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摘要:軟硬互層巖體為地下硐室建設的一個難點，由于具有不均勻、非連續和不規則分布的節理裂隙存在，使得其強度、變形和穩定性均不同于單一圍巖體，增加了施工和支護困難，因此有必要對軟硬互層圍巖的變形穩定特性進行特定的研究。基于此，結合現有大量而廣泛的軟硬互層圍巖研究理論和實踐，從圍巖分析、變形穩定和施工技術方面全面概括了軟硬互層圍巖現有研究現狀。

關鍵詞:軟硬互層;圍巖分級;圍巖穩定性;施工技術

隧道工程是交通建設的關鍵節點。隧道建設中，因設計或支護不及時等引起圍巖變形破壞造成的圍巖坍塌等問題，影響工程進度和威脅施工人員生命和財產安全。軟硬互層巖體是由自然和地質營力在漫長地質歷史時期共同塑造而成的一種獨特的沉積、或變質地層組合，屬于常見復雜圍巖體之一，給地下工程建設帶來巨大的挑戰。軟硬互層巖體具有明顯的正交各項異性或橫觀各項同性，平行層面方向的巖土體性質相同，而垂直層面方向的巖土體性質呈軟硬交替，因此其強度和變形等力學性質具有明顯的各項異性，但現有的設計和施工中，常將其按理想單一巖體進行分析，造成支護失效、圍巖變形過大等問題。鑒于此，本文將全面闡述軟硬互層圍巖關于圍巖分級、變形和穩定性分析、支護施工優化等方面研究進展，以期為軟硬互層圍巖設計及施工提供參考。

1軟硬互層圍巖分級

圍巖分級是地下硐室科學設計和順利施工的基礎，現有分級方法主要參照公路隧道設計規范，即:首先根據巖石堅硬程度和巖體完整性兩個定性因素結合定量的巖石基本質量指標BQ，進行初步分級，然后考慮地下水、主要軟弱結構面、初始應力狀態的影響程度，修正巖體基本質量指標，得到修正的基本質量指標修正值BQ，再結合定性特征進行綜合評判，確定圍巖的詳細分級。然而，軟硬互層圍巖并不是單一軟巖或硬巖，按照上述方式進行分級很難得到準確合理的圍巖等級，往往造成施工過程中變更施工設計，改變施工方法和支護參數，影響工程進度和施工安全。造成軟硬互層圍巖分級困難的原因主要有兩個:其一是現有勘察工作難以滿足軟硬互層圍巖分級要求，即如果按照現有的勘察規范要求，對于具有多變性和復雜性的軟硬互層巖體就顯得針對性不夠，難以獲取關鍵的數據和資料;第二是目前針對軟硬互層圍巖的強度和變形等特性研究不夠深入，缺乏清晰而全面的認識和理解。基于此，針對軟硬互層圍巖三臺階七步法施工有限差分法數值模擬結果指出，軟硬互層圍巖分級受軟巖厚度決定，具有兩個臨界值，當軟巖厚度小于2m按照硬巖劃分;當軟巖厚度大于10m按照軟巖劃分。在分析和討論水文地質、巖性和地質構造的基礎上，提出軟硬互層圍巖初步分級思路和方案，即找出圍巖分級控制因素，然后從定量和定性方面綜合分析評判:定量方面，軟巖的性質控制軟硬互層圍巖工程特性，考慮巖石單軸飽和抗壓強度、自由膨脹系數和軟化系數3個指標，而忽略巖體完整性系數、巖體體積節理數和巖石風化系數等;定性方面，首要考慮軟巖的巖性特征，其次為軟硬巖組合比例和軟巖厚度，最后考慮軟硬互層巖體宏觀構造，如巖層傾角等。

2軟硬互層圍巖穩定性分析

不同于單一巖體連續的力學性質，軟硬互層圍巖由于節理和層理等結構面的存在而致使受力和變形表現為不連續。1989年鮮學福和譚學術出版著作《層狀巖體破壞模式》中就針對軟硬互層巖體進行了系統研究，指出巖石強度、節理性質、巖層傾角和隧道軸線與巖層走向的相交角度等因素對軟硬互層圍巖的受力狀態、變形特征和穩定性具有重要影響。基于室內單軸壓縮試驗和現場圍巖變形監測層狀圍巖表現的各項異性特征，得到基于各項異性彈性本構方程的橫觀各項同性彈塑性本構關系，并結合現場監測數據驗證了該模型的正確性。李曉紅課題組成員結合共和隧道軟硬互層圍巖數值模擬和現場監測得到層狀圍巖具有偏壓特征，層理結構面控制圍巖的變形破壞。變形破壞發生于巖體層理垂直方向而非最大主應力方向，且呈不均勻的楔形掉落快，層狀巖體的力學特性控制著圍巖的變形破壞。針對傾斜軟硬互層圍巖開挖中表現出非對稱變形破壞進行數值模擬研究指出，非對稱變形破壞產生的主要原因為非對稱巖體的層間剪切滑移變形和高應力擴容變形，破壞的關鍵部位為與隧道斷面呈鈍角的巖層傾斜方向。利用離散元方法研究巖塊強度、節理強度、節理埋深和間距、節理傾角等因素對軟硬互層巖體隧道變形破壞模式結果表明，節理強度對于隧道圍巖穩定性的作用大于巖塊強度;隧道破壞的方向受節理傾角的影響。結合離散元和室內模型試驗研究節理傾角對軟硬互層圍巖塌落拱影響得到，塌落面積、塌落寬度和塌落高度都與其呈非線性函數關系。

3軟硬互層圍巖施工與支護優化

軟硬互層具有層理效應，圍巖變形破壞不同于單一巖土體，其支護和施工應采取特殊的手段。依托江習高速四面山隧道，考慮層理效應的橫觀各項異性，采用ANSYS數值模擬水平軟硬互層圍巖動態施工過程，考察單側壁導坑法、全斷面法和上下臺階法施工方法圍巖變形情況，得出上下臺階法符合安全和經濟要求，適用于軟硬互層圍巖開挖。同時，通過取消與巖層角度分別為－5°、0°、10°、15°、20°、25°、30°、35°和40°的錨桿考察錨桿支護效應得到結果為應取消與巖層角度小于35°的錨桿。針對隧道掘進機在軟硬互層圍巖中遇到的軟巖遇水軟化崩解、泥裹刀、難出渣及頻繁塌方等技術問題，提出分區段動態調整施工方法以適應軟硬互層復雜圍巖條件，具體措施包括隧道掘進機不停機、連續低速和低貫入度掘進、增設管棚和減小拱架間距、及時封閉、開挖導洞和減少掌子面噴水等聯合措施。結合理論分析、現場試驗和數值模擬研究急傾斜軟硬互層圍巖變形穩定控制問題，針對急傾斜軟硬互層圍巖偏壓作用明顯，非對稱性，底臌嚴重且易冒頂，頂板下滑的變形破壞特征，提出在原有錨———網———索支護耦合結構基礎上，針對圍巖產生變異破壞的關鍵部位利用底角錨桿和錨索進行加強支護的方法，經驗證能夠很好的控制圍巖變形。

4結語

綜上所述，軟硬互層圍巖工程性質非常復雜，其施工及支護不能簡單采用單一巖體方法。隧道開挖中，只有采取加強多方面監控量測手段及數據分析，盡可能準確識別掌子面前方軟硬圍巖的位置及規模，有條件情況下進行現場試驗和數值模擬等方法進行深入分析，結合前期經驗，才能及時準確調制施工及支護策略，保證施工安全有效。

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作者：胡凱 黃衛國 李和元 單位：江西省公路工程檢測中心