竹溪隧道泥質板巖巖圍巖水理性試驗研究

楊延龍

摘 要：通過制作不同條件的泥質板巖試件，進行不同條件下泥質板巖的水理性試驗，得到泥質板巖吸水率、飽和度隨時間變化的規(guī)律，泥質板巖在垂直于層面和平行于層理面2個不同方向的膨脹特性，以及風化程度不同的泥質板巖的崩解特性。結果表明：泥質板巖吸水率在浸水先期增長較快，飽和吸水率要比自然吸水率大，吸水率和飽水率受試樣的完整程度、風化程度具有較為明顯的影響；其膨脹變形前期增長較快，同時受層理面方向影響而表現(xiàn)出明顯差異；泥質板巖具有明顯的崩解特性，試樣越破碎，風化程度越高，其崩解作用越強烈。地下水以自由水、結合水、毛細水、吸附水的作用方式作用于泥質板巖的孔隙、節(jié)理面及黏土礦物內部等，導致巖土體含水量增加、接觸角增大以及膠結方式和緊密程度等變化，從宏觀上改變的泥質板巖的物理力學特性。從工程角度出發(fā)，當掌子面及其附近區(qū)域出現(xiàn)地下水時，應及時內完成掘進和初襯施工，裸露時間不宜過長。同時需加強排水，綜合考慮圍巖的巖性、完整程度、風化程度等多種因素，采取必要的加固措施。

關鍵詞：隧道工程；泥質板巖；水理性；工程措施

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）05-0072-05

隧道結構的穩(wěn)定性受到圍巖自身特性、環(huán)境因素以及設計與施工等多種因素的影響。在環(huán)境因素中，地下水以氣態(tài)水、毛細水、重力水等多種型式賦存于巖土體的裂隙、孔隙、溶隙、管道等各種孔隙中，以吸附、結晶、毛細作用、承壓水等多種方式與巖土體相互作用，導致巖土體微觀結構和宏觀力學特性的改變，從而影響到圍巖與結構的穩(wěn)定性。隨著巷道、隧道結構埋置深度的增加，重力水在其自重作用下的壓力將不斷提高，巖土體在地下水作用下的變形效應表現(xiàn)更加明顯。由于地下水對頁巖強度具有明顯的軟化作用，在地下水作用下，頁巖隧道圍巖大變形、塌方、襯砌開裂等災害問題十分頻繁。宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道局部隧段埋深達到630m，圍巖為泥灰?guī)r、頁巖，曾經局部發(fā)生大變形災害。研究表明軟巖強度低、深埋隧道產生的高地應力和地下水是引起該隧道大變形的主導因素。在其大變形過程中，地下水具有誘發(fā)和加速大變形災害發(fā)生的作用。宜萬鐵路野三關隧道和馬鹿菁隧道造成了機械損毀和人員傷亡的突水事故分析認為隧址區(qū)工程地質條件及復雜的水文地質條件是造成突水事故的本質因素。都汶高速公路龍溪隧道由于泥巖中的蒙脫石礦物成分遇水迅速膨脹，加上頁巖層面間粘性差，其襯砌結構在先期穩(wěn)定的狀態(tài)下，受地下水作用，結構發(fā)生大變形。其最大收斂達到182.5m，并最終導致支護結構潰屈破壞。為了克服地下水對巷道、隧道等地下工程的不利影響，許多學者從各個方面研究了水-巖土體的相互作用機理，以及巖土體的水理特性與其力學特性的相互關系等，并提出了相應的工程措施。高水壓力的存在對巖石由脆性向塑性的發(fā)展具有抑制作用，能不同程度地降低巖石的力學強度，同時，水的作用能加劇巖石軟化區(qū)裂紋的擴展和貫通進程。板巖在泡水后三軸抗壓強度最大降低輻度達46%左右，其泊松比與彈性模量均隨著巖石吸水率的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢，并明顯受到板巖各向異性特性的影響。水對炭質板巖強度和變形的影響是顯著的。飽水后的巖樣的峰值強度降幅為26%。涌水對隧道軟弱圍巖不僅具有軟化作用，能降低圍巖的強度，同時，滲流在巖土體的孔隙、管道中流動，帶走了圍巖中的細小顆粒。涌水是引起隧道出現(xiàn)嚴重塌方的最重要因素。在富水地區(qū)，地下水通過圍巖孔隙、裂隙、裂縫等仰拱處集留，使軟巖泥化、軟化以及膨脹現(xiàn)象，容易導致隧底隆起。為了防止軟巖隧道仰拱在地下水作用下產生隆起病害，全面加強隧道排水具有十分重要的作用。板巖及其結構面在水的作用下，其水力特性會發(fā)生變化，進而影響到板巖的力學性質。因此，由此可見地下水對隧道的結構的影響至關重要。本文結合竹溪隧道具體工程實際，對隧道泥質板巖圍巖的水理特性進行試驗研究，并提出工程施工建議，對依托工程施工決策具有實際的指導意義。

