关于巷道（隧道）大变形的研讨
1、岩土工程：我国《岩土工程基本术语标准》中将岩土工程定义为“土木工程中涉及岩石、土的利用、处理或改良的科学技术”。
中国土木建筑百科词典对岩土工程的释义为：“以工程地质学、岩体力学、土力学与基础工程学科为基础理论，研究和解决工程建设中与岩土有关的技术问题的一门新兴的应用科学”。
美国地质协会的《地质词典》及《韦伯斯特大词典》上：“运用科学方法和工程原理，使地球更适应于人类居住条件，以及为了勘探资源与利用资源的一门学科。”
2、大变形定义 ：隧道及地下工程围岩的一种具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏。 软弱围岩大变形现象为一种在隧道开挖过程中与时间、空间有关的大变形，与围岩的弹粘塑性时效力学行为具有很大程度的关联性，表现为在工程扰动力作用下，引起显著粘塑性变形,变形量的绝对值大小超过洞室预留变形量，变形持续时间长，可归属于变形速率较快而收敛速率较慢的非线性变形范畴。
3、地质软岩与工程软岩及其关系：
地质软岩：按地质学的岩性分地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响而著或含有大量膨胀性粘上矿物的松、散、软、弱岩层,该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩,是天然形成的复杂地质介质。
工程软岩：指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。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。
工程软岩和地质软岩的关系：当工程荷载相对于地质软岩(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,即不作为工程软岩,只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩,才一作为工程软岩;在大深度、高应力作用下,部分地质硬岩(如泥质胶结砂岩等)也呈现了显著变形特征,则应视其为工程软岩。
4、 巷道（隧道）大变形发生的地质环境（岩性、地应力、构造等）
地质环境：（1）地形地貌
矿山隧道的所处的特殊地形地貌，影响巷道发生大变形；
（2）地质构造
对于经历了多期次、多阶段的变质作用和岩浆活动，地质构造复杂的地段开挖巷道，就会容易引起巷道的大变形。
（3）水文地质
岩体含水量增大，膨胀体积增大，形成膨胀力，加之隧道开挖卸荷，应力重新调整，在膨胀力的作用下围岩向洞内变形，进而导致巷道发生大变形。
岩性：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、如：破碎岩体、黄土、炭质板岩、震区软岩、云母岩、砂泥岩、泥岩、页岩、千枚岩、泥灰岩、片岩、煤层等。
受围岩岩性控制的围岩大变形主要针对膨胀性软岩及挤压性软岩。
主要性质：
（1）可塑性：可塑性是软岩在工程力的作用下产生变形，去掉工程力之后这种变形不能恢复的性质。
（2）膨胀性：软岩在力的作用下或在水的作用下体积增大的现象,称为软岩的膨胀性。可分为内部膨胀性、外部膨胀性和应力扩容膨胀性。
（3）流变性（粘性）：是指物体受力变形过程与时间有关的变形性质。流动又可分为粘性流动和塑性流动。
（4）崩解性：低应力软岩和高应力软岩、节理化软岩的崩解机理是不同的。
（5）易扰动性：软岩的易扰动性是指由于软岩软弱、裂隙发育、吸水膨胀等特性。
地应力
：深埋隧道垂直地应力大；浅埋隧道偏应力大，受构造应力影响显著；分为地质偏压、
地形偏压、施工扰动偏压；
构造：软弱夹层、断层、节理切割劣化。地质构造会影响隧道工程的长期稳定性，应尽量避开 常见的情况：小断层、褶曲、不整合面、顺层滑动面和岩脉等。
地应力对大变形发生的影响：地应力是存在于地层中未受工程扰动的天然应力，是引起岩石开挖工程变形破坏的根本作用力。
地质构造对大变形发生的影响：构造应力—由构造运动引起（板块、火山、升降），现代构造应力；地质构造残余应力。
构造应力特点：1）分布不均，在构造区域附近最大；2）水平应力为主，浅部尤为明显；3）具有明显的方向性；4）坚硬岩层中明显，软岩中不明显；
地质构造引起应力场大小、方向的变化；
地质构造引起岩体物理、力学性质发生变化。
5、大变形巷道的变形特点：
(1)变形量大、持续时间长。
巷道顶板下沉量大，变形速度快，持续时间长，变形量均在80-100mm以上，持续时间一般为20-40d。
(2)围岩自稳时间短。
所谓自稳时间，就是在没有支护的条件下，围岩从暴露起到开始失稳而冒落的时间。大变形巷道的自稳时间仅为几十分钟到几个小时，巷道来压快，且呈四面来压，要立即支护或超前支护，方能保证巷道围岩不致冒落。
(3)变形不对称性。
部分巷道帮部变形会呈现不对称性，巷道会出现向一边收敛的趋势。
(4)一般的刚性棚式支护普遍被压坏。
其中以棚架顶梁的破坏最为明显，棚架柱腿则由巷道两边向中心收敛。这说明了刚性支护在大变形巷道的应用局限性。
