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摘 要：介绍软岩含义，简要分析隧道围岩变形机制，介绍国内外部分关于隧道变形的支护理论，列举了常见的支护措施及变形控制技术。
关键词：隧道软岩；力学机制；防治措施
1软岩含义及力学特性
关于软岩的含义至今仍然有多种解释。1981年在东京召开的“国际软岩学术讨论会”规定“软弱、破碎和风化岩石”为软岩[1]，属于定性的规定。国际岩石力学学会（ISRM）对软岩给出了定量的规定～定义软质岩为单轴抗压强度在0.5～25MPa的岩石。
近年来，在我国的水工、道路及矿山建设中，越来越多地涉及到软岩工程问题，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。孙钧教授总结软岩的基本特征是强度低，孔隙率高，容重小，渗水、吸水性好，易风化，易崩解，具有显著的膨胀性和明显的时效特性，认为高地应力地区的岩石蠕变将呈非线性性态发展。
2隧道围岩变形机理
隧道围岩变形机理的研究进展和岩体力学的发展存在着紧密的关系。在长期的工程实践和理论研究中，尤其是近代岩土力学、工程地质力学的发展，使我们对坑道开挖后在围岩中产生的物理力学现象有了一个较为明确的认识。关于大变形的形成机制，一般分为以下两类[2]：
（1）坑道开挖后将引起围岩一定范围内的应力重新分布和局部地壳残余应力的释放：从力学角度看：坑道开挖前的围岩处于初始应力状态，即前面所述的初始地应力场，我们称为一次应力状态。坑道开挖后由于应力重新分布，坑道周边围岩处于由开挖引起的应力场中，这种应力状态我们称为二次应力状态，又称为毛洞的应力状态。如果二次应力状态满足坑道稳定的要求，则可不加任何支护，坑道即可自稳。如果坑道不能自稳就须施加支护措施加以控制，促使其稳定。因此，采取支护措施后的应力场称为三次应力场或支护后的应力场。应力控制实质上就是控制围岩的变形和松弛。这是软弱围岩隧道设计施工的主要原则。就是说要想控制住围岩的松弛，就要控制住围岩的变形。
（2）岩石中的某些矿物和水反应而发生膨胀。水及某些（膨胀性）矿物的存在，对于膨胀变形是必然存在的。
李天斌等在对国内外知名的18座大变形隧道（巷道）围岩地质情况和变形特征进行深入分析的基础上，按照不同的受控条件将大变形划分为：受围岩岩性控制的大变形、受围岩结构构造控制的大变形和受人工采掘扰动影响的大变形3大类型，并将围岩大变形的机制和力学模式总体上归结为以下7个方面：①围岩的塑流；②围岩的膨胀变形；③板梁的弯曲变形；④塑性楔体的剪切滑移；⑤结构性流变；⑥累进性松脱扩展；⑦围岩移动变形。具体工程中发生的大变形可能是一种或甚至几种机制的复合。
3软弱围岩隧道大变形支护理论及防治措施
3.1隧道软岩大变形支护理论
在国内，针对隧道支护进行了大量相关研究，形成了一些有影响的理论：“轴变论”理论是于学馥教授等（1981）提出来的，该理论认为隧道坍落可以自行稳定。隧道坍落破坏是由于围岩应力超过岩体强度极限引起的，坍落改变了隧道轴比，导致围岩进行应力重分布，应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并逐渐向无拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止；锚喷弧板支护理论是由郑雨天教授等提出的，实际是联合支护理论的新进展；松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚硬围岩的裸体隧道，其围岩松动圈都接近于零，此时隧道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护；主次承载区支护理论是由方祖烈教授提出，认为隧道开挖后，在围岩中形成拉压域。