1 工程概況

竹溪隧道隧為高速公路山嶺隧道，全長2480m。隧址區(qū)域巖層主要為元古界-下古界的變質巖，巖性以片巖、板巖、千枚巖為主，地層巖性片理、節(jié)理裂隙十分發(fā)育，部分節(jié)理面充填泥質、方解石脈和石英脈。大部分隙面多見錳質侵染。大量片狀礦物和晶粒礦物定向分布，巖層具各相異性特性。強度、穩(wěn)定性低，具有遇水易軟化、易崩解、易破碎、蠕變特性明顯的特征。

2 泥質板巖的水理性試驗與分析

2.1 吸水特性試驗

2.1.1 試驗方案

泥質板巖的吸水試驗是分析掌握其吸水程度和吸水率隨時間的變化規(guī)律的基本方法，也是泥質板巖力學性能試驗的基礎。參照水工行業(yè)相關規(guī)程[11]測定泥質板巖的天然含水率、自然吸水率和飽和吸水率。

按照巖石完整性不同取樣進行巖石的吸水試驗。試樣的完整性分為：完整、較完整、較破碎3種程度。同一種完整程度巖石取2個試樣。其中試樣TX1和試樣TX2為完整巖石，試樣TX3和試樣TX4為較完整巖石，試樣TX5和試樣TX6為較破碎巖石。表1和圖1為完整程度不同的巖石試樣吸水率隨時間變化的試驗結果。

2.1.2 試驗結果分析

從表1和圖1可以看出：各組巖石試樣破碎程度不同，吸水率都變現(xiàn)為隨著巖石試樣浸水時間的增加而呈現(xiàn)為增加的趨勢，但各組巖石吸水率的大小不同。在巖石試樣浸水的最初3天內，各組巖石試樣的自然吸水率增長較大。試樣浸水4-7天的吸水率雖然也表現(xiàn)出增大的趨勢，但吸水率增加量逐漸減小，吸水率相對接近穩(wěn)定。7d后泥質板巖巖石試樣的吸水率增加非常有限，幾近趨于恒定值。因此，浸水到9d后試驗停止。這說明泥質板巖的吸水主要3天內完成。從隧道工程應用角度出發(fā)，當掌子面有地下水出現(xiàn)后，盡可能在3天內完成出水隧段的掘進施工，當需要采取工程措施時，最長施工時間控制在3天內較為合理。

從表1和圖1也可以發(fā)現(xiàn)：泥質板巖飽和吸水率與巖石的破碎程度緊密相關。破碎巖石試樣的飽和吸水率明顯大于完整巖石試樣的飽和吸水率。巖石越破碎，其飽和吸水率越大。這說明碎裂的泥質板巖吸水更加容易。而水對巖石的工程性質的作用是不利的。說明破碎巖石的工程性質更容易受到水的影響。從隧道工程的角度來看，對于泥質板巖圍巖隧道，當圍巖完整性變差，而地質環(huán)境中存在水的條件下，圍巖的穩(wěn)定性不良，應及時排水，必要時采取工程加固措施，防止破碎圍巖在水的作用下發(fā)生大變形等地質災害。

