一、巖石力學(xué)的歷史回顧與軟巖工程的發(fā)展

    軟巖工程技術(shù)的研究屬于巖石力學(xué)的范疇。巖石力學(xué)這門學(xué)科是在20世紀(jì)50年代開始巖石物理學(xué)的基礎(chǔ)研究，到60年代，逐漸發(fā)展成的一門具有獨立體系的學(xué)科。這成為巖石力學(xué)在60年代廣泛用于工民建、采礦業(yè)而繁榮發(fā)展的標(biāo)志。1963年國際巖石力學(xué)學(xué)會正式成立，發(fā)展至今，國際巖石力學(xué)學(xué)會已經(jīng)成為具有37個國家7000多名會員的世界性學(xué)術(shù)組織。

    在巖石力學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中，有其明顯的研究重點。在60年代，重點研究完整巖塊；70年代的研究重點是巖體和不連續(xù)面；80年代，計算機(jī)數(shù)值分析蔚然成風(fēng)；90年代，十分強(qiáng)調(diào)綜合研究分析，即將巖石材料性質(zhì)的確定，大尺寸原位測試、計算機(jī)分析和工程作用規(guī)律相結(jié)合。巖石力學(xué)發(fā)展到20世紀(jì)末葉，由于無法測試到準(zhǔn)確的巖體力學(xué)參數(shù)，使人們懷疑計算機(jī)模擬是否可靠。因此，大大限制了計算機(jī)分析技術(shù)的發(fā)展。

    我國煤礦軟巖工程技術(shù)的發(fā)展起始于礦產(chǎn)資源開發(fā)工程。60年代，煤礦軟巖問題在部分礦區(qū)開始出現(xiàn)，70年代就更為廣泛，引起了有關(guān)部門的高度重視。原煤炭部從“六五”開始，繼“七五”、“八五”均有計劃地將軟巖巷道支護(hù)及監(jiān)測技術(shù)列入煤炭部科技發(fā)展規(guī)劃，組織各方面力量進(jìn)行科研攻關(guān)。中國科學(xué)院系統(tǒng)的地質(zhì)研究所和武漢巖土力學(xué)研究所、水利部、煤科總院北京開采所與建井所、吉林長春煤研所、中國礦業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、山東礦業(yè)學(xué)院、淮南礦業(yè)學(xué)院、西安礦業(yè)學(xué)院、阜新礦業(yè)學(xué)院等在軟巖巷道圍巖控制的基礎(chǔ)理論、軟巖的巖性分析及工程地質(zhì)條件、軟巖巷道圍巖變形力學(xué)機(jī)制、軟巖巷道圍巖控制、軟巖巷道支護(hù)設(shè)計與工藝及施工和監(jiān)測方面進(jìn)行了試驗研究，取得多方面的科研成果；煤科總院上海分院、南京煤研所，在軟巖巷道掘進(jìn)、支護(hù)施工機(jī)具研制方面也做了卓有成效的工作。國內(nèi)各涉及到軟巖的生產(chǎn)建設(shè)單位，如遼源梅河、平莊、淮南、龍口、舒蘭、那龍、茂名等礦務(wù)局和葛洲壩、小浪底工程局等在軟巖巷道和軟巖隧道支護(hù)方面也進(jìn)行了大量試驗工作，積累了豐富的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗。進(jìn)入80年代，煤礦開采深度日益加大，如開灤礦務(wù)局的開采深度已超過1 200m。深井高應(yīng)力軟巖與普遍出現(xiàn)，更加推動了煤炭系統(tǒng)的軟巖研究向縱深層次發(fā)展，產(chǎn)生并形成了以“聯(lián)合支護(hù)理論”和“松動圈理論”為代表的多個學(xué)派。90年代以后，除了煤炭系統(tǒng)又有新的研究成果之外，我國的三峽工程、小浪底工程、大規(guī)模的城市現(xiàn)代化高層建筑、城市地下工程、道路交通的建設(shè)，使得軟巖滑坡問題、軟巖隧硐及隧硐群穩(wěn)定問題、軟巖基坑問題的研究進(jìn)行的十分廣泛和深入，并取得了長足發(fā)展。作為全國性軟巖工程技術(shù)研究繁榮的標(biāo)志是1995年“中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會軟巖工程專業(yè)委員會”的誕生，和1996年“煤礦軟巖工程技術(shù)研究推廣中心”的成立，這一切都有力地推動我國煤礦軟巖工程技術(shù)的研究，并取得了一系列科研成果。