(5)底鼓。
巷道底部出现大量的底鼓现象，并且底鼓的出现与顶板下沉、帮部收敛同时发生，相互影响，形成恶性循环。
(6)巷道围岩对扰动极为敏感。
当受到采动等影响时，围岩会发生剧烈的变形，甚至整体失稳破坏。
(7)风化、潮解现象。
巷道围岩表面由于大量的亲水性矿物的存在，风化、潮解现象严重，进一步加剧了巷道的变形。
6、从地质条件分析，产生大变形的原因可能有三种: 软弱围岩类、构造改造型大变形、浅表生改造型大变形。
软弱围岩类、构造改造型大变形、浅表生改造型大变形、围岩大变形的特点:
软弱围岩类：
1、围岩的物质条件为强度低的软岩类，在结构上岩体具原生结构的特点，这类围岩也包含了软岩中具有膨胀性的岩石。
2、围岩环境条件为不同程度地存在高地应力问题，地应力达16～21MPa，由于围岩强度低，形成了很高的应力强度比。
3、围岩的变形破坏主要为围岩的挤出作用，而具有膨胀性的软岩的膨胀作用并不显著。
4、地下水的存在，对软岩的软化作用在围岩大变形中发挥很重要的作用。
5、围岩变形破坏的模式主要为塑性流动、弯曲变形。
挤压性软岩工程特征描述如下：
1 围岩级别低，一般为Ⅴ～Ⅵ级；
2 岩体抗压强度低，考虑试件尺寸和节理影响后，强度更低。
3 显著的塑性，挤压围岩的塑性表现在四个方面:
变形量大，在高地应力挤压情况下，洞壁位移可达数10cm，甚至100多cm；
变形时间长，尽管初期的变形速度快，但延续时间长。
基本不出现松弛压力，作用在支护上的是变形压力，虽然地层变形量大，但围岩系整体挤压移动而不松弛。
隧道的塑性区范围大。
构造改造型大变形的特点是:
围岩岩体的特性是岩块的强度较高，但结构面发育，为断层带碎裂化岩体，或者在硬岩中不规则地发育有多组、多种性质的软弱结构面或软弱带，岩体破碎。
围岩一般处于较高的应力状态，围岩因高围压而紧密闭合；而在开挖卸荷后，结构面易于张开滑移，因此，岩体强度远低于岩石强度。
围岩变形破坏演化机制表现为渐进和累进性发展的，其变形破坏模式表现为塑性契体挤出、结构流变等。
浅表生改造型大变形的特点是:
遭受浅表生改造作用岩体所处的地应力总体上不高，但在局部也可形成地应力集中现象。 在地表移动的破碎岩体中的大变形是一种近似于散体结构的围岩岩体，围岩未进行充分的支护，将使围岩的松动圈不断累进性地扩展，最终导致大变形的发生，产生变形可以贯穿到地表 人工采掘扰动控制型大变形的特点是:
由于人工采掘活动产生的采空区的变形，导致在采空区上部修建的隧道工程产生的大变形是一种特殊的围岩大变形类型。
采空区变形引起上部岩体变形具有沉降盆地变形的特点，隧道工程处于陷落区、下沉区以及接触部位不同的区域具有不同的变形形式和特点。由于沉降盆地变形的时间效应特点，围岩变形过程也具有明显的时间效应特点。
地下采空区发育的位置、产状、分布特点控制着上部围岩大变形特征和剧烈程度。
工程应力的影响
7、大变形按实际工程分类：
1.深埋软岩隧道大变形
2.浅埋深大偏应力
3.黄土隧道
4.煤质及炭质板岩隧道
5.强震区软岩
6.水工隧道大变形
8、巷道（隧道）大变形发生的力学机理，实际工程中为各种力学机理的组合。主要可分为以下几类:
1）偏应力造成的大变形：浅埋巷道的地质偏压、地形偏压、施工扰动偏压水、气造成的偏压
深埋巷道：构造应力偏压、地质偏压、施工扰动及水、气造成的偏压。
2）深埋巷道：埋深过大形成大应力是大变形的主要原因。高应力超过岩体屈服极限使岩体发生较大塑性、流变变形。
3）软岩巷道中形成的大变形，软岩塑性变形、流变，软岩挤出、整体收缩等。
4）亲水矿物产生膨胀应力。
5）破碎围岩在高应力条件下，虽然岩体强度较大但被多个结构面切割的岩体在高应力作用下结构面间出现较大位移而产生大变形。围岩一般处于较高的应力状态，围岩因高围压而紧密闭合；而在开挖卸荷后，结构面易于张开滑移，因此，岩体强度远低于岩石强度。
6）岩体中主要结构面导致的大变形：结构面张开、闭合，结构体滑动、滚动、弯曲等造成大变形。
7）工程应力的影响，如巷道底部存在采空区造成开挖后巷道不能稳定，爆破震动、初期支护拆换等。
8）局部水压及气压力的作用。当支护和衬砌封闭较好，周边局部地下水升高或有地下气体（瓦斯等）作用时，支护也会产生大变形，这种现象并不多见。
9）土砂围岩的挤密和松弛变形。
9、按实际工程分类：挤压性围岩、采动巷道深井巷道、非对称变形机理
挤压性围岩隧道大变形变形机理
研究表明，当强度应力比小于0.3～0.5 时，即能产生比正常隧道开挖大一倍以上的变形。此时洞周将出现大范围的塑性区，随着开挖引起围岩质点的移动，加上塑性区的“剪胀”作用，洞周将产生很大位移。高地应力是大变形的一个重要原因。在埋深大、地壳经历激烈运动，地质构造复杂的泥岩、页岩、千枚岩、泥灰岩、片岩、煤层等都容易出现较大的挤压变形。 采动巷道围岩大变形机理
由于采动影响而导致巷道围岩大变形主要是由于采动巷道围岩应力重新分布。在巷道开挖后，由于扰乱了原岩应力的平衡状态，从而导致原岩应力重新分布，这时候巷道将产生一部分初期变形。在受到采动影响之后，巷道围岩应力将会再次重新分布，顶底板及两帮岩石力学性质及其破碎程度严重影响围岩应力的重新分布，导致巷道大变形的发生
