高 静， 周 志 东， 石 伟 伟

(中国安能集团第三工程局有限公司，四川 成都 611130)

1 概 述

随着我国西部大开发战略的推进，青藏高原等高寒地区的水利水电工程、交通工程飞速发展。同时，也出现了很多工程地质问题，尤其以高寒地区的软岩问题较为突出，对工程施工产生了较大的影响，特别是对工程质量、工程进度和工程造价影响突出，有时甚至严重制约了工程的进展。

岩石的坚硬程度是根据岩块的饱和单轴抗压强度(frk)来划分，可分为坚硬岩石、较坚硬岩石、较软岩、软岩和极软岩。

软岩是一种特性环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质，具有相对松散性、软弱性、低强度性、易风化、水理性差等特点。一般可分成地质软岩和工程软岩，工程软岩系指在工程力作用下具有显著塑性变形的工程岩体。工程上，一般把饱和单轴抗压强度小于30 MPa的岩体统称软岩。例如，泥灰岩碎屑在水解作用、方解石溶解作用和伊利石向伊-蒙混层矿物转化作用下，岩石抗剪强度降低[1]。

青藏高原属于高寒地区，是由原特提斯洋迅速上升隆起的。在西藏，区内沉积岩自元古宇自第四系均有出露，覆盖面积比例大，约占70%，底层系统发育齐全。特别是三叠系、侏罗系、白垩系和第三系的海相地层是我国范围内分布最广泛、发育最齐全、最完整、厚度最大的地层。在西藏地区主要的软岩有炭质页岩、泥岩和泥质板岩等。

图1 软岩四元件岩石力学地质概念模型

2 施工中软岩的变化

2.1 应力的变化

一般来说，对于洞室开挖，围岩应力释放，是一个卸载的过程，对于软岩，一般会产生大于1.5 m的松动圈。因此，存在自我调整，达到稳定平衡或者失稳，这也是洞室围岩产生的流变现象。在西藏的炭质页岩、泥岩和泥质板岩等软岩，一般表现为黏弹塑性变形。该地质概念模型(图1)。

2.2 岩体结构的变化

在工程施工过程中，由于机械和人的作用使围岩的结构发生变化，特别是开挖过程中，使围岩增加临空面，产生新的结构面等。例如，爆破作用对围岩造成损伤，致使围岩产生爆破裂缝，降低了岩体的完整性等。由于冻融作用，通常使岩石的裂缝扩展，微裂缝扩张，新裂缝产生等。

2.3 水-力-热的耦合作用

软岩被施工揭露后，是一个复杂的水—力—热相互耦合的作用过程[2]。

水对软岩强度的影响，以西藏某水利工程为例，页岩浸水随时间延长崩解试验见表1、2，强度改变见表3。

表1 西藏某工程页岩浸水随时间延长崩解现象记录

表2 西藏某工程炭质页岩崩解试验成果整理

表3 西藏某工程炭质页岩强度测试表

从2表可以看出，岩石软化在5 d后非常迅速，耐崩解指数显著下降，特别是裂隙发育和胶结相对较弱。有一定风化的岩石，随着浸泡时间的延长，其裂隙快速扩张，崩解很快。当然，结构相对完整且胶结较好的微风化或者新鲜岩石，其崩解相对不明显。

由于岩石的不均一性，同样钻孔取得的岩石具有的强度不尽相同，但是大致反映了一个趋势(图2)，随着浸水时间的增长，钙质页岩的饱和单轴抗压强度下降明显，软化系数大大降低，当浸泡10 d时，软化系数为0.25。

由于西藏温差大，日均温差一般在10～20 ℃，冻融作用突出，特别是在露天开挖的情况下，岩石很容易产生冻融崩解，以炭质页岩为例。炭质页岩属于一种软岩，节理裂隙多，遇水易于软化，通过现场试验，经过近5个月的现场冻融，在冰雪和冻融的作用下，新鲜的岩石崩解(图3、4)，而冻融对闪长玢岩的强度影响相对较小。