二、 軟巖工程技術(shù)的研究定位

       軟巖力學(xué)及工程技術(shù)的研究定位問題一直有所爭議。國際巖石力學(xué)學(xué)會前任主席JohnA .Hudson講過：“巖石力學(xué)是研究在工程擾動力的作用下巖石介質(zhì)響應(yīng)規(guī)律的一門學(xué)科。”根據(jù)巖石介質(zhì)在工程力作用下的變形、破壞等力學(xué)響應(yīng)特點，可以將巖石介質(zhì)劃分兩類，在達(dá)到破壞狀態(tài)之前發(fā)生顯著塑性大變形的延性材料和不產(chǎn)生顯著變形的脆性材料。顯然，軟巖力學(xué)是研究在工程擾動力作用下具有顯著塑性變形的巖石介質(zhì)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律的一門學(xué)科。這些力學(xué)響應(yīng)規(guī)律應(yīng)用到工程實踐中去，逐漸形成了軟巖工程技術(shù)。

三、 煤礦軟巖工程技術(shù)的理論研究進(jìn)展

1、 軟巖概念的清晰化

 從60年代到90年代初，關(guān)于軟巖的概念在國內(nèi)外一直爭論不休，軟巖定義多達(dá)幾十種之多［2，14］，到90年代末期，由中國原煤炭部軟巖專家組和煤礦軟巖工程技術(shù)研究推廣中心組織專家專題討論，提出了地質(zhì)軟巖和工程軟巖的概念，指出了二者的區(qū)別和聯(lián)系，并建議在軟巖工程中應(yīng)用工程軟巖的涵義。應(yīng)該指出，上述軟巖概念的提出，比國際巖石力學(xué)學(xué)會（1990，1993）的定義更為準(zhǔn)確。

（一） 地質(zhì)軟巖

   地質(zhì)軟巖是指單軸抗壓強(qiáng)度小于25MPa的松散、破碎、軟弱及風(fēng)化膨脹性一類巖體的總稱。該類巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質(zhì)巖石等強(qiáng)度較低的巖石，是天然形成的復(fù)雜的地質(zhì)介質(zhì)。國際巖石力學(xué)學(xué)會將軟巖定義為單軸抗壓強(qiáng)度（OC）在0.5～25MPa之間的一類巖石［1］，其分類的依據(jù)基本上是強(qiáng)度指標(biāo)。    該軟巖定義用于工程實踐中會出現(xiàn)矛盾。如巷道所處深度足夠的小，地應(yīng)力水平足夠的低，則小于25MPa的巖石也不會產(chǎn)生軟巖的特征。相反，大于25MPa的巖石，其工程部位足夠的深，地應(yīng)力水平足夠的高，也可以產(chǎn)生軟巖的大變形、大地壓和難支護(hù)的現(xiàn)象。因此，地質(zhì)軟巖的定義不能用于工程實踐，故而提出了工程軟巖的概念。