深井巷道非对称变形机理
在深部倾角较大的岩层中开挖的巷道,其围岩变形往往表现出明显的非对称变形现象,非对称变形是指巷道左右两侧的变形量不一致,一侧变形量大而另一侧变形景小,导致巷道整体向一侧偏斜。而在浅部巷道或岩层近水平时这种非对称变形现象并不明显。深部甚道非对称变形的所需要必要条件包括以下三个方面：
(1)若岩层为分层结构,且各分层间为非均质,各分层间的岩性差异较大,软硬岩层间隔分布;
(2)各分层岩层的厚度与巷道宽度接近;
(3)岩层是倾斜的
因此,倾斜、层状和非均质若层结构,是巷道非对称变形的根本原因,巷道断面内围岩结构的不对称性导致了巷道围岩变形的不对称性。
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、按围岩变形机制分类：
（1）结构面的张开和闭合变形
结构面的张开或闭合变形是指围岩中的断层、节理、层面、溶蚀裂隙等各种结构面在加载或者卸载的作用下发生闭合或者张开，从而引起的围岩变形。围岩中的各类结构面，在隧道开挖前处于不同的张开程度，有的闭合，有的微张开，有的张开较大。隧道开挖后，围岩应力发生重新调整，切线方向的应力增大，处于加载状态，结构面的张开度将减小；而法线方向的应力减小，处于卸载状体，结构面的张开度将增大。如图2所示，不同产状的结构面在隧道不同部位将出现不同的变形状态，水平向结构面在隧道拱顶和拱底在切向应力作用下以张开变形为主，表现为拱顶下沉和拱底鼓出，而在隧道两侧的水平向裂隙在切向应力作用下则主要以闭合变形为主。
（2）结构面的滑动变形
结构面的滑动变形是指岩块沿着各种不连续界面，如断层、裂隙、层理等结构面发生滑动，从而引起围岩向着临空面方向的变形，如图4所示。
滑动变形是块状围岩的主要变形形式。在块状围岩中，隧道周边大大小小的岩块在隧道开挖后都会向着临空面发生或多或少的移动。块体的滑动需要有滑动空间，其常受到周边岩体的限制，因此,滑动变形的大小受块体大小、块体的组合方式、临空面的大小等因素制约。
式中S和T分别为接触面上的下滑力和抗滑力，A为接触面积，如图5所示。
（3）块状围岩的滚动变形
滚动变形是指块体绕着某个支点向临空面方向发生转动，从而引起围岩的变形，如图6
所
示。
滚动变形和滑动变形是块状围岩的两种主要变形形式，块状围岩中，往往同时发生块体的移动和转动。滚动变形和滑动变形一样，也受块体大小、块体组合方式、临空面的大小等因素制约。
（4）层状围岩的弯曲变形
弯曲变形是指层状围岩受力向临空面发生弯曲，从而引起围岩的变形，如图8所示。弯曲变形是层状围岩常发生的变形形式。在水平岩层中，隧道底部岩层的弯曲变形常引起底鼓，而在竖直围岩中，隧道边墙岩层的弯曲变形常引起边墙的鼓出。
(5)软弱夹层的挤出变形
软弱夹层的挤出变形是指软弱夹层在隧道开挖后，在切向应力的作用下，向临空面方向的挤出变形。
（6）土砂围岩的挤密和松弛变形
土砂围岩的挤密和松弛变形是指隧道周边的土粒或者砂粒在加载或卸荷作用下发生挤密或者松弛，从而引起的围岩变形。隧道开挖后，围岩应力发生重新调整，切线方向的应力增大，处于加载状态，土粒或者砂粒之间的空隙将减小而发生挤密；而法线方向的应力减小，处于卸载状体，土粒或者砂粒之间的空隙将增大而发生松弛。
挤密和松弛变形不仅是土砂围岩的主要变形方式，也是一些碎裂结构和散体结构围岩的主要变形方式。挤密和松弛变形的大小主要由土砂的压缩性，以及围岩应力状态的调整程度确定。
11、控制技术（按围岩应力、强度及支护）：围岩应力、围岩强度和支护状况是决定巷道围岩稳定性的三个基本要素，与此对应，降低巷道围岩应力、改善围岩力学行为特性以及采取合理的支护措施是巷道围岩控制的基本途径。
1 降低巷道围岩应力
(1)使巷道处于低压区。
（主要包括：沿空巷道、进行跨巷回采、掘前预采、在采空区内形成巷道、采用宽面掘进等）
(2)将巷道布置在性能良好的岩层中。
（性能良好的岩层指：具有强度高、完整性好、均质性强、地质赋存条件稳定等特征的岩层）
(3)巷道卸压。
（主要方法有：钻孔卸压法、切槽卸压法、爆破卸压法等）
(4)巷道通过地质构造带时，巷道轴向应尽量垂直断层构造带或向、背斜构造。
(5)相邻巷道或硐室之问选择合理的岩柱宽度。
2 改善围岩力学性质
（1）改变围岩的构造特征。
改变围岩的构造特征，提高其完整性，从而达到提高其强度的目的。现国内外主要采取的措施包括注浆、喷层、铺固等。
（2）改变巷道围岩的受力状态。
由于岩石的本质是一种抗压不抗拉的材料，故应尽量避免岩体处于拉伸的状态，而发挥其抗压的特点。
采取的主要措施包括：根据不同的地应力特征而灵活的选取巷道方向及断面形状，同时采取有效的支护措施，以使围岩处于三向受力状态。
3 采取合理的支护措施
从目前对巷道支护的形式来看，主要分为三大类，第一类即是以木棚支架、金属型钢支架等进行的被动支护；第二类为以锚喷支护、锚网支护等为主的改善围岩力学性能的积极支护形式；第三类便是以锚杆描索及注浆加固的主动支护。
4 合理的开挖工艺
软岩隧道开挖主要以台阶法和分部开挖法为主，分部开挖法主要有:环形开挖预留核心土法、中隔壁法、交叉中隔壁法、双侧壁导坑法。
