陳壽堂，吳秋軍，楊家熙，蘇 鵬，江 黎

(西南交通大學(xué)，成都 610031)

0 引言

隧道中常常遇到的特殊圍巖包括黃土、紅土、軟土、鹽漬土、膨脹土、凍土、填土、斷層破碎帶等［1］，此類圍巖在隧道工程中十分常見，并常常成為不良工程地質(zhì)地段災(zāi)害頻發(fā)并嚴(yán)重影響隧道施工進(jìn)度。究其主要原因，在于對(duì)其認(rèn)識(shí)不足，特別是作為隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)和施工基礎(chǔ)技術(shù)的我國(guó)的鐵路、公路隧道的圍巖分級(jí)方法中沒有詳盡、可靠的特殊圍巖分級(jí)方法［2－4］。從國(guó)外的各種圍巖分級(jí)方法來看，也很少涉及此類圍巖的分級(jí)方法［5］。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)特殊隧道圍巖的分級(jí)方法有了不少的研究:石家莊鐵道學(xué)院對(duì)鄭西客專的黃土圍巖隧道進(jìn)行了分級(jí)，但該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)只是針對(duì)鄭西客專，不具有普遍性［6］;對(duì)于膨脹土的分類方法，目前國(guó)內(nèi)不少研究者都提出按照物性指標(biāo)組合的方法進(jìn)行分類［7－8］，但該分類方法并不能反應(yīng)膨脹土的本質(zhì)特性，姚海林等提出了對(duì)膨脹土按照標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水量進(jìn)行分級(jí)［9］，并通過驗(yàn)證表明該指標(biāo)能反應(yīng)膨脹土膨脹的本質(zhì)，故可以將其綜合對(duì)膨脹土進(jìn)行分類;羅利銳等研究了斷層對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，通過研究發(fā)現(xiàn)隧道圍巖的穩(wěn)定性與斷層形成的力學(xué)特性有著直接的聯(lián)系［10］，這為隧道斷層帶的圍巖分級(jí)提供了參考依據(jù)。本文從實(shí)用的角度通過調(diào)研分析方法對(duì)部分特殊圍巖進(jìn)行了研究，初步提出了特殊圍巖的分級(jí)方法。

1 各類圍巖分級(jí)因素

分級(jí)因素的選擇是圍巖分級(jí)方法研究的基礎(chǔ)，分級(jí)因素一般是指影響圍巖穩(wěn)定性的單個(gè)因素或其組合值。本節(jié)主要研究了黃土、膨脹土和斷層破碎帶的分級(jí)因素，選擇分級(jí)因素時(shí)采用了經(jīng)驗(yàn)方法，該方法是對(duì)研究圍巖穩(wěn)定性的文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從中找出采用頻率最高的幾個(gè)穩(wěn)定性影響因素作為分級(jí)因素，故又稱“指標(biāo)采用率法”。

1.1 黃土的分級(jí)因素

黃土是第四紀(jì)以來在干旱、半干旱氣候條件下，陸相沉積的一種特殊土。我國(guó)黃土的分布面積約64萬km2，主要分布在北緯33～47°的黃土塬、梁、峁區(qū)［11］。國(guó)內(nèi)外針對(duì)黃土穩(wěn)定性做了大量研究［12－14］，文獻(xiàn)［11］對(duì)這些研究成果進(jìn)行了調(diào)研分析表明:

1)黃土的穩(wěn)定性主要與黃土的強(qiáng)度及濕陷性有關(guān)，黃土強(qiáng)度越小、濕陷性越強(qiáng)，黃土的穩(wěn)定性越差;反之，強(qiáng)度越大、濕陷性越弱，黃土的穩(wěn)定性越好;黃土的濕陷性與黃土的地質(zhì)年代、干密度以及孔隙比等物性指數(shù)有關(guān)。

2)即使是濕陷性很強(qiáng)的黃土，如果天然含水量較低，也可能形成直立邊坡，這說明天然含水量也是影響黃土穩(wěn)定性的重要因素。

從以上2點(diǎn)可看出，影響黃土穩(wěn)定性的主要因素包括地質(zhì)沉積年代、天然含水量、干密度、孔隙比等。

文獻(xiàn)［11］的研究結(jié)果還表明，黃土的孔隙比和干密度存在比較強(qiáng)的線性關(guān)系。圖1為對(duì)隴東地區(qū)55組928個(gè)黃土樣本的孔隙比和干密度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由此可見，對(duì)黃土而言，孔隙比和干密度可作為同一組指標(biāo)選用，在實(shí)際的巖土測(cè)試過程中，干密度的測(cè)試較簡(jiǎn)便、快捷，故選用干密度作為這組指標(biāo)的代表值。

圖1 干密度與孔隙比的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.1 Relationship between dry density and porosity of loess