压缩域在围岩深部，体现了围岩的自稳能力，是维护隧道稳定的主承载区：张拉域形成于隧道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但其与主承载区相比，只起辅助的作用，故称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定隧道的最终稳定；软弱围岩工程力学支护理论是由何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法，通过分析软弱围岩变形力学机制，提出的'以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的隧道软弱围岩支护理论。
3.2软岩大变形支护措施
随着不同围岩支护理论的出现，各种支护方法应运而生！如今，传统的刚性支撑（木支撑，钢架支撑），衬砌（砌体，现浇混凝土衬砌，预制混凝土砌块），喷混凝土，锚固（锚杆，预应力锚杆，锚索），喷锚（网）支护以及上述诸方法组合而成的联合支护等，均在地下工程中得到广泛应用。
4软岩隧道大变形控制技术
4.1先护后挖
隧道开挖方法、掘进技术、锚喷支护支护、地层改良技术的研究、应用和发展，针对软弱、破碎围岩条件有三大类特殊稳定措施包括：“超前支护”、“注浆加固”和“冷冻固结”。
超前支护分为超前锚杆加固前方围岩、超前管棚支护前方围岩。注浆加固分为超前小导管注浆、超前深孔帷幕注浆。注浆不仅可以加固围岩，也可以起到堵水作用。冷冻固结则是在饱和软粘土地层条件下，利用水作为介质，通过冷冻将围岩固化，形成稳定性较好的冻土，再在冻土层完成隧道施工的一种特殊施工技术。
由于有这些特殊稳定措施的支持，从而使得软弱破碎地层中进行隧道施工变得更及时、有效、快速，也更具有可预防性、安全性和耐久性。
针对软弱破碎围岩条件下的隧道工程，采取特殊稳定措施进行隧道设计和施工的基本原理是：“先支护（或先加固）、后开挖，逆序试作，短進尺，弱爆破，万勿冒进，强支护、快衬砌，适时封闭，重观察、勤量测，锚喷行、钢架好。这是在软弱破碎围岩条件下进行隧道施工的基本原则。
值得注意的是，就结构的密实程度而言，无论是锚喷，还是钢架，它们构成的仍然是一种松散的而非紧密的结构体系，注浆才是解决围岩稳定能力不足的根本性措施。因此，特殊稳定措施的选用应视围岩工程地质条件、地下水情况、施工方法、建筑环境要求等具体情况而定，并尽量与常规稳定措施相结合，进行充分的技术经济比较，选择最为适宜的特殊稳定措施。
4.2预防为主
前面介绍了隧道多种开挖方法、掘进方式，以及多种结构类型的初期支护。应该说这些方法、方式、结构形式及其组合是能够适应绝大多数的围岩地质条件和工程结构条件。但由于一些难以预见、分析和掌握的原因的存在，使得这些措施在工程实际中并非绝对有把握保证围岩稳定。
这些难以预见、分析和掌握的原因，概括起来有：其一是在施工、设计过程中，对围岩性质判断不准和情况不明；其二是支护类型与实际要求不适应；其三是支护的时机和方法不恰当；其四是其他的不明原因。
由于以上情况的存在，使得在实际施工过程中，特别是一些特殊地质条件下，开挖后至于试作二次衬砌之前，随时都有可能会出现不良变形乃至松弛塌方等异常现象。为保证围岩稳定、人员安全和施工顺利，首先应密切关注地形、地貌、地质和地下水条件及其突然变化的情况，以及观测到的围岩变形动态的异常变化的情况，制定相应的紧急预备方案和有关的安全措施，极力预防塌方、突泥、流砂、大变形等工程事故的发生：发生时应及时阻止塌方的进一步扩大。
再者对隧道施工中出现的任何异常现象，应进行信息分析，并针对异常现象采取及时有效的处理措施，以利于施工安全和施工顺利，即对施工方法，支护时机，支护参数是施工速度加以调整。
参考文献
[1]陆家梁.软岩巷道支护技术[M].长春：吉林科学技术出版社，1995.
[2]高美奔，李天斌，孟陆波等.隧道软岩大变形力学机制及防治措施综述[J].北京：施工技术，2013，42：247-251.