5 加强量测与施工管理
12、从施工角度分类控制技术：隧道大变形施工控制技术及支护控制技术、减少对围岩的扰动。
一、 隧道大变形施工控制技术：
软岩隧道难于支护的一个重要的原因就是在于软岩隧道并非只具单一变形力学机制，而是一种同时具有多种变形的复合变形力学机制，造成大变形。成功控制软岩隧道大变形的一个关键因素就在于合理运用各种开挖方案和支护方案，将复合变形力学机制转化为单一力学机制。
（1）软岩隧道开挖技术
根据软岩隧的开挖原则，软岩隧道开挖主要以台阶法和分部开挖法为主，分部开挖法主要有:环形开挖预留核心土法、中隔壁法、交叉中隔壁法、双侧壁导坑法。各施工方案的适用条件及优缺点如下。
1）台阶开挖法
台阶开挖法是将设计坑道断面内的岩体分为上、下断面2部分，在一个作业循环内同时挖除，并始终保持上半断面超前下半断面形成一个台阶的开挖方法。也称为/微台阶开挖法。采用微台阶开挖隧道，应注意台阶的长度，台阶长度一般小于隧道跨度，约在3-8m左右，台阶长度小于3m时，无法正常进行钻眼和拱部的喷锚支护作业，台阶长度大于8m时，利用爆破将石渣翻至下台阶有较大困难。
微台阶法的优缺点:
将上、下半断面合为一个作业面同步开挖，可以有足够的工作空间和较快的施工进度。 微台阶法将隧道下半断面滞后开挖，既有利于开挖面的稳定和围岩的稳定，也给上部提供了一个工作平台，便于上部进行各项作业。
微台阶开挖法在遇到前方围岩地质条件的突变时，其防御性要好一些，且可以比较方便地转换为分部开挖法。
2）分部开挖法
分部开挖法是将设计坑道断面内的岩体分为几个部分，
并按一定深度在不同的作业循环时间
内先行挖除某一部分并试作初期支护，继而挖除其余各个部位并分别试作初期支护的开挖方法。CD法和CRD法是近几年从国外引进的先进施工方法，通过在国内的铁路隧道以及在城市地下工程的实践，证明这两种方法能有效控制变形，是通过软岩隧道的最有效的开挖方法，但是由于施作二次衬砌时需要全部拆除的，因此其施工成本费用相对较高，此外在拆除竖向临时支撑的时候，初期支护受竖向临时支撑的影响较大，拆除后易发生初支受力结构发生改变而产生破坏，所以如何拆除也是这两种方案的重点和难点。
分部开挖法的优缺点:
分部开挖法将隧道断面分为几个小断面逐次开挖，使每个小断面坑道的开挖跨度较小，小断面坑道围岩的相对稳定性显著增强，且坑道断面较小时也更便于进行围岩局部支护。
分部开挖法由于作业面较多，各工序相互干扰较大，且增加了对围岩的扰动次数，若采用钻爆掘进，则更不利于围岩的稳定，施工组织和管理的难道亦较大。
导坑超前开挖，有利于提前探明地质情况，并予以及时处理。但若采用的导坑断面过小，则施工速度较慢。
3）软岩隧道开挖注意事项
在软岩中开挖隧道应注意以下事项:
由于软岩隧道岩体软弱，因此必须实行分分部开挖或短台阶开挖；严格控制每一开挖次序的循环进尺；开挖后必须立即支护；
开挖后应对掌子面、洞周围岩，特别是拱顶部位进行仔细检查，有无与洞轴线近似平行的隐蔽裂隙或滑落休，及时清除可能滑落的岩块；
对于泥岩在拱部以薄层出现时，必须挖除，完成上述作业后才可封闭岩面；施工水管线不得漏水，开挖作业面不得有积水；地下水必须以固定的排水沟立即排出；排水沟必须用水泥砂浆制作，不得渗水入岩体；有地下水段，底拱及时用临时防渗的混凝土封闭。对地下水丰富的地带应采取强排水措施，开挖面软岩隧道大变形施工控制技术无可观测到的流动水时方可进行开挖施工；在开挖时，如果遇到地下水涌出，要立即停止掘进，并采取有效措施，防止围岩失稳。
二、软岩隧道支护技术[11]
大变形巷道支护原则
1 圆形巷道原则
圆形巷道的支护结构的承载能力比矩形巷道要大，采用圆形断面可以有利于提高巷道围岩的自稳能力，提高支护效果。
2 全断面支护原则
大变形巷道支护所承受的荷载主要来自松动围岩的变形压力，它来自于巷道的四周，包括巷道的底板。
3 高预紧力原则
高预紧力的锚杆支护才能才能有效控制围岩的变形与破坏，避免二次支护和巷道维修。 4 二次支护原则
为适应大变形巷道的变形特征，应采取二次支护的方法，在锚杆支护完成后，根据锚杆-锚索耦合原理，选择合适的时间，在巷道的关键部位加打锚索，完成二次支护。
5 喷浆封闭原则
喷浆封闭指当围岩体自身含有大量的亲水性矿物时，围岩体一旦与水接触后会发生软化，因此应当在巷道围岩的表面采用喷浆封闭的施工措施，可以提高锚杆支护的整体效果。
6 注浆控制原则
注浆控制技术是指当围岩体内部含有水分较多时，仅仅通过在围岩体表面采用喷浆封闭技术是不够的，随着围岩变形压力的增加，容易造成浆皮开裂的现象，需要对围岩体内部的裂隙及水分进行加固和防治，最好的措施就是采用注浆式锚杆。
支护技术汇总：
根据软岩隧道的支护原则，在软岩中常用的支护方案有:锚杆支护、喷射混凝土支护、钢拱架支护、超前支护和注浆加固等。此外根据软岩隧道初期支护变形量大、变形速率大、变形持续时间长、破坏形式多样，以及围岩破坏范围大等特点。当开挖引起的围岩扩容不可避免时，允许围岩发生适度的变形，这样可以降低作用于结构上的支护压力，从而减少超挖量并降低支护强度，亦可采用可缩式锚杆、可缩钢架、喷射混凝上预留间隙特殊支护技术。