图2 钙质页岩软化系数随浸泡时间的变化趋势

图3 隧洞掌子面新鲜的炭质页岩

3 高寒地区软岩对施工的影响分析

以西藏某地下工程为例，对施工的影响主要表现在以下方面：

(1)容易产生超挖。在施工过程中，虽然采取了控制爆破，例如光面爆破等，但是由于岩石本身的强度低，水理性差、变形大，因此，当受到轻微扰动，爆破过程中的爆破振动难免对爆破设计轮廓线一位的围岩产生影响，围岩就会产生变形或者破坏。在排危过程中，岩块沿结构面坍塌的可能性很大，导致超挖。在西藏某工程主洞为马蹄形断面，开挖断面最大宽度5 m，高度5 m，软岩洞挖过程中，边顶拱超过平均超挖近40 cm，超挖量超过允许值的100%(规范允许超挖20 cm)。

图4 通过5个月露天冻融的炭质页岩

(2)严重泥化。泥化主要存在于底板。西藏某些软岩，在有水的情况下，很容易软化和泥化。例如，西藏某隧洞施工(图5)，由于软岩的存在，在不采取施工底板保护措施的情况下施工作业，特别是在车辆和反铲等设备的扰动下，大面积发生泥化，造成局部低于设计高程约1.7 m，引发严重的超挖。

(3)工程滞后、成本增加且工期延长。 由于超挖及泥化等现象的存在，势必采取施工措施，导致

图5 软岩遇水泥化

(4)存在质量隐患。 由于软岩的存在和对水的敏感性，施工过程中的水、地下水均有可能对软施工成本增加。例如，采取超挖超填、淤泥清理和保护措施等。因此，影响施工进度，导致工期延长。岩造成影响，引起岩石软化和泥化，导致施工质量的隐患。

4 施工对策

软岩具有容易变形、水理性差、易泥化等问题。因此，在施工过程中，主要的对策有：

(1)及时支护和封闭围岩。开挖后及时验收，跟进支护[3]。对于围岩有钢拱架的部位做到每循环及时支护、封闭。对于Ⅱ、Ⅲ围岩及时喷护混凝土进行封闭，避免受到潮湿空气等的影响产生软化。根据软岩崩解试验，建议一般Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖后1～2 d进行封闭，Ⅱ、Ⅲ类围岩不宜超过5 d[4]。底板开挖50～150 m左右暂停进尺，立即对底板进行清理，并浇筑垫层混凝土进行封闭。

(2)加强排水。施工过程中要采取集中排水与随机排水相结合的方式加强排水。集中排水主要根据地下水和施工用水的情况，按照一定的间距设置集水井进行集中排水。随机排水主要是在有较大地下水时，进行随机的引排，遇到较大的涌水点，增加排水孔，并将排水孔直接连接到排水沟中，减少岩层裂隙水对软岩的影响。

(3)底板开挖预留保护层，加强底板保护。开挖过程中，预留30 cm保护层，以减少施工过程中底板围岩泥化对建基 面产生的影响(图6)。

图6 隧道底板预留保护层开挖(单位：cm)

(4)严格控制爆破。爆破施工过程中做到精细化管理：一是爆破制度精细化，严格执行规范和行业标准，全过程实施监控，加强人员技术的培养和深造；二是爆破安全控制精细化，确定安全控制的关键点，细化并明确各个环节工艺流程的安全操作程序，使安全在整个生产过程中处于受控状态；三是爆破质量控制精细化，实施严格的光面爆破(图7)[5]，从爆破设计到施工各个环节做好精细，特别是对周边眼的间距控制与装药结构严格要求，适当根据地质情况，采取个性化装药，减小对围岩的扰动。

(5)加强监测。软岩变形必须在开挖后进行必要的监测，地下工程必须根据洞室断面尺寸进行围岩变形监测，笔者认为西藏地下工程围岩监测有条件时可以适当提高标准，增设现场监测项目，扩大监测围岩的类别。例如，规范规定内地洞径小于5 m时，只需要在Ⅴ类围岩进行监测，西藏地区围岩监测范围可以适当扩大，在Ⅳ、Ⅴ类围岩均需进行现场必要监测。总之，监测范围必须高于标准并严于内地。

图7 光面爆破钻孔布设图

5 结 语

施工中经常遇到软岩，软岩的强度低、变形大、水理性差是软岩的突出特征，是一个棘手的工程地质问题。在西藏许多工程实践中，都遇到了软岩变形、软化、泥化和冻融等问题。笔者以西藏某水利工程为例，进行软岩软化性能研究，对施工过程中产生的超挖、严重泥化、工期延长和质量隐患等进行分析，有针对性地采取措施，严格爆破施工、及时封闭围岩、加强集中和随机排水、预留保护层、加强现场监测等，保证了工程的顺利推进，节约了施工成本。