典型膨脹巖隧洞圍巖變形機(jī)制分析

孫德利

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

我國(guó)膨脹巖地層分布面積較為普遍[1]，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)膨脹巖較為發(fā)育的地區(qū)主要有東北、西北、西南、東南沿海及黃河與長(zhǎng)江下游等地區(qū)。膨脹巖是具有吸水膨脹、失水收縮、易風(fēng)化崩解軟化等特殊類軟～較軟巖，由于它的特殊物理力學(xué)性質(zhì)，在干濕交替水文地質(zhì)環(huán)境下，常常導(dǎo)致隧洞圍巖變形增加、襯砌開(kāi)裂、坍塌等病害[2]，因此在膨脹軟巖工程地質(zhì)環(huán)境中修建隧洞極具挑戰(zhàn)性。

1 膨脹巖的基本特征

膨脹巖的基本特征是親水性強(qiáng)、膨脹率高、強(qiáng)度低、膨脹壓力大、崩解快等，對(duì)洞室開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性、襯砌及后期運(yùn)行維護(hù)十分不利[3]。

膨脹巖的強(qiáng)親水性，是由于含有蒙脫石、伊利石、高嶺石等強(qiáng)親水性黏土礦物，強(qiáng)烈吸附周圍水分子，使顆粒間粘結(jié)力減小、體積膨脹、間距增大，巖石孔隙率較大(一般在25%～35%)，因此遇水易產(chǎn)生膨脹變形和膨脹壓力。另外，膨脹巖浸水或遇水后易崩解，甚至有的浸水后幾分鐘就完全崩解。試驗(yàn)表明，膨脹巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水量增加而降低[4]。

膨脹巖作為特殊不良地質(zhì)體，在前期勘察就應(yīng)引起足夠重視，查明膨脹原因，分布范圍，正確認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)，以確定合理的開(kāi)挖支護(hù)參數(shù)，從而減輕或避免危害[5]。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某輸水隧洞工程位于遼寧省朝陽(yáng)市北票市境內(nèi)，全長(zhǎng)27km，縱坡比i=0.31‰，全斷面鉆爆法施工，為城門洞型斷面，無(wú)壓洞。

2.2 隧洞開(kāi)挖揭露地質(zhì)條件

樁號(hào)J16+555～J16+570為已開(kāi)挖段，開(kāi)挖揭露隧洞右上部巖性為侏羅系中統(tǒng)髫髻山組(J2t)凝灰?guī)r，灰綠色，弱風(fēng)化，碎屑結(jié)構(gòu)，斑雜構(gòu)造，向兩壁延伸。揭露凝灰?guī)r厚度0.3～0.8m。點(diǎn)荷載試驗(yàn)換算飽和單軸抗壓強(qiáng)度為15～20MPa，為較軟巖；下部為侏羅系中統(tǒng)髫髻山組(J2t)凝灰質(zhì)砂礫巖，灰白色，弱風(fēng)化，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，其中礫石含量約占30%，一般粒徑0.5～3cm，最大粒徑5cm。礫石磨圓度較好，呈亞圓形。點(diǎn)荷載試驗(yàn)換算飽和單軸抗壓強(qiáng)度為20～25MPa，為較軟巖。洞室節(jié)理裂隙發(fā)育，微張開(kāi)，充填巖屑或無(wú)充填，結(jié)構(gòu)面平直粗糙～平直光滑。受多組節(jié)理相互切割影響，洞室?guī)r體完整性差。地下水活動(dòng)狀態(tài)：干燥。施工圍巖類別為Ⅳ類。

2.3 主要支護(hù)參數(shù)

I12型鋼支撐，縱向間距1.05m，聯(lián)合錨桿、掛網(wǎng)及噴射混凝土支護(hù)。鋼支撐間采用Φ22螺紋鋼連接，環(huán)向間距1m，噴射混凝土厚度0.1m。頂拱范圍內(nèi)布設(shè)Φ32超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng)度為4m，環(huán)向間距為0.4～0.6m。開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中未發(fā)生變形[6]。

2.4 圍巖變形發(fā)生發(fā)展過(guò)程

2017年8月1日晚，發(fā)現(xiàn)樁號(hào)J16+555～J16+570右邊墻混凝土開(kāi)裂，最大寬度0.5cm，隨即進(jìn)行補(bǔ)噴。至8月2日晚，裂隙進(jìn)一步發(fā)展，右側(cè)拱架直腿向洞內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重變形，最大變形0.2m。至8月4日20∶00，變形繼續(xù)增大，拱頂最大沉降量20cm，左邊墻最大變形量20cm，右邊墻最大變形量40cm。變形主要集中在右邊墻，隨變形進(jìn)一步發(fā)展，拱頂和左邊墻也發(fā)生變形，即將整體失穩(wěn)破壞。隨即施工單位對(duì)該處進(jìn)行了臨時(shí)加固措施，每個(gè)斷面分2根Φ150鋼管斜向支撐和2根橫向支撐。由于拱架變形過(guò)大，已侵占二襯斷面，因此待臨時(shí)支撐完成，變形可控后對(duì)該變形段采取拆除原拱架，再次加固襯砌，以確保洞室圍巖穩(wěn)定。