（1）锚杆支护
锚杆是高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件，它是使用机械装置或粘结介质，将其安设在隧道围岩体中，利用杆端锚头的膨胀作用或灌浆粘结，增加岩体的强度和抗变形能力，从而提高围岩的自稳能力。
锚杆对岩体的加固作用机理比较复杂，主要表现在:
1、悬吊理论
机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。
2、组合梁理论
机理：将锚固范围内的岩层挤紧，增加岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。将几层薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。在上覆岩层
载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。 缺点：将锚杆作用与围岩的自稳作用分开；在顶板较破碎、连续性受到破坏时，难以形成组合梁。
适用条件：层状地层、顶板在相当距离内不存在稳定岩层，悬吊作用处于次要地位。
3、组合拱理论
机理：在破碎区安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要铺杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。
缺点：一般不能作为准确的定量设计。
适用条件：顶板无稳定岩层
2）喷射混凝土支护
喷射混凝土是使用混凝土喷射机，将细石混凝土材料和速凝剂，按一定的配合比，混合并喷射到岩壁表面上，并迅速固结成混凝土结构层，从而对围岩起到支护作用。喷射混凝土可以与各种形式的锚杆、钢钎维、钢拱架、钢筋网等构成复合式支护结构。喷射混凝土在软岩隧道中是不可缺少的，一方面作为柔性支护，起到限制洞室周边围岩向外挤出的作用，另一方面，喷射混凝土还将锚杆钢架等支护连成整体。在喷混凝土支护中有一个很重要的问题是，在喷层应具有一定柔性的同时，还必须在其刚刚受载时间内具有一定的强度，即喷射混凝土要适应岩体变形的时间过程并要求对混凝土强度、凝固和硬化时间给予重视，以便喷射混凝土与锚杆、钢架支撑、钻孔和爆破作业相结合。
3）钢拱架支护
当围岩软弱破碎严重，其自稳性差，要求初期支护具有较大的刚度时，柔性较大而刚度较小的锚杆及喷射混凝土就难以应付了。在这种情况下，为了有效控制围岩的变形，并阻止变形过度和承受围岩早期松弛荷载，防止围岩因变形过度而产生坍塌，就必须采用钢拱架这种刚度较大的结构作为初期支护。采用钢拱架或小型钢管棚架就成为必要的措施，并使之与喷射混凝土和锚杆共同工作。钢拱架因整体刚度和强度均较大，对围岩松弛变形的限制作用更强，可及时阻止有害松动，也可以承受己发生的松弛荷载，保证隧道稳定与安全，还可以作为超前支护的反支点。
性能特点:
钢拱架的力学性能是整体刚度较大，可提供较大的初支支护阻力。钢拱架所提供的支护阻力大小与其构造形式和截面尺寸有关，也与其架设时机有关。
钢拱架可以很好与锚杆、钢筋网、喷射混凝土相结合，构成联合支护，增强支护的有效性，且受力条件较好。尤以格栅钢架结合最好。
钢拱架的架设安装比较方便快捷。当围岩变形较大时，还可以设置可缩性接头，以减小支护阻力，适量释放围岩内应力。
4）超前支护
在变形量较大的围岩中，如光靠开挖后施作支护结构并不能很好地起到应有的支护作用，为了保证隧道开挖的施工安全、防止变形过大而影响洞室稳定，还必须采取应有的超前支护措施，目前针对大变形围岩隧道较为普遍的超前支护有以下三种:
超前锚杆:在隧道周边，未开挖先施作超前锚杆，超前锚杆与隧道围岩相互作用，通过借助锚杆下方完整岩体，对锚杆上方的岩体起到向上的支撑作用，从而防止上方岩体塌落。
小导管预注浆:先用喷射混凝土将开挖面和一定范围内的隧道周边岩面封闭，然后沿隧道周边轮廓想前方围岩内打入带孔小导管，并通过小导管想围岩内压注起胶结作用的浆液，待浆液硬化后，隧道周围岩体就可形成一定厚度的加固圈。超前小导管注浆，对围岩加固的范围和加固处理的程度是有限的，注浆压力较低。因此，超前小导管注浆主要适用于渗透系数较大的无地下水或水量和压力较小的一般软弱破碎岩体的地层条件。若用于渗透性差的地层，则容易形成跑浆，即浆液沿管外与孔壁之间形成回流。
管棚:当围岩十分软弱、破碎、变形量很大时，一般在特大变形的条件下，可以采用长管棚的超前加固措施。
5）注浆加固
压力注浆加固，是在各种大小压力下使水泥浆液或化学浆液挤压充填土的孔隙或岩层缝隙。压力注浆按注浆压力大小可以分为渗透注浆和劈裂注浆。渗透注浆是针对岩体，而劈裂注浆是针对土体。对于软岩一般采用渗透注浆。渗透注浆是在有一定渗透性的地层，如破碎岩层、粉砂岩等地层中，采用中低压力将胶结材料压注到地层中的空穴、裂缝、空隙里，待其凝固后，岩体的结构体被胶结为整体。
作用机理:
由于浆液被压注到岩体裂隙中并硬化后，1、将岩块胶结为整体，起到了加固围岩增强其稳定能力的作用；2、填塞了裂隙，阻断了地下水渗流的通道，起到了堵水作用。