從吸水試驗結果表1和圖1可以看出：泥質板巖的飽和吸水率在0.23%-0.77%范圍內。泥質板巖自然吸水率在0.09%-0.26%范圍內。泥質板巖的飽和吸水率要比自然吸水率大。從隧道工程應用的角度來看，當泥質板巖圍巖受到地下水的浸蝕，尤其是受到承壓水作用時，泥質板巖的飽和度會迅速增大。這種情況對泥質板巖的穩(wěn)定性是十分不利的。因此，應及時排除地下水，以減小地下水對泥質板巖圍巖穩(wěn)定性的影響。

通過計算得到各組巖樣在吸水試驗中飽和度隨時間的變化規(guī)律，如表2。

從表2中可以看出，隨著各組巖石試樣浸水時間的增加，各組巖樣的飽和度呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢加。同樣說明，當隧道圍巖為泥質板巖，掌子面出現(xiàn)地下水時，應及時采取相關工程措施以保證圍巖的穩(wěn)定性。而各組巖石試樣飽和度的大小表現(xiàn)不同，較完整泥質板巖試樣飽和吸水率平均值達到96.67%。較破碎巖樣的飽和度平均值為91.62%。而完整巖樣的飽和度較低，飽和度平均值為86.01%。這說明泥質板巖巖塊的尺寸對其飽和度產生明顯的影響。因此，從隧道工程的角度來講，地下水對泥質板巖圍巖的穩(wěn)定性的影響防治措施還應在考慮巖石的完整程度的基礎上作出綜合考慮。

2.2 膨脹特性試驗

2.2.1 試驗方法

泥質板巖受到水浸蝕作用還會引起其體積膨脹。通過泥質板巖的膨脹特性試驗，可以得到泥質板巖浸水后其體積膨脹變形隨時間變化而變化的規(guī)律，以及膨脹特性受到影響的相關因素?？紤]到泥質板巖各向異性特性，試驗時制作2組4個試件，每組2個試件。一組試件軸向平行于層理面，一組試件軸向垂直于層里面。通過兩組試件浸水膨脹特性試驗，研究泥質板巖在垂直于層面和平行于層理面2個不同方向的膨脹特性。參考水利水電工程相關試驗規(guī)程，制作標準圓柱形試件2組4個，并測定試件的軸向和徑向方向的尺寸。然后將標準圓柱形型試件完全浸入水中，隔一段時間分別測量各泥質板巖試件在徑向與軸向方向的尺寸，并計算每一間隔時間的尺寸變化量。試驗過程中，保持試樣完全浸沒在水中，保證試件充分吸水。分別計算泥質板巖試件的軸向自由膨脹率與徑向自由膨脹率。

表3為泥質板巖在垂直于層理面和平行于層理面2個方面上膨脹性試驗所得結果。

2.2.2 試驗結果分析

從表3可以得到泥質板巖膨脹特性如下：

（1）隨著泥質板巖浸水時間的增加，泥質板巖的膨脹變形量表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。泥質板巖的膨脹變形主要發(fā)生在浸水作用的前3天。泥質板巖浸水后發(fā)生膨脹隨著時間的變化而變化。在開始一段時間膨脹應變變化很快。隨著泥質板巖試樣浸水時間的增加，泥質板巖試樣膨脹變形速率逐漸越小。最終泥質板巖的膨脹變形量逐漸趨向于某一恒定值。其膨脹變形在垂直于層理面和平行于層理面兩個方向表現(xiàn)出相似的規(guī)律性。

（2）泥質板巖的膨脹變形的絕對值與層理面方向緊密相關。即泥質板巖在試件軸向垂直于層理面方向和平行于層理面方向的膨脹變形量值是不同的，其膨脹變形量分別為0.023-0.139%和0.001%-0.033%，也就是說層理面垂直與試件軸向方向膨脹率是層理面平行方試件軸向方向的4-20倍左右；