3 圍巖膨脹特性研究

3.1 隧洞變形段圍巖試驗(yàn)成果

對(duì)變形段凝灰?guī)r的黏土礦物成分、膨脹力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 隧洞凝灰?guī)r黏土礦物成分X射線衍射分析成果

表2 弱風(fēng)化凝灰?guī)r膨脹力試驗(yàn)成果

凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)砂礫巖的物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)成果

3.2 膨脹巖工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

(1)隧洞產(chǎn)生膨脹變形的圍巖主要為凝灰?guī)r，對(duì)黏土礦物成分進(jìn)行X射線測(cè)試成果表明，伊蒙混層占63%，伊利石、高嶺石含量14%～15%，是較強(qiáng)親水性黏土礦物，巖石膨脹性是隧洞變形的基礎(chǔ)[7]；

(2)凝灰?guī)r粘粒含量為33.2%～35.5%，分散度為94.3%，具有膨脹巖的物理特征；

(3)膨脹試驗(yàn)表明：凝灰?guī)r自由膨脹率55%～56%，大于25%；隨飽和度增大膨脹力增大，當(dāng)完全飽和時(shí)，膨脹力達(dá)到最大值0.285，大于0.15MPa，屬于典型膨脹巖。

(4)凝灰?guī)r抗壓強(qiáng)度為15.6～18.2MPa，凝灰質(zhì)砂礫巖為21.1～24.1MPa，均為較軟巖，軟化系數(shù)分別為0.43、0.21，遇水易軟化變形。

4 隧洞變形段變形破壞機(jī)制分析

4.1 圍巖膨脹性是導(dǎo)致變形破壞的基礎(chǔ)

在卸荷條件下，由于巖石遇水發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，而導(dǎo)致體積膨脹的巖石稱為膨脹巖。此次變形發(fā)生在該地區(qū)汛期，地表降水明顯增加，受此影響洞內(nèi)呈滴水～線流狀，該段最大出水量為5m3/(h·10m)。

(1)圍巖膨脹機(jī)制

該隧洞圍巖礦物成分以伊蒙混層為主，具有較強(qiáng)的親水性。將新鮮凝灰?guī)r置于水中浸泡，巖石開(kāi)始吸水膨脹，伴隨有鱗片狀碎屑物脫落，水逐漸變渾濁，該過(guò)程稱為“分散型或膨脹型崩解”。當(dāng)凝灰?guī)r暴露空氣中一段時(shí)間，巖石風(fēng)化導(dǎo)致裂隙增多，再浸泡，崩解速度明顯加快[8]。

表4 凝灰?guī)r細(xì)料物理試驗(yàn)成果表

圍巖中存在孔隙與裂隙，其中孔隙為成巖過(guò)程中形成，裂隙分為原有構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙；隧洞爆破開(kāi)挖過(guò)程中巖石松動(dòng)圈產(chǎn)生的松弛裂隙。凝灰?guī)r試塊原生孔隙率14.3%，孔隙率較大，且不包括松弛圈震動(dòng)裂隙[9]。

凝灰?guī)r中孔隙與裂隙表面是組成巖石結(jié)構(gòu)體系中“水-巖相界面”，表面能較大，遇水強(qiáng)烈吸附水分子。這種吸附減小了表面能，這部分表面能以潮濕熱的形式逸出和轉(zhuǎn)化為促使巖石“水-巖相界面”增大的力學(xué)破壞能，即膨脹壓力。巖石的膨脹和崩解又產(chǎn)生新的“水-巖相界面”，產(chǎn)生新的膨脹壓力，不斷循環(huán)往復(fù)。我們把這種以蒙脫石、伊利石等黏土礦物遇水膨脹、崩解引起的變形逐漸放大累進(jìn)作用定義為水-巖耦合作用[10]。

(2)膨脹力與巖石地下水環(huán)境

巖石最大膨脹力Pmax與地下水環(huán)境、濕度密切相關(guān)。S.L.Hvang等通過(guò)側(cè)向約束得出最大膨脹力與相對(duì)濕度RH、濕度變化指數(shù)IRH的關(guān)系方程[11]：

式中，Pmax—最大膨脹力，MPa。

上式表明，巖石最大膨脹力與相對(duì)濕度平方呈正相關(guān)關(guān)系。隧洞開(kāi)挖過(guò)程中干、濕環(huán)境改變，將導(dǎo)致凝灰?guī)r達(dá)到最大膨脹力Pmax=0.285MPa。尤其是干濕交替循環(huán)條件，巖石反復(fù)膨脹與收縮，導(dǎo)致圍巖反復(fù)加荷與卸荷，導(dǎo)致變形的發(fā)生。