6）喷射混凝土预留间隙支护
为了使喷射混凝土具有更大的抗变形能力，避免混凝土喷层的过度破坏，采用间隙喷射方法即按一定间隙，沿隧道纵向预留一定的间隙来改善喷射混凝土支护的柔性，当喷射混凝土被锚杆、钢架牢牢地固定时，这些间隙允许隧道发生一定的径向变形，从而可适当减轻支护受到的围岩压力，间隙的宽度及间距应根据位移大小而定，一般纵向间距为1.0~3.Om，间隙的大小为10~20cm。
7）可缩式钢架支护
在格栅或型钢钢架中，按一定间距预留20cm宽的伸缩缝，一般采用摩擦型或弹性型，当钢架支撑的受力达到某一程度时，伸缩缝即可随之发生收缩变形，这样可以达到使钢架即有一定的刚度，同时又具有一定的抗变形能力，从而较好地适应大变形的特点。其预留伸缩量一般为20cm，伸缩缝的环向间距为3.0一4.0m，施工时可缩接头处预留20cm左右宽的部位暂不喷射混凝土，待可缩接头合拢或围岩变形基本稳定后，再将预留接头部位喷满混凝土。
8）可缩式锚杆支护
目前，一般常规采用的锚杆均为不可收缩的刚性锚杆，若在大变形条件下采用，则不能很好的适用围岩的变形，起不到很好的支护作用。在大变形条件下应采用可缩式锚杆，即在锚杆中间设置一个伸缩缝，伸缩段的长度一般为20一30cm，缩量10一20cm，其收缩部件仍采用摩擦型和弹簧型两种，每根锚杆只设一个伸缩接头。可缩支护系统允许围岩中形成一定范围的塑性圈，因此它只能适应围岩的适度变形，如果变形超过支护体系的允许范围，仅靠这类支护结构一般是很难抵挡围岩的巨大压力的，施工中必须还要和超长注浆锚杆结合起来使用，使开挖轮廓面附近一定的范围内的围岩和人工施加的各种支护体系共同构成一个强有力的天然一人工复合承载拱，才-会起到更好的效果。
13、施工中控制大变形具体措施
大变形的隧道，首先对预留变形量进行预测，留足变形量，宁大勿小，避免二次拆换。
1）短台阶，即上台阶5～7m，预留核心土，下台阶15m，二衬紧跟，是针对大变形隧道合理的施工方法，因为它尽早提供了支护成环的时机。
2）断面：针对偏压力合理设计断面，尽量做到巷道长轴与主应力方向一致。
3）合适的施工工艺：在软弱围岩施工中，引起软弱围岩发生大变形的原因有许多，比如应力场的分布，这属于外因，围岩本身的物理、力学性质属于内因；而断面形式、支护设计参数、施工工艺的选择，属于诱发因素。工程软岩的应力释放或者说是变形规律与施工工艺的选择是息息相关的；选择合适的施工工艺将会给施工带来极大的便利。
4）强支护。初期支护、二次衬砌足够强，在围岩长期变形不收敛的情况下，允许变形，但必须约束，而且要有效及时的约束。
5）早封闭。是强支护的基础。考虑施工干扰、工作效率等因素，只要合理搭配，科学组织，有序施工，仰拱距下台阶15m左右，衬砌距工作面50m是可以做到的，控制变形很有效。
6）勤量测。量测是指导施工的“眼睛”，要把量测当做主要工序来安排和管理，并及时析、反馈、指导施工。加强施工地质预报，设立日常量测管理体制及管理基准。
7）重锚杆。不仅是锚杆的数量，尤其是注重锚杆的质量，特别是2m以上的锚杆，从施工
机具到注锚的工艺比较薄弱，必须予以重视，在设备选型配套上下功夫，从根本上解决此问题。
8）快衬砌。挤压性大变形围岩，一时很难达到稳定，据测算，乌鞘岭隧道的收敛变形要达到稳定约需1年时间，要等到围岩稳定后施作二衬不现实，要快衬，用强的二衬结构抵抗余存的变形压力。
9）超前支。合理采用超前锚杆、导管注浆、管棚等超前支护，控制初期变形。
10）抓重点。防止衬砌开裂的措施，加强掌子面、基脚。
14、新奥法：新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。
基本原理
充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用以锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护结构的监控、测量来指导地下工程的设计与施工。
主要原则
（1）充分保护围岩，减少对围岩的扰动。
（2）充分发挥围岩的自承能力。
（3）尽快使支护结构闭合。
（4）加强监测，根据监测数据指导施工。
可扼要地概括为“短进尺、弱爆破、紧封闭、早喷锚、勤测量”
因为隧洞的主要承载部分是围岩，支护结构起到发挥和保护围岩承载能力的作用。在静力学理论中，隧道的结构可视为岩体承载环和支护衬砌组成的圆筒结构，承载环的闭合起到了关键作用，因此围岩和衬砌的整体化应在初期衬砌中就及早完成，保证衬砌环的稳定与完整。从应力重的分布来考虑.全断面掘进是比较理想的开挖方式。因此，施工方式归根结底要把握一个出发点，那就是保护，调动和发挥围岩的自承能力，在此基础上根据工程实际条件灵活地选择施工及辅助手段。
新奥法实质是利用围岩自承能力,使围岩本身形成支承环。
15、考虑我国特有的地质特征，针对隧道施工特点，逐步形成了具有我国特色的软弱围岩综合支护体系，即:
综合治理
联合支护
长期监控
因地制宜
16、软弱围岩隧道大变形控制设计理念
柔性结构设计和刚性结构设计，两者的设计理念是完全相反的。