（二） 工程軟巖    工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體（何滿潮，1991）。如果說目前流行的軟巖定義強(qiáng)調(diào)軟巖的軟、弱、松、散等低強(qiáng)度的特點，那么本定義不僅重視軟巖的強(qiáng)度特性，而且強(qiáng)調(diào)軟巖所承受的工程力荷載的大小，強(qiáng)調(diào)從軟巖的強(qiáng)度和工程力荷載的對立統(tǒng)一關(guān)系中分析、把握軟巖的相對性實質(zhì)。    該定義的主題詞是工程力、顯著變形和工程巖體。工程巖體是軟巖工程研究的主要對象，是巷道、邊坡、基坑開挖擾動影響范圍之內(nèi)的巖體，包含巖塊、結(jié)構(gòu)面及其空間組合特征;工程力是指作用在工程巖體上的力的總和，它可以是重力、構(gòu)造殘余應(yīng)力、水的作用力和工程擾動力以及膨脹應(yīng)力等;顯著塑性變形是指以塑性變形為主體的變形量超過了工程設(shè)計的允許變形值并影響了工程的正常使用，顯著塑性變形包含顯著的彈塑性變形、粘彈塑性變形，連續(xù)性變形和非連續(xù)性變形等。此定義揭示了軟巖的相對性實質(zhì)，即取決于工程力與巖體強(qiáng)度的相互關(guān)系。當(dāng)工程力一定時，不同巖體，強(qiáng)度高于工程力水平的大多表現(xiàn)為硬巖的力學(xué)程特性，強(qiáng)度低于工程力水平的則可能表現(xiàn)為軟巖的力學(xué)程特性；而對同種巖石，在較低工程力的作用下，則表現(xiàn)為硬巖的變形特性；在較高工程力的作用下，則可能表現(xiàn)為軟巖的變形特性。

2、 軟巖的工程分類和分級

    按照工程軟巖的定義，根據(jù)產(chǎn)生塑性變形的機(jī)理不同， 將軟巖分為四類，

    即①膨脹性軟巖（或稱低強(qiáng)度軟巖）、

      ②高應(yīng)力軟巖、

            ③節(jié)理化軟巖和

      ④復(fù)合型軟巖。

在此基礎(chǔ)上，又對各類軟巖進(jìn)行了分級。在工程分類方面，根據(jù)研究目的不同，還提出了軟巖礦井的分類、軟巖變形力學(xué)機(jī)制的分類、軟巖軟化程度分類和軟巖的軟化途徑分類。這些科學(xué)分類使我國軟巖研究走在了世界前列。

3 、軟巖的工程特性和力學(xué)屬性

軟巖具有兩個工程特性，軟化臨界荷載和軟化臨界深度；軟巖具有五個力學(xué)屬性，可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性。

4 、煤礦膨脹性軟巖的地質(zhì)力學(xué)化學(xué)特征

我國學(xué)者通過大量地質(zhì)調(diào)查和力學(xué)化學(xué)試驗，確定了我國煤礦膨脹性軟巖的地質(zhì)力學(xué)化學(xué)的一般特征如表1所示。

     表1 我國煤礦膨脹性軟巖的物理力學(xué)一般特征

5、 軟巖巷道支護(hù)荷載的確定

對于幾百米甚至上千米深度的煤礦軟巖巷道，其支護(hù)荷載的確定一直是一大難題。通過科研攻關(guān)，已經(jīng)基本解決，為定量化設(shè)計提供了可靠數(shù)據(jù)。

6 、軟巖工程支護(hù)理論學(xué)派百花齊放新奧法理論、聯(lián)合支護(hù)理論、圍巖松動圈理論、高強(qiáng)度弧板支護(hù)理論、位移反分析理論，以及軟巖工程地質(zhì)力學(xué)理論等不同學(xué)術(shù)理論在我國軟巖工程實踐中普遍采用，形成了百花齊放、百家爭鳴、兼容并蓄、取長補(bǔ)短、不斷完善的空前繁榮局面。

四、煤礦軟巖工程支護(hù)技術(shù)

    在煤礦軟巖巷道支護(hù)方面，形成了錨噴、錨網(wǎng)噴、錨噴網(wǎng)架、錨噴網(wǎng)架系列技術(shù)、鋼架支護(hù)系列技術(shù)、鋼筋混凝土支護(hù)系列技術(shù)、料石碹支護(hù)系列技術(shù)、注漿加固系列技術(shù)和預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)系列技術(shù)。    在露天礦軟巖邊坡加固護(hù)坡方面，形成了錨索加固系列技術(shù)、錨桿加固系列技術(shù)、鋼混凝土格柵狀護(hù)坡技術(shù)、抗滑樁系列技術(shù)和地表排水和地下排水系列技術(shù)等。

