隧道软岩大变形机理是什么及如何变形行为描述？（205楼
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<@>icDFEHn 隧道围岩大变形主要发生于低级变质岩、断层破碎带及煤系地层等低强度围岩中，一般具有变形量大、径向变形显著及危害巨大等特点。发生该类变形的围岩一般被称为软岩（soft rock）、挤出性围岩（squeezing rock）或膨胀岩（swelling rock or expansive rock）[4~6, 48~50]。
&4t= Y`]SL 1946年，Terzaghi首次提出了挤出性岩石和膨胀性岩石的概念。挤出性岩石是指侵入隧道（开挖轮廓面）后没有明显体积变化的岩石，发生挤出的先决条件是岩石中含有高含量的微观、亚微观云母状矿物颗粒或低膨胀能力的粘土矿物；膨胀性岩石则是指主要由于膨胀作用而侵入隧道的岩石。受到Terzaghi思想的影响，人们一般把大变形机制分为以下两大类[50, 56]：
Nc EPPl 0I （1）开挖引起的应力重分布超过围岩强度，围岩因塑性化而产生大变形。如果介质变形缓慢，就属挤出；如果变形是立刻发生的，就是岩爆。
9n d,8N ji （2）围岩中的某些矿物和水反应，而发生膨胀导致大变形。水及某些膨胀性矿物的存在，对于膨胀变形是必须的。
z cV~)go6 和机制研究一样，既有的大变形预测也基本上可以分为挤出预测和膨胀预测两大类。Muirwood（1972）提出用坚固系数来预测隧道围岩稳定性（挤出），坚固系数被定义为UCS和上覆围岩自重应力 的比值。后来，该参数在日本被用来进行软岩隧道的挤出预测（Nakano，1979）。我国学者采用的类似系数为应力-强度比，即，最大主应力、围岩切应力或垂直主应力与UCS的比值。
N+UBXhh 目前，基于上述变形机制提出的各类预测方法的指标体系的预测结果还不理想，有些工程甚至出现很大的偏差。软岩大变形描述及其预测呼唤新理论。
!y1qd 事实上，软岩发生大变形应满足两个基本条件：第一，重分布后的地应力足以引起围岩屈服；第二，围岩屈服伴随有显著剪胀。
x;JC{d# 对于大多数深埋软岩，尤其是深埋极软岩，第一个条件一般都是能够被满足的，但是屈服与塑性化并不一定伴随显著剪胀，这也许就是隧道工程中，软岩常见，但大变形却不多见的根本原因。
Ux);~P`/o 当软岩发生屈服，但无剪胀或无明显剪胀发生时，高应力环向外扩展到一定程度后，其扩展速度会显著降低（无论是软岩还是硬岩，屈服－塑性化并不意味着其强度的完全丧失，屈服后的围岩仍然具有一定的刚度和承载能力），甚至从工程的角度看，可以认为已经停止扩展。这时，围岩不仅不会发生大变形，而且可能处于（相对）稳定状态。这种情况下，巨大的盖层压力主要还是靠围岩自身来承担的，这也许就是软岩隧道中“寻找最佳支护时间”及“采用可缩支护系统”的理论依据。
x 'i~o' 应该说，固体静力学所研究的软岩的弹性、弹塑性及塑性变形并不是软岩大变形的核心问题。软岩变形基本可以分为弹性、塑性和流变三个阶段。显然，弹、塑性理论只能涉及其中的弹性和塑性阶段，但软岩的弹性和塑性变形量相对较小，流变产生的变形才是最主要的。不仅如此，隧道开挖过程中，一个炮次爆破以后，轮廓线附近的围岩应力瞬间增大到较高量级，而且切应力一般会远超过UCS。也就是说，开挖条件下，紧靠轮廓面的围岩变形是直接进入塑性或流变状态的，并未经过缓慢的弹性变形阶段。
W'zI~' K 根据弹、塑性理论预测开挖条件下软岩是否屈服（如坚固系数、强度应力比及其它类似方法）对于软岩大变形预测来说是远远不够的。