(l)柔性结构设计理念
l)先行导坑法
即先掘进比较长的导坑，传统意义上，平行导坑的作用在于为正洞开挖探明地质，不仅具有分部开挖的特点，还可利用导坑解决排水问题，导坑挖通后，还可改善洞内通风条件。平行导坑在穿越高地应力软岩中具有释放应力、减弱正洞围岩变形破坏程度的作用。
2)多重支护方法
为了确保设置多层支护的变形富余，在掌子面先设置第一层支护，然后在距掌子面后方
3.OD左右的位置设置第二层支护。本方法的概念是一次支护发生屈服，但因设置二次支护，地压和支护反力得到平衡。
3)可缩式支护方法
隧道开挖后及时施作支护，防止围岩松弛，隧道围岩压力增大，通过可缩式锚杆、可缩钢架等支护体系可形成更大的变形，释放围岩压力，保持支护结构完整的围岩压力与支护抗力平衡。
4)分阶段综合控制法
系统锚杆和补强锚杆加固围岩，用锚杆分阶段控制围岩部分位移，同时钢架、分层喷射混凝土支护，分层施作二次衬砌。仅仅用设置的支护因刚性不足，难于控制位移，因此，为了提高支护刚性，分阶段地提高支护刚性来控制位移，使隧道趋于稳定。
(2)刚性结构设计理念
l)大刚度支护和衬砌结构
采用掌子面超前长大锚杆和周边系统长大锚杆、大型钢架和大厚度喷射混凝土支护。该方法采用刚性更大的支护结构来控制位移。也有在掌子面附近3m左右，浇注仰拱，甚至模筑混凝土结构达到早期闭合的工例。
2)大范围围岩加固法
采用超前注浆或旋喷支护，深孔大范围注浆加固补强隧道周边和掌子面前方的围岩，力求在减轻支护土压的同时，使掌子面附近早期闭合而控制位移的方法。
（3） 联合支护效应
在软岩隧道工程中，为适应地质条件和结构条件的变化，常将各种单一支护材料和结构，甚至将常规稳定措施与特殊稳定措施，按照一定的施工工艺进行组合形式，都必须是技术可行、受力合理、作用有效、费用经济的。
（4）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。
（5）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。由于以上原因的存在，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。尤其是在软弱破碎围岩条件下的实际隧道施工过程中，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、支护参数和施工速度等加以动态调整。
17、治理技术：
1.加固围岩（是对围岩注浆和施做超前小导管，以此来提高围岩力学性能，使隧道周边形成加固圈，由加固圈承受一部分荷载，从而可以控制大变形的发生 ）
2.加长锚杆（软岩隧道由其岩性决定其松动圈范围较大，因此在施工中必须加长锚杆，使锚杆进入围岩相对稳定的弹性区才能真正发挥锚杆的支护作用）
3.增大预留变形量（ 施工中应尽量遵循“先放后抗”的原则，适当增大预留变形量，防止初期支护向二次衬砌内侵入，同时有助于构造应力的释放 ）
4.实施控制爆破（施工中的爆破震动在一定程度上加剧了软岩隧道的大变形，因此应按照光面爆破等控制爆破形式进行设计和施工）
5.联合支护效应（地质条件和结构条件的变化，按照移动的施工工艺进行组合支护）
6.先护后挖
7.预防为主
巷道（隧道）大变形的治理技术
治理技术：施工方法调整和支护措施加强
已开挖段支护加强
未开挖段支护加强及施工方法调整
洞外减载反压
初期支护变形拆换
18、治理措施采取“洞内治理为主， 地表治理为辅”的原则，避免因地表开裂明显而误当成滑坡体治理。
洞内治理
（1）利用锚杆和钢拱架形成承载拱增加初期支护刚度
（2）增大预留变形量
（3）及时进行二次衬砌施工与初期支护结构体
（4）做好地下水疏干和排水工作
（5）初期支护变形拆换
（6）未开挖段支护加强施工方法调整，如微台阶法、分部开挖法
（7）加强监测，及时反馈变形信息，调整支护方案
（8）未开挖段超前支护,超前锚杆、管棚、小导管注浆、冻结法等加大围岩刚度
地表治理：
a、针对地形偏压的影响，在地表进行钢管桩加固；
b、注浆加固；
c、避免大的扰动和水的影响，施工钻孔时必须钻干孔以避免水对岩体的软化；
d、采取了控制爆破和监控量测的手段
e、洞外减载反压
何满潮根据围岩变形破坏特征、特征性矿物、力学作用和特点，将深部软岩按变形力学机制归为三大类：物化膨胀类、应力扩容类、结构变形类以及十三个亚类。
朱建明教授经过对国内外著名的14座隧道及地下巷道大变形的基本情况进行研究，并在前人的基础上进行总结，将围岩大变形分为以下三种类型：一是深部开采和深部地下工程，由于工程所处的埋深大，导致其岩体自重应力明显增大；二是地下开采活动引起的应力场叠加；三是岩体本身强度较低，属于膨胀性软岩大变形。
附加问题：
1、采动巷道大变形特征
巷道由三部分组成，分别为顶板、两帮、底板，这三部分的稳定性便决定着整个巷道的稳定性，其中任意一部分失稳将导致整个巷道的变形破坏。
1）顶板变形
顶板变形特征：规则冒落、不规则冒落、顶板弯曲下沉。