五、 煤礦軟巖工程設(shè)計研究進(jìn)展

       60年代和70年代，軟巖工程設(shè)計基本上沿用工程類比設(shè)計；進(jìn)入到80年代，出現(xiàn)了位移反饋設(shè)計、松動圈支護(hù)荷載設(shè)計、彈塑性力學(xué)數(shù)值法設(shè)計，到90年代，又出現(xiàn)了錨網(wǎng)耦合設(shè)計和關(guān)鍵部位二次耦合設(shè)計。90年代末期，我國軟巖工程設(shè)計與施工初步形成了一套比較成熟的將類比定性、定量計算和施工位移反饋相結(jié)合的動態(tài)綜合設(shè)計程序。

1、 工程類比方案設(shè)計

       類比的根據(jù)是系統(tǒng)的可靠的基礎(chǔ)資料，主要包括圍巖的地質(zhì)、水文、工程地質(zhì)資料，巖石的物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)以及工程環(huán)境資料，類似地質(zhì)條件相鄰礦井的支護(hù)及圍巖變形的有關(guān)資料，在對這些資料、工程條件分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行類比方案設(shè)計。

2 、理論計算進(jìn)行參數(shù)校核

    目的是驗算一下從總體上看類比法選取的支架類型和參數(shù)是否符合圍巖變形規(guī)律。著重要求驗算巷道周邊位移預(yù)計，支架的最大反力及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)。理論驗算是在根據(jù)圍巖和工程環(huán)境的有關(guān)資料確定軟巖類別、巖體結(jié)構(gòu)、地壓類型的基礎(chǔ)上,正確確定力學(xué)模型和計算方法。目前比較方便的是,可以借助于電子計算機(jī)進(jìn)行輔助計算。

3 、施工監(jiān)測與反饋設(shè)計

      根據(jù)現(xiàn)場試驗巷道的觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行有關(guān)工程參數(shù)的反饋設(shè)計十分重要。因此，巷道開工后立即加以監(jiān)測是十分必要的，監(jiān)測的主要內(nèi)容：

（1）巖石的物理力學(xué)性質(zhì)確定；

（2）巷道收斂變形規(guī)律；

（3）巷道圍巖施加于支護(hù)上的實際壓力；

（4）典型地段的巷道深部位移。

利用上述4部分實測資料分析整理后調(diào)整工程設(shè)計參數(shù)，使設(shè)計更為完善。

       值得指出的是，近幾年軟巖工程正面臨著從小變形巖土工程向大變形巖土工程飛躍，高邊坡工程、深基坑工程和深埋隧道工程大變形巖土工程大量涌現(xiàn)。若仍然沿用常規(guī)設(shè)計，就可能出現(xiàn)失穩(wěn)、塌方等事故。深刻的理論原因是高邊坡區(qū)別于中小邊坡、深基坑區(qū)別于淺基坑、深埋隧道區(qū)別于淺埋隧道的顯著力學(xué)標(biāo)志是大變形、大地壓、難支護(hù)。近年來，屢屢出現(xiàn)的巖土工程惡性事故也在呼喚著巖土工程設(shè)計的新方法——非線性大變形力學(xué)設(shè)計理論及方法。

4 、大變形巖土工程設(shè)計

    如果說以經(jīng)驗類比、剛體力學(xué)平衡和線性小變形力學(xué)理論為基礎(chǔ)的常規(guī)設(shè)計理論和方法對于小變形巖土工程（中小邊坡工程、淺基坑和淺埋隧道工程）尚能奏效的話，那么對于大變形巖土工程（高大邊坡、深基坑和深埋隧道）設(shè)計就必須用大變形力學(xué)設(shè)計理論和方法。這是因為常規(guī)方法遵循的剛體力學(xué)或小變形力學(xué)理論，研究的介質(zhì)對象是不變形體或彈性體，在力學(xué)分析過程中，服從疊加原理，并與荷載的特性、加載的過程無關(guān)，因此，其設(shè)計方法就是參數(shù)設(shè)計。這方面的研究者有Terzaghi（1960），Davision（1972），Bgerrum（1974），和Denby（1977）,劉建航(1979)等科學(xué)家；而對大變形巖土工程而言，其標(biāo)志是進(jìn)入了顯著塑性變形階段，其設(shè)計必須依據(jù)非線性大變形力學(xué)理論。