作者简介
温丽旺（1991-），江西赣州人，男，汉族，硕士研究生，成都理工大学，研究方向：地质灾害预测与评价。
（作者单位：成都理工大学环境与土木工程学院 四川成都 610059）
关键词：隧道软岩；力学机制；防治措施
1软岩含义及力学特性
关于软岩的含义至今仍然有多种解释。1981年在东京召开的“国际软岩学术讨论会”规定“软弱、破碎和风化岩石”为软岩[1]，属于定性的规定。国际岩石力学学会（ISRM）对软岩给出了定量的规定～定义软质岩为单轴抗压强度在0.5～25MPa的岩石。
近年来，在我国的水工、道路及矿山建设中，越来越多地涉及到软岩工程问题，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。孙钧教授总结软岩的基本特征是强度低，孔隙率高，容重小，渗水、吸水性好，易风化，易崩解，具有显著的膨胀性和明显的时效特性，认为高地应力地区的岩石蠕变将呈非线性性态发展。
2隧道围岩变形机理
隧道围岩变形机理的研究进展和岩体力学的发展存在着紧密的关系。在长期的工程实践和理论研究中，尤其是近代岩土力学、工程地质力学的发展，使我们对坑道开挖后在围岩中产生的物理力学现象有了一个较为明确的认识。关于大变形的形成机制，一般分为以下两类[2]：
（1）坑道开挖后将引起围岩一定范围内的应力重新分布和局部地壳残余应力的释放：从力学角度看：坑道开挖前的围岩处于初始应力状态，即前面所述的初始地应力场，我们称为一次应力状态。坑道开挖后由于应力重新分布，坑道周边围岩处于由开挖引起的应力场中，这种应力状态我们称为二次应力状态，又称为毛洞的应力状态。如果二次应力状态满足坑道稳定的要求，则可不加任何支护，坑道即可自稳。如果坑道不能自稳就须施加支护措施加以控制，促使其稳定。因此，采取支护措施后的应力场称为三次应力场或支护后的应力场。应力控制实质上就是控制围岩的变形和松弛。这是软弱围岩隧道设计施工的主要原则。就是说要想控制住围岩的松弛，就要控制住围岩的变形。
（2）岩石中的某些矿物和水反应而发生膨胀。水及某些（膨胀性）矿物的存在，对于膨胀变形是必然存在的。
李天斌等在对国内外知名的18座大变形隧道（巷道）围岩地质情况和变形特征进行深入分析的基础上，按照不同的受控条件将大变形划分为：受围岩岩性控制的大变形、受围岩结构构造控制的大变形和受人工采掘扰动影响的大变形3大类型，并将围岩大变形的机制和力学模式总体上归结为以下7个方面：①围岩的塑流；②围岩的膨胀变形；③板梁的弯曲变形；④塑性楔体的剪切滑移；⑤结构性流变；⑥累进性松脱扩展；⑦围岩移动变形。具体工程中发生的大变形可能是一种或甚至几种机制的复合。
3软弱围岩隧道大变形支护理论及防治措施
3.1隧道软岩大变形支护理论
在国内，针对隧道支护进行了大量相关研究，形成了一些有影响的理论：“轴变论”理论是于学馥教授等（1981）提出来的，该理论认为隧道坍落可以自行稳定。隧道坍落破坏是由于围岩应力超过岩体强度极限引起的，坍落改变了隧道轴比，导致围岩进行应力重分布，应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并逐渐向无拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止；锚喷弧板支护理论是由郑雨天教授等提出的，实际是联合支护理论的新进展；松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚硬围岩的裸体隧道，其围岩松动圈都接近于零，此时隧道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护；主次承载区支护理论是由方祖烈教授提出，认为隧道开挖后，在围岩中形成拉压域。压缩域在围岩深部，体现了围岩的自稳能力，是维护隧道稳定的主承载区：张拉域形成于隧道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但其与主承载区相比，只起辅助的作用，故称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定隧道的最终稳定；软弱围岩工程力学支护理论是由何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法，通过分析软弱围岩变形力学机制，提出的'以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的隧道软弱围岩支护理论。