在巷道形成后，最初对其影响最大的是原岩应力及构造应力，构造应力主要为水平应力，对巷道顶板受拉伸、剪切作用大，容易造成巷道顶板卸荷，压力拱拱高增加，从而使压力拱下岩体的重量大于支护结构的强度，导致巷道失稳。
2）两帮变形特征
当巷道形成后,两帮均会受到不同程度的变形破坏,但就两帮的破坏形式而言主要：有压剪滑落式、重力滑落式、劈裂式等形式的片帮失稳现象。
（1）压剪滑落式片帮
当两帮较完整，能够提供一部分支撑强度，并在很强的压力作用下，两帮便会发生压剪滑落式片帮。
（2）重力滑落式片帮
两帮较破碎几乎没有支撑能力的情况时,在煤岩体的自重作用下将发生重力滑落式片帮。
（3）劈裂式片帮
两帮未完全破坏，且垂直于层理的裂隙较发育，在巷道形成后将失去横向约束，在压力的作用下两帮会发生压裂式破坏，从而产生劈裂式片帮。
3）底板变形特征
底鼓是煤矿巷道中一种常见的矿压现象,目前,人们已经根据巷道底板的不同力学特征,提出了 4种不同的底鼓破坏形式及机理,即：挤压流动性底鼓、挠曲褶皴性底鼓、剪切错动性底鼓、遇水膨胀性底鼓等。
（1）挤压流动性底鼓
这种底鼓方式主要发生在松软破碎底板中,主要是由于巷道周围存在应力软化区,而且存在大量裂纹,最终导致薄弱环节呈流态状突出。
（2）挠曲褶皱性底鼓
这种底鼓方式主要发生在薄层状底板中,主要是由于有三条裂纹垂直于层理方向,最终由
于应力较大,通过挤压的形式将完整的岩层挤断,呈铰接块向巷道内突出。
（3）剪切错动性底鼓
这种底鼓方式主要发生在完整厚层状底板中,主要是由于岩体在底层长期的沉积等地质运动中,出现了大量节理、破碎带等软弱构造面,故岩体本质上是非均质、各向异性的不连续体,故在较高地应力作用下从而可导致岩层呈楔块型三角块形式向巷道内突出。
（4）遇水膨胀性底鼓
这种底鼓方式主要发生在膨胀软岩中,主要是由于存在一些特殊的岩体,其中含有蒙脱石、伊利石等,在遇水后体积变大、强度软化,最终导致破坏的发生。
4）采动巷道围岩应力重新分布
在巷道开挖后,由于扰乱了原岩应力的平衡状态,从而导致原岩应力重新分布,这时候巷道将产生一部分初期变形。在受到采动影响之后,巷道围岩应力将会再次重新分布,且分布规律由一系列条件所限制,顶底板及两帮岩石力学性质及其破碎程度严重影响围岩应力的重新分布。
3、最大水平应力理论
机理：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动。
松动圈支护理论
开巷后变化：
（1）巷道周边应力集中；
（2）强度降低（围岩应力超过强度则岩石破坏，等于为极限平衡，小于则稳定）；
结果：
出现围岩松动圈。
松动圈越大支护越难
随着煤矿开采深度的增加，强度的增大，深部岩体力学性质的变化，深部开采巷道稳定性面临一些列挑战，如深部强动压巷道、深部软岩大变形流变巷道、深部高应力碎裂围岩巷道、特大断面巷道等，对锚杆支护和注浆加固方式提出了更高、更苛刻的要求。
传统的单一的支护模式已很难适应深部巷道高应力、大变形、显著流变、强动压、碎裂化的要求，需要采取联合支护模式，才能有效控制深部巷道围岩的变形。
4、大变形发生的地应力特征与地质构造
未采动过的围岩体是在地质历史过程中形成的，岩体具有复杂的性态并处于复杂的环境场(应力场、渗流场和温度场)之中，在人类工程活动之前，已处于相对的稳态平衡，而最终引起巷道大变形最主要是地应力的作用。
一般认为，地应力主要来源于岩体的自重应力和构造应力。而构造应力和开采造成的集中应力又几倍于自重应力，从而使得围岩处于高应力状态，高地应力问题是危及工程岩体安全和巷道大变形的主导因素。
而由于隧道埋深较大其上覆岩体自重应力随深度而增加，而且深部岩体在地质构造中也蕴含了较高的封闭构造应力于岩体中，开挖扰动引起岩体中原有的较高应变能快速释放，对于坚硬的围岩体会发生岩爆现象，对于软岩则表现为挤压变形。另外，软岩由于具有较低的岩体抗压强度和弹性模量等物理力学参数，层理比较发育，长期强度低等特点，泥质成分和结构面控制了软岩工程力学特性，受力容易产生显著粘塑性大变形。隧道的开挖，使变形能以变形的形式释放，宏观上表现为围岩的应力扩容。
（1）变形量大、持续时间长；
（2）围岩自稳时间短；
（3）变形的不对称性；
（4）刚性棚式支护普遍被压坏；
（5）底鼓；
（6）巷道围岩对扰动极为敏感；
（7）风化、潮解现象严重。
5、大变形监测
3.1.1监测目的
正常施工监测：保障施工安全与指导设计施工优化并重，兼顾为后期运营及其它隧道施工提供参考；
灾害监测：首先是确保抢险施工安全，其次是快速评价抢险措施的效果并进行优化，灾后通过特殊监测方案，评价结构的安全性。
3.1.2监测要求
正常施工监测：一般按照规范规定的较低的频率开展工作，有充足的时间和场地进行测点布设、测试和数据分析，对施工的干扰在可以接受的范围；
灾害监测：则要求尽可能快速布设测点，提高监测频率，快速分析数据，这与工程抢险的紧迫性形成巨大矛盾。
3.1.3 监测手段
一方面灾害监测对工程抢险具有十分重要的作用，另一方面，监测工作的开展又与工程抢险形成时间和空间冲突，这就对灾害监测的手段提出了更高的要求。灾害监测手段应具有快速布设、高频率采集数据、远程自动监测、对施工基本无干扰等优点。
3.1 变形监测