4.2 蠕變收斂加劇圍巖的變形破壞

本隧洞埋深較大，約為200m，圍巖上部自重應(yīng)力較大。隧洞凝灰?guī)r濕抗壓強(qiáng)度15.6MPa，軟化系數(shù)0.43；凝灰質(zhì)砂礫巖濕抗壓強(qiáng)度21.1MPa，軟化系數(shù)0.21，均屬于較軟巖。圍巖在上部較大自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生蠕變收斂變形，導(dǎo)致新的裂隙與“水-巖相界面”產(chǎn)生，蠕變收斂與膨脹變形相互疊加產(chǎn)生放大耦合作用，加劇了圍巖變形破壞[12]。

5 膨脹性圍巖隧洞支護(hù)措施建議

根據(jù)該膨脹性圍巖隧道變形破壞特征，提出以下應(yīng)對(duì)措施：

(1)防止地下水對(duì)圍巖的影響。及時(shí)抽排洞內(nèi)積水及施工廢水，避免圍巖遇水膨脹軟化，加強(qiáng)通風(fēng)，防止潮濕空氣對(duì)表層圍巖的侵蝕作用。

(2)隧洞開(kāi)挖掘進(jìn)后，應(yīng)及時(shí)按設(shè)計(jì)參數(shù)噴錨封閉支護(hù)，防止膨脹巖暴露空氣中風(fēng)化膨脹。

(3)初期支護(hù)應(yīng)有較高的強(qiáng)度、剛度、韌性，以適應(yīng)膨脹巖的變形特點(diǎn)，使支護(hù)整體受力均勻而能保持穩(wěn)定。

(4)當(dāng)圍巖強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)松散、受地下水等影響較大時(shí)，可采取注漿加固措施，通過(guò)增大粘聚力、內(nèi)摩擦角、降低孔隙率等，來(lái)提高圍巖強(qiáng)度和完整性，同時(shí)起阻水防滲作用。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)膨脹巖物理力學(xué)特性及對(duì)隧洞開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性影響分析，可得出以下主要結(jié)論：

(1)膨脹巖具有親水性強(qiáng)、膨脹率高、強(qiáng)度低、膨脹壓力大、易崩解等特征，與巖石物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征及地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)等有關(guān)，且隨時(shí)間增長(zhǎng)有持續(xù)惡化趨勢(shì)。

(2)水-巖耦合作用是巖石膨脹、崩解的機(jī)理，地下水沿節(jié)理裂隙滲入，與巖石作用后發(fā)生膨脹，導(dǎo)致了圍巖的變形發(fā)生。本隧洞圍巖屬于較軟巖，蠕變收斂與膨脹變形相互疊加形成逐漸放大的耦合作用，加劇了圍巖的變形與破壞。

(3)膨脹巖隧洞圍巖強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，且易風(fēng)化、膨脹變形，可視具體情況采取疏干、及時(shí)封閉圍巖、提高支護(hù)強(qiáng)度、注漿加固等措施。

[1] 張威. 輸水隧洞襯砌在膨脹巖地層中的受力特性[J]. 人民黃河, 2017, 39(06): 106- 109．

[2] 徐慶功, 高樹(shù)偉. 不良地質(zhì)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響[J]. 水科學(xué)與工程技術(shù), 2017(04): 19- 20．

[3] 王子忠, 張良喜. 膨脹巖水-巖耦合作用對(duì)隧洞襯砌變形破壞的機(jī)制分析及施工設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J]. 四川水力發(fā)電, 2003(02): 21- 23．

[4] 陳勇, 秦邦民, 張莉萍, 等. 紅山窯紅砂巖膨脹變形和軟化特性試驗(yàn)研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2004(05): 77- 79+87．

[5] 張志強(qiáng), 關(guān)寶樹(shù). 公路隧道在膨脹性圍巖地段施工的穩(wěn)定性分析[J]. 公路, 2000(02): 61- 63．

[6] 張廣洋, 張志強(qiáng). 膨脹性圍巖隧道支護(hù)措施探討[J]. 世界隧道, 1999(05): 49- 51+55．

[7] 黃建華. 膨脹巖的特性及其對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2001(01): 56- 57．

[8] 左清軍, 陳可, 談云志, 等. 基于時(shí)間效應(yīng)的富水泥質(zhì)板巖隧道圍巖膨脹本構(gòu)模型研究[J]. 巖土力學(xué), 2016, 37(05): 1357- 1364．

[9] 王小軍. 膨脹巖的判別與分類和隧道工程[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 1995(02): 44- 48．

[10] 蒲文明, 陳釩, 任松, 等. 膨脹巖研究現(xiàn)狀及其隧道施工技術(shù)綜述[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2016, 12(S1): 232- 239．

[11] 方貽立, 李睿哲, 陳建平, 等. 軟巖隧道大變形機(jī)理分析[J]. 華東公路, 2013(06): 56- 59．

[12] 董新平. 鐵路膨脹巖隧道施工技術(shù)研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2001(01): 58- 61．