常常由于围岩地质条件多变，围岩、支护结构失稳事故

2、时有发生，给人民生命财产造成巨大损失。1软岩的概念及其物理力学特征1.1软岩的概念关于软岩的定义，总括起来，大体上可分为描述性定义、指标化定义和工程定义3类。1984年12月在昆明召开的煤矿矿山压力名词讨论会，将软岩界定为“强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层”，并从地质岩体分类的角度指出该类岩石的常见种类多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成的复杂的地质介质。这是一种典型的描述性定义方式。而到了1990年至1993年间，国际岩石力学学会逐步将软岩明确定义为单轴抗压强度（sc）在0.5~25MPa之间的一

3、类岩石。虽然此种包含具体指标的定义方式考虑了岩石的物理力学性质，但这种分类仍然属于从地质角度定义软岩的范畴，未考虑施工条件和使用环境的差异，将该定义用于工程实践中会出现一些矛盾。如地下硐室所处深度足够的浅，地应力水平足够的低，则单轴抗压强度小于25MPa的岩石也不会产生软岩的特征，工程实践中，采用比较经济的一般支护技术即可奏效；相反，单轴抗压强度大于25MPa的岩石，当其工程部位所处的深度足够的深、地应力水平足够的高，也可以产生软岩的大变形、大地压和难支护的现象。因此，地质软岩的定义用于工程实践时往往产生歧义。近些年，工程软岩的概念被提了出来，它是指在工程力作用下能产生显著

4、塑性变形的工程岩体。如果说目前流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，那么工程软岩的定义不仅重视软岩的强度特性，而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小，强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。工程软岩要满足的条件是：（1-1）式中，为工程荷载，MPa；[]为工程岩体强度，MPa；U为岩体变形，mm；[U]为允许变形，mm。此定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相互关系。其中，工程力包括重力、构造应力、渗透力、工程扰动力以及温度应力等等。而定义中的“显著塑性变形”则是指以塑性变形为主体，变形量超过了工程设计的允许

5、变形值并影响了工程的正常使用。对同种岩体，在较低工程力的作用下，表现为硬岩的小变形特性，而在较高工程力作用下则可能表现为软岩的大变形特性。换句话说，当工程荷载相对于工程岩体（如泥页岩等）的强度足够小时，地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特征，不作为工程软岩，只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩，才作为工程软岩。1.2软岩中遭遇的工程问题实例近些年，在软岩中兴建地下工程，面临的工程地质问题多样，其影响也较为突出。在软岩地层中兴建地下工程，都会遇到塌方、大变形等问题，甚至在施工和运营期间造成人员伤亡、设备损失、工期延误、投资增加等恶劣影响。以下给出几个具体的实例：1)施工

6、过程中塌方频繁。引大入秦盘道岭隧洞，特软岩隧洞长度12830m，岩性为第三系半胶结状态砂岩，岩石单轴饱和抗压强度仅为0.2～0.8MPa。，其中最大一次为冒顶塌方。东深供水工程的雁田隧洞，施工过程中发生3次冒顶塌方。珠海湾仔供水隧洞施工过程中发生过8次塌方、3次冒顶塌方。2)岩体结构松散，多含易膨胀粘土矿物。位于甘肃省金昌市的金川矿区是我国大型镍矿基地，矿区地质条件复杂。矿区的许多隧道位于层状碎裂与碎裂岩体中，是典型的破碎型软岩隧道，在基建和开采过程中曾发生严重变形和破坏。矿区岩体整体强度低，仅为岩石强度的10%以下，隧道开挖后，围岩迅速卸载，产生回弹和扩容，掘进工作面附近

7、最初几天变形速率大，一般在4~6mm/d；岩块间裂隙中有粘土矿物，遇水膨胀产生膨胀地压并崩解，使岩体松散、离层和冒落。隧道开挖后自稳时间短，若支护不及时，岩体极易松散，发生片帮、冒顶。崔家沟隧道是梅七线上的一座越岭隧道，全长3885m，洞身通过地层为三叠系泥质页岩、粉砂质页岩和砂页岩互层，岩体膨胀性显著。谢桥煤矿东风井，其井底车场及其附近的东一、东二隧道围岩属于极软岩，岩体强度底，胶结性能极差，裂隙很发育。由于岩体中膨胀性粘土矿物含量高达30%~60%，岩体亲水性强，浸水后很易膨胀、崩解或泥化。隧道掘出后不到半年，