從巖石微觀構造角度來分析泥質板巖的這種變形特性：當泥質板巖受到水的浸蝕，隨著泥質板巖浸水時間的不斷增加，水不斷地沿著泥質板巖層理面上進入試樣內部，層理面附近的粘土礦物吸水以后會發(fā)生體積膨脹。因為水很難進入層理面之間巖體本身，兩層理間所含的粘土礦物膨脹小一些。在垂直層理面方向上，由于層理面間的粘土礦物較之于平行層理方向的礦物，與水直接進行接觸的面積和數(shù)量較大。試件在該方向產生的體積膨脹變形累計較大。同時試樣在不同方向上的膨脹應變量表現(xiàn)出明顯的差異。

2.3 泥質板巖的崩解特性試驗

2.3.1 試驗方法

崩解是巖石的一個重要水理特征，巖石的崩解特性是指巖石浸水的發(fā)生解體的現(xiàn)象。它是反映巖石水理特性的一個重要特性。巖石的崩解呈現(xiàn)出多種形式，包括均勻的碎屑狀、顆粒狀、泥狀以及破塊狀等不同形式。巖石的小破碎群體集聚在一起宏觀上表現(xiàn)為巖石的崩解現(xiàn)象， 小破碎巖石由微小破裂巖石演化而來。巖石的崩解是否發(fā)生與巖石的礦物成分、粒度的構成及膠結形式等密切相關，同時也受到巖石風化程度、巖石裂隙發(fā)育程度與結構特征的影響。巖石的崩解時間、崩解速度、耐崩解指數(shù)及崩解特征是評價巖石崩解特性的常用指標。巖塊試樣從浸水前的形態(tài)到發(fā)生完全崩解所需要的時間段即巖石的崩解時間。巖石在浸水后經過一定定時間所產生的質量損失的百分比即是巖石的崩解速度。而巖石試樣在試驗中表現(xiàn)的各種現(xiàn)象稱為巖石的崩解特征。

在隧道現(xiàn)場取4種不同風化程度的圍巖巖樣。即全風化泥質板巖、強風化泥質板巖、中風化泥質板巖和弱風化泥質板巖。全風化板巖表現(xiàn)為桔黃色、褐色；強風化板巖表現(xiàn)為褐灰色，呈泥沙質結構，板理狀狀、板狀劈理構造；中風化板巖呈砂狀結構和板理狀狀、板狀劈理構造，為青灰色，節(jié)理裂隙發(fā)育較多。試驗中，將泥板巖巖樣直接浸入水中進行泥質板巖的崩解特征觀察，以掌握泥質板巖的崩解特性和泥質板巖的崩解變化過程。

泥質板巖在不同風化程度狀態(tài)下的崩解特性試驗中，試樣處于烘干、自然含水率狀態(tài)以及日曬處理。日曬時間分別為4h、12h、24h、36h、48h、72h等不同狀態(tài)。試驗時，將泥質板巖試樣完全浸入水中，每間隔一段時間觀察試樣在水中的崩解特征，并記錄好泥質板巖試樣崩解特征。泥質板巖崩解特性試驗結果見表4。

2.3.2 試驗結果分析

通過表4中試驗結果來看，竹溪隧道附近泥質板巖受水作用后發(fā)生強烈的崩解，其崩解特性特性比較強烈。巖樣含水率越低，巖樣受水浸蝕后的崩解特性越強烈。這說明泥質板巖越干燥，泥質板巖遇水軟化現(xiàn)象和崩解效應越明顯。這說明泥質板巖越干燥，泥質板巖遇水軟化現(xiàn)象和崩解效應越明顯。泥質板巖的風化程度越強烈，巖樣受水浸蝕后的崩解也越強烈。從工程的角度來看，當天氣持續(xù)干旱后出現(xiàn)大降雨量情況時，泥質板巖的崩解特性強烈。泥質板巖遇水的發(fā)生強烈的崩解特性極易誘發(fā)圍巖大變形、塌方、坍塌等地質災害，這是應特別注意觀察地下水的發(fā)育狀況，并根據(jù)其現(xiàn)場狀態(tài)采取必要的相應工程措施。