    但迄今為止，雖然非線性大變形力學(xué)理論研究得很多，但非線性大變形力學(xué)區(qū)別于線性小變形力學(xué)的是,其研究的大變形巖土體介質(zhì)已進(jìn)入到塑性、粘塑性和流變性的階段，在整個力學(xué)過程中，已經(jīng)不服從疊加原理，而且力學(xué)平衡關(guān)系與各種荷載特性、加載過程密切相關(guān)。因此，其設(shè)計不能簡單地用參數(shù)設(shè)計來進(jìn)行，而是首先要分析和確認(rèn)作用在巖土體上的各種荷載特性，作力學(xué)對策設(shè)計；接著進(jìn)行各種力學(xué)對策的施加方式、施加過程研究。實踐證明，相同的力學(xué)對策，不同的過程，其效果截然不同。所以要進(jìn)行過程優(yōu)化設(shè)計,然后對應(yīng)著最佳過程再進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)設(shè)計。上述思想如表2所示。

表2 大變形軟巖工程設(shè)計與常規(guī)設(shè)計特點比較［何滿潮，1998］

（1） 大變形巖土工程的失穩(wěn)機(jī)制

 實踐表明，大變形巖土工程的失穩(wěn)是一個漸進(jìn)過程，總是先從一個或幾個部位首先發(fā)生變形破壞，爾后逐漸擴(kuò)展乃至整個巖土工程失穩(wěn)。首先破壞的部位稱之為關(guān)鍵部位，是發(fā)生大變形過程中局部應(yīng)力、應(yīng)變和能量不協(xié)調(diào)所造成的，關(guān)鍵部位引起巖土工程失穩(wěn)的機(jī)制有三類，如圖1所示。

（2）大變形耦合設(shè)計的優(yōu)點

    大變形巖土工程設(shè)計實現(xiàn)是一個過程，而且不能靠增加支護(hù)強(qiáng)度來實現(xiàn)。小變形巖土工程的基本出發(fā)點是控制強(qiáng)度而避免破壞；大變形巖土工程的核心問題是加強(qiáng)關(guān)鍵部位支護(hù)而控制變形穩(wěn)定性，從而保證周圍建筑物安全。和國內(nèi)外著名的新奧法比較，在非線性大變形力學(xué)設(shè)計理論指導(dǎo)下發(fā)展起來大變形耦合設(shè)計具有其獨特優(yōu)點，如表3所示。

表3 大變形耦合設(shè)計優(yōu)點比較［何滿潮，1998］

六、我國煤礦軟巖工程技術(shù)方面存在的問題

    20世紀(jì)60年代以后，我國煤礦軟巖工程技術(shù)在理論、支護(hù)技術(shù)和設(shè)計理論上都得到了長足進(jìn)展，取得了一系列科技成果，為我國煤炭工業(yè)發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。但是由于各方面原因，我國煤礦軟巖技術(shù)在理論上、設(shè)計上、支護(hù)技術(shù)及配套設(shè)備上仍然存在一些問題。

1、 煤礦軟巖工程技術(shù)推廣不力

       目前，真正系統(tǒng)掌握先進(jìn)的軟巖工程技術(shù)的還是少數(shù)礦區(qū)和工程單位。而大部分基層生產(chǎn)單位處在經(jīng)驗支護(hù)的狀態(tài)中。因此，遇到軟巖問題，先用一般支護(hù)技術(shù)來對付，然后，反復(fù)維修，無限制的增加支護(hù)剛度。造成這一局面的原因是科研院所的科技成果和生產(chǎn)、基建單位的工程技術(shù)人員嚴(yán)重脫節(jié)，因而造成每年數(shù)以億計的經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 大變形巖土工程失穩(wěn)機(jī)制

2、項目設(shè)計地質(zhì)資料不足，工程勘察規(guī)范陳舊

       目前提交的地質(zhì)勘探報告和工程勘察報告，所提供的軟巖地質(zhì)資料不能滿足設(shè)計對軟巖巷道支護(hù)設(shè)計的要求。特別是膨脹性軟巖的工程地質(zhì)資料不足。