Kr<a6BEv5 第一，大变形隧道的软岩强度一般都很低，但由于埋深大，预测结果大部分都将是“屈服”；同时这类预测也带有很大的不确定性。弹性及弹塑性理论在解决软岩屈服问题时，用到的一个关键参数是UCS，对于软岩，特别是经常发生大变形的极软岩，如断层破碎带、片岩及千枚岩等，其UCS往往是很难通过常规的试验方法确定的。各种隧道大变形文献中所给出的围岩UCS往往都是根据经验确定的估计值或根据某种相关关系给出的推测值。如家竹箐隧道发生大变形的煤系地层无法测定UCS，最后利用位移反分析方法，给出了一个0.6 MPa的估计值。因此，这些间接方法推测出的UCS被用于围岩的屈服判断时，具有很大的不确定性。
Fyz1LOH[X 第二，“屈服”仅仅是大变形的基础，屈服的软岩不一定发生大变形。
0CeBU(U+|R 大变形、剪胀及刚体位移是软岩大变形的三大基本特征，利用固体静力学理论来同时描述这些特征是困难的。
d^Cv9%X 根据弹性力学理论，如果外载作用下典型单元体（REV）所产生的位移远小于其原来的尺寸，属于小变形，否则为大变形，弹性力学的研究对象仅限于小变形。尽管目前隧道工程中对于大变形还没有统一的界定，但大部分大变形隧道的收敛值都在几十厘米，很多达到1 m以上；由于已知的塑性圈厚度最大不超过10 m，软岩变形的最大应变应在10%以上。如此大的应变，显然不能再用弹性力学理论来描述。
NljcHe}Qy 根据粘滞系数 ，自然界的物质被分为固体和流体两大类，但无论是在人们的实践活动中，还是在理论研究中，固体和流体之间的界限都不是截然的。一方面，自然界的确存在一些既具有固体性质，又具有流体性质的一些物质，如沥青、稠油等；另一方面，即使是通常所说的固体，如石灰岩、砂岩等，其抗剪强度也与剪切速度有关，也都具有确定的 值，只是量级相对要高得多而已，漫长地质历史过程中形成的岩层褶皱等构造行迹，是这类固态岩石发生“流动”的有力证据。
&x.5TDB>% 对于一种确定的介质，到底是将其视为固体还是流体来研究，应考虑两方面的因素，一个是介质所处的热力学环境，即，温度和压力，另一方面是研究所涉及的时间尺度。对于软岩来说（可以忽略温度影响），当它的埋深很小（压力较低），工程活动所涉及的时间较短时，可以将其视为固体。瑞士著名地质学家Heim根据穿越阿尔卑斯山的某隧道的软岩环向大变形，提出“当岩石埋深较大时，岩石处于静水压力状态”。事实上，这种状态对于地壳岩石圈浅部的硬岩可能是难以达到的，但正如Heim得出这一结论时所看到的那样，大埋深条件下浅变质岩、煤系及沉积盆地中欠压实的沉积岩石中则可能出现静水压力状态。因此，当软岩的埋深很（较）大，工程活动所涉及的时间又很长时，将其视为静水压力场中的流体来研究，将更有利于问题的解决。
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A{R0@ 深埋隧道软岩的“大变形”是流体变形的属性之一；“剪胀”可以被视为流体在减压条件下的一种体膨胀行为，和承压水的释水机理基本一致；“刚体位移”是流体在压力差驱动下，发生整体移动的表现，这恰好是流体动力学的研究范畴。
Z V/g_i # 软岩大变形中的一些宏观现象，采用流体动力学理论来说明也将更加清晰。深埋软岩中修建的无衬砌隧道，可以被视为软岩构成的流体场中的排泄廊道。由于流体场中任意一点的压力与方向无关，因此，软岩可以从拱顶、边墙及隧底同时“涌入”隧道。如果隧道施作了封闭式衬砌，但强度较低时，衬砌就可能发生环向变形。如果衬砌结构的某一部分强度较低，不能抵挡软岩压力，这部分就可能成为软岩“涌入隧道的突破口”。在隧道工程中，受到传统岩石力学理论的影响，很多隧道都不设仰拱（这对于完整硬岩是合理的），即，衬砌没有封闭成环，仅仅为素混凝土，甚至贫混凝土铺底，隧底一般都是整个衬砌结构中最薄弱的环节，加之长期处于列车动荷载的作用之下，在拱顶、边墙保持完好的情况下，软岩从隧底“涌入”而造成底鼓也就不难理解了。
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