3 泥質板巖的水理特性機理分析

3.1 地下水在泥質板巖中的賦存狀態(tài)

地下水主要以自由水、結合水、吸附水和毛細水4種形式存在在泥質板巖中。水的存在形式不同，對泥質板巖作用的水理性機理不同。重力水存在于地下水位以下的巖石層中的地下水，在其重力或壓力差作用下發(fā)生自由運動，對巖土顆粒有浮力作用，重力水對巖土中的應力狀態(tài)和圍巖卸載狀態(tài)下隧道所應采取的排水、防水工程措施有重要的影響。結合水存在與巖石顆粒附近，并具有很強分子吸附力作用，結合水在自身重力作用下不可以自由移動，因而具有一定抗剪能力。表面引力服從庫侖定律，隨距固體表面距離增大而減弱。泥質板巖中的結合水主要通過潛蝕作用、聯(lián)接作用、潤滑作用、水解作用以及凍融作用來改變巖體的結構和成分，從而影響泥質板巖的水理性質。結合水的含量與泥質板巖的礦物成分的緊密相關。吸附水是受到一定程度吸附力作用，但不受重力作用。粘土中吸附水含量較多。毛細水是依靠毛細力而存在于毛細空隙中的水。毛細水不受顆粒表面引力影響。毛細水受巖石孔隙的形態(tài)、分布、溫度、壓力以及飽和度影響較大。毛細水在隨壓力作用下能產生移動。巖石中粘土類礦物較多時，其毛細水含量相對較多。試驗結果表明：隨著泥質試樣浸泡水中時間的增加，泥質板巖中的結合水不變，吸附水含量逐漸增加但增加不大，而毛細管水含量表現(xiàn)出明顯的增加趨勢，最終含水率增加較多，完全飽和時含量接近0.8%。隨泥質板巖浸水時間的延長，礦物顆粒間的強結合力與弱結合力變化不大，毛細管力則逐漸降低，直至降低到某一恒定值。在宏觀上表現(xiàn)為泥質板巖力學強度降低，巖石發(fā)生軟化。在浸水時間較長時，泥質板巖甚至會發(fā)生崩解、泥化。

3.2 接觸角變化

泥質板巖試樣的水理特性主要由其內部礦物顆粒及粘結力決定，而內部粘結力受毛細管力的影響最大。平行于層理面方向的潤濕角比垂直于層理面方向的潤濕角要大。由此說明，由于孔隙和裂縫的存在，導致層理發(fā)育在層理垂直方向兩者的存在相比較層理面平行方向多很多，從而使得層理間有更弱的毛細管力，最終是水沿層理面更容易滲入試樣內部。

潤濕角隨著泥質板巖試樣浸水時間的增大而逐漸減小。在最初幾天潤濕角減小的速度比較大。隨著泥質板巖試樣浸水時間繼續(xù)延長，泥質板巖潤濕角逐漸減緩。最終趨于基本穩(wěn)定狀態(tài)。從潤濕角減小的幅度來看，平行層理面方向的潤濕角比垂直層理面方向潤濕角減小要小。原因是試樣是在吸水飽和的初始階段，層理面間的孔隙、裂縫較多，吸水性表現(xiàn)出比較強，該階段潤濕角變化較大。當?shù)侥噘|板巖吸水飽和后，泥質板巖孔隙吸水減少，潤濕角也逐漸趨于穩(wěn)定。

3.3 微觀結構分析

泥質板巖層理面間的裂縫及孔隙是水進到泥質板巖內部的主要通道。因此，它是導致層理間的礦物及膠結物顆粒在浸水后的體積膨脹情況與巖石內部明顯不同。巖石內部顆粒及膠結物部因水難以進入而基本沒有變化。軟巖產生體積膨脹的主要原因是水進入層理間的孔隙和裂隙后，其中的粘土礦物、細小巖粒的吸附水膜增厚。