3、 基本理論研究尚需深化

       目前，軟巖一般變形力學(xué)機(jī)制的研究基本清楚，對初期變形破壞研究較多，但對大深度高應(yīng)力、強(qiáng)膨脹復(fù)合型巖體，以及受采動影響后的流變時間效應(yīng)，支護(hù)和圍巖相互作用機(jī)理的研究仍需深化。

4 、軟巖地應(yīng)力測試方法有待加強(qiáng)

      目前對構(gòu)造應(yīng)力方向往往是借助于對礦區(qū)附近構(gòu)造和構(gòu)造體系的分析及其對軟巖工程變形破壞的現(xiàn)象加以綜合判定。而構(gòu)造殘余應(yīng)力測定往往在較硬巖石鉆孔測試，雖然近年來武漢巖土力學(xué)所采用軟包體地應(yīng)力測試技術(shù)在軟巖礦井取得了成功，但在精度上仍需加強(qiáng)研究。

七、 21世紀(jì)軟巖工程技術(shù)對策與展望

1 《煤礦軟巖巷道工程設(shè)計施工指南》即將誕生

    造成科研院所的研究成果與基層單位工程技術(shù)人員相脫離的直接原因是沒有形成一個比較系統(tǒng)的軟巖工程技術(shù)規(guī)范，使軟巖工程的設(shè)計和施工有所遵循。煤炭行業(yè)的軟巖工程技術(shù)研究一直是在前列，近年正在蘊(yùn) 、起草并數(shù)易其稿的《煤礦軟巖巷道工程設(shè)計施工指南》將于21世紀(jì)初率先出臺，這將是煤礦系統(tǒng)軟巖工程技術(shù)研究成果的集中體現(xiàn)，并將有力地推動煤礦軟巖工程技術(shù)的廣泛推廣應(yīng)用。

2 煤礦軟巖工程技術(shù)產(chǎn)業(yè)化勢在必行    為了適應(yīng)我國的社會主義市場經(jīng)濟(jì)框架的要求，掌握軟巖工程先進(jìn)技術(shù)的單位和專家，將以某種形式大力推廣軟巖工程技術(shù)，來解決我國大規(guī)?；窘ㄔO(shè)項目中出現(xiàn)軟巖問題?？梢灶A(yù)見，以股份制科技企業(yè)、股份制科研所、咨詢公司、高新技術(shù)武裝的工程企業(yè)等非公有經(jīng)濟(jì)形式的經(jīng)濟(jì)實體的出現(xiàn)，將是21世紀(jì)初的一道靚麗風(fēng)景線。

3、 煤礦軟巖工程技術(shù)信息化系統(tǒng)的出現(xiàn)為期不遠(yuǎn)

    在信息時代的今天，軟巖工程技術(shù)的信息化進(jìn)程已經(jīng)在加速進(jìn)行。“煤礦軟巖礦井資料信息庫”正在建立;“全國軟巖地質(zhì)力學(xué)物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)信息庫”正在醞釀。“山雨欲來風(fēng)滿樓”，軟巖工程技術(shù)信息時代正在向我們一步步走來。

4、 軟巖工程設(shè)計計算機(jī)軟件系統(tǒng)將要出現(xiàn)

      軟巖的非線性大變形力學(xué)設(shè)計不同于傳統(tǒng)工程類比設(shè)計和經(jīng)典小變形力學(xué)設(shè)計，不是簡單的參數(shù)設(shè)計，而是由工程力學(xué)對策設(shè)計、工程力學(xué)過程優(yōu)化設(shè)計和工程參數(shù)優(yōu)化設(shè)計組成的高度繁雜的高級設(shè)計系統(tǒng)。要求有非常友好的界面，高超的編程技巧和十分方便的操作。“軟巖工程設(shè)計軟件系統(tǒng)”的出現(xiàn)將使我國煤礦軟巖工程技術(shù)的推廣應(yīng)用的局面為之一新，將使軟巖工程的水平大大提高，將會產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益，為我國工程建設(shè)做出重要的貢獻(xiàn)。