3.2软岩大变形支护措施
随着不同围岩支护理论的出现，各种支护方法应运而生！如今，传统的刚性支撑（木支撑，钢架支撑），衬砌（砌体，现浇混凝土衬砌，预制混凝土砌块），喷混凝土，锚固（锚杆，预应力锚杆，锚索），喷锚（网）支护以及上述诸方法组合而成的联合支护等，均在地下工程中得到广泛应用。
4软岩隧道大变形控制技术
4.1先护后挖
隧道开挖方法、掘进技术、锚喷支护支护、地层改良技术的研究、应用和发展，针对软弱、破碎围岩条件有三大类特殊稳定措施包括：“超前支护”、“注浆加固”和“冷冻固结”。
超前支护分为超前锚杆加固前方围岩、超前管棚支护前方围岩。注浆加固分为超前小导管注浆、超前深孔帷幕注浆。注浆不仅可以加固围岩，也可以起到堵水作用。冷冻固结则是在饱和软粘土地层条件下，利用水作为介质，通过冷冻将围岩固化，形成稳定性较好的冻土，再在冻土层完成隧道施工的一种特殊施工技术。
由于有这些特殊稳定措施的支持，从而使得软弱破碎地层中进行隧道施工变得更及时、有效、快速，也更具有可预防性、安全性和耐久性。
针对软弱破碎围岩条件下的隧道工程，采取特殊稳定措施进行隧道设计和施工的基本原理是：“先支护（或先加固）、后开挖，逆序试作，短進尺，弱爆破，万勿冒进，强支护、快衬砌，适时封闭，重观察、勤量测，锚喷行、钢架好。这是在软弱破碎围岩条件下进行隧道施工的基本原则。
值得注意的是，就结构的密实程度而言，无论是锚喷，还是钢架，它们构成的仍然是一种松散的而非紧密的结构体系，注浆才是解决围岩稳定能力不足的根本性措施。因此，特殊稳定措施的选用应视围岩工程地质条件、地下水情况、施工方法、建筑环境要求等具体情况而定，并尽量与常规稳定措施相结合，进行充分的技术经济比较，选择最为适宜的特殊稳定措施。
4.2预防为主
前面介绍了隧道多种开挖方法、掘进方式，以及多种结构类型的初期支护。应该说这些方法、方式、结构形式及其组合是能够适应绝大多数的围岩地质条件和工程结构条件。但由于一些难以预见、分析和掌握的原因的存在，使得这些措施在工程实际中并非绝对有把握保证围岩稳定。
这些难以预见、分析和掌握的原因，概括起来有：其一是在施工、设计过程中，对围岩性质判断不准和情况不明；其二是支护类型与实际要求不适应；其三是支护的时机和方法不恰当；其四是其他的不明原因。
由于以上情况的存在，使得在实际施工过程中，特别是一些特殊地质条件下，开挖后至于试作二次衬砌之前，随时都有可能会出现不良变形乃至松弛塌方等异常现象。为保证围岩稳定、人员安全和施工顺利，首先应密切关注地形、地貌、地质和地下水条件及其突然变化的情况，以及观测到的围岩变形动态的异常变化的情况，制定相应的紧急预备方案和有关的安全措施，极力预防塌方、突泥、流砂、大变形等工程事故的发生：发生时应及时阻止塌方的进一步扩大。
再者对隧道施工中出现的任何异常现象，应进行信息分析，并针对异常现象采取及时有效的处理措施，以利于施工安全和施工顺利，即对施工方法，支护时机，支护参数是施工速度加以调整。
参考文献
[1]陆家梁.软岩巷道支护技术[M].长春：吉林科学技术出版社，1995.
[2]高美奔，李天斌，孟陆波等.隧道软岩大变形力学机制及防治措施综述[J].北京：施工技术，2013，42：247-251.
作者简介
温丽旺（1991-），江西赣州人，男，汉族，硕士研究生，成都理工大学，研究方向：地质灾害预测与评价。
（作者单位：成都理工大学环境与土木工程学院 四川成都 610059）