浸水改變了泥質板巖層理面附近的膠結方式和緊密度，使泥質板巖內顆粒之間的膠結由原來干燥狀態(tài)時孔隙襯墊式、孔隙充填式兩種結構緊密的形式變?yōu)榻Y構松散的形式。這是由于水使部分粘土顆粒體積膨脹產生的應力，使泥質板巖內部結構松散、粘結力變小。綠泥石和絹云母等礦物在巖石中含量較多，會導致試樣產生較大的膨脹。礦物顆粒定向排列的垂直方向，可能因巖樣含有較多絹云母與綠泥石，產生較大的膨脹量和膨脹力。

以粒間孔為主的泥質板巖內部孔隙結構，在層理面區(qū)域和巖石內部分布差別較大。在泥質板巖浸泡后，由于節(jié)理面附近含有較多的裂隙，其中礦物體積膨脹，結構變得松散，浸水時間越長，巖石中含水較多的區(qū)域孔隙度會變得越大，與此同時，孔隙大小也在增大。

泥質板巖的吸水率一般在試驗放入水中的最初幾天變化明顯，之后增加減緩，9d左右試樣基本達到飽和狀態(tài)，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。潤濕角的變化趨勢基本相同，同樣是開始變化明顯，之后逐漸減緩，最終趨向某定值。

4 結論

通過泥質板巖的水理特性試驗與機理分析，得到以下結論：

（1）泥質板巖的飽和吸水率和自然吸水率分別在0.22%-0.77%之間和0.09-0.25%之間。泥質板巖試樣浸水時間的增加，泥質板巖吸水量逐漸增加，但吸水速率趨于減小。泥質板巖吸水主要3天內，節(jié)理越密，吸水率越大。當掌子面有地下水出現(xiàn)后，盡可能在3天內完成出水隧段的掘進施工和襯砌施工，裸露時間不宜超過3天。對于掌子面圍巖破碎或有承壓水時，應綜合考慮上述因素進行加固和排水處理；

（2）泥質板巖試樣的膨脹變形隨著試樣浸水時間的延長而增大。隨著浸水時間的延長，其膨脹變形速率逐漸減小。泥質板巖在垂直于層理面方向上的膨脹率為0.023-0.139%左右，平行于層理面方向上為0.001%-0.033%。泥質板巖膨脹變形期內的粘土礦物吸水后產生體積膨脹造成的，而水更容易進入層理面內，使層理面附近更多的粘土礦物吸水膨脹，導致了與層理面垂直方向的膨脹率數(shù)倍于與層理面平行方向上的膨脹率。

（3）泥質板巖的崩解性比較強烈，并且與試樣的完整程度和風化程度有關。泥質板巖試樣風化程度越嚴重、試樣約越破碎，泥質板巖試樣崩解越厲害，并且崩解速度越快。此外，泥質板巖試樣在保持自然含水率情況下浸水后的崩解程度不如烘干后試樣浸水崩解程度強烈。這說明泥質板巖越干燥，崩解效應和軟化現(xiàn)象越明顯；

（4）從水的賦存狀態(tài)看，泥質板巖試樣浸水時間的增加，使得泥質板巖中分子結合水以及吸附水沒什么變化，或者稍有增加，而影響水理特性最大的的毛細管水含量增加較多；從潤濕角來看：泥質板巖試樣平行于層理面方向的潤濕角比垂直于層理面方向的潤濕角要大。水沿層理面更容易滲入試樣內部。從微觀結構來看：水進入泥質板巖層理間的孔裂隙后，其中的粘土礦物、細小巖粒的吸附水膜增厚，使泥質板巖膨脹，水使部分粘土顆粒體積膨脹產生的應力，使泥質板巖內部結構逐漸松散，粘結力減小。同時水的浸入也使泥質板巖孔隙率增加。此外，試驗表明泥質板巖的吸水率變化與膨脹性表現(xiàn)出相同的變化趨勢。但稍微滯后于二者，原因是顆粒吸水膨脹，產生應力需要一定的時間。

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基金項目：國家自然科學基金（51668017），江西省自然科學基金（2015ACB2016），江西省交通廳科技計劃（2016D0038）