綜合上述分析，可選用地質(zhì)沉積年代、天然含水量、干密度3個(gè)因素作為黃土的分級(jí)因素。

1.2 膨脹土的分級(jí)因素

膨脹土是指土中黏粒成分主要由親水性礦物組成，具有吸水顯著膨脹、軟化、崩解和失水急劇收縮、開裂，并能往復(fù)脹縮變形的黏性土［15］。文獻(xiàn)［11］對(duì)研究膨脹土穩(wěn)定性的文獻(xiàn)進(jìn)行了調(diào)研分析表明，標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水量、縮限、液限、塑性指數(shù)、脹縮總率、自由膨脹率、黏粒含量、蒙脫石含量、比表面積、陽(yáng)離子交換量是影響膨脹土穩(wěn)定性最常用的10個(gè)指標(biāo)，各指標(biāo)的采用率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，塑性指數(shù)、自由膨脹率的采用率最高(達(dá)61.5%)，脹縮總率、黏粒含量的采用率次之(達(dá)46.1%)，液限的采用率再次之(達(dá)30.7%)，其他5個(gè)指標(biāo)采用率均較低(小于20%)。另外，根據(jù)文獻(xiàn)［11］的研究，對(duì)膨脹土而言，脹縮總率、黏粒含量與塑性指數(shù)、自由膨脹率之間存在一定的關(guān)系，而液限與塑性指數(shù)也有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。綜合上述考慮，選定塑性指數(shù)、自由膨脹率作為膨脹土的分級(jí)因素。由于直接指標(biāo)測(cè)試較難，而只憑自由膨脹率和塑性指數(shù)又不能完全準(zhǔn)確判定其脹縮特性的缺點(diǎn)，應(yīng)找出一個(gè)能綜合反應(yīng)比表面積、陽(yáng)離子交換量及蒙脫石含量的指標(biāo)，即該指標(biāo)應(yīng)該與上述3個(gè)直接指標(biāo)具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。中交二院通過對(duì)膨脹土標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率的研究發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與蒙脫石含量、比表面積以及陽(yáng)離子交換量之間存在很強(qiáng)的線性關(guān)系，蒙脫石含量是膨脹土膨脹與收縮的物質(zhì)基礎(chǔ)，陽(yáng)離子交換量反映膨脹土晶格的吸附能力，陽(yáng)離子數(shù)量和種類是膨脹土膨脹與收縮外在的影響因素，陽(yáng)離子的參與改變了同樣蒙脫石含量的膨脹土的親水性，故可以選擇用標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率作為評(píng)價(jià)膨脹土脹縮特性的標(biāo)準(zhǔn)［9］。

圖2 膨脹土的分級(jí)因素指標(biāo)采用率統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.2 Statistics of adoption rate of parameters used in classification of swelling soils

綜合上述分析，可選用塑性指數(shù)、自由膨脹率以及標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率作為膨脹土的分級(jí)因素。

1.3 斷層破碎帶分級(jí)因素

斷層破碎帶是指斷層的2盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)、相互擠壓，在斷層附近形成的與斷層面大致平行的帶狀破碎巖石區(qū)。根據(jù)國(guó)內(nèi)各規(guī)范對(duì)斷層的圍巖分級(jí)方法，可對(duì)隧道中斷層的圍巖級(jí)別進(jìn)行總結(jié)(見表1)。

表1 斷層破碎帶的圍巖分級(jí)Table 1 Classification of surrounding rock in fault and fracture zone

另外對(duì)蘭渝線10個(gè)隧道中的39個(gè)斷層進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查情況見表2。

表2 蘭渝線斷層調(diào)查情況Table 2 Results of investigations on faults and fractures on Lanzhou-Chongqing railway

綜合表1和表2的研究結(jié)果，并結(jié)合文獻(xiàn)［11］的研究，故可以將斷層破碎帶的地質(zhì)力學(xué)特征作為其分級(jí)因素。

2 各類圍巖的分級(jí)方法

2.1 黃土的分級(jí)方法

文獻(xiàn)［16］研究表明，在較低含水狀態(tài)下，黃土抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出類脆性變形特征，在較高含水狀態(tài)下，抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出類塑性變形特征，且存在一個(gè)界限含水率，為馬蘭黃土脆性與塑性變形特征發(fā)生轉(zhuǎn)捩的界限值，而該界限含水量大致為馬蘭黃土的塑限含水量，故可以將其作為作為黃土強(qiáng)度的一個(gè)區(qū)分界限。

文獻(xiàn)［6］通過對(duì)鄭西客運(yùn)專線黃土隧道圍巖的物理性質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同類型的黃土，其飽和含水量、由脆性進(jìn)入塑性(即IL=0)的界限含水量以及由塑性進(jìn)入流塑性(即IL=1)時(shí)的界限含水量是不同的，具體如下:

1)對(duì)老黃土，由塑性進(jìn)入流塑狀態(tài)含水量遠(yuǎn)大于飽和含水量，表明老黃土進(jìn)入飽和狀態(tài)后仍可處于塑性狀態(tài);因此，對(duì)于老黃土，其界限含水量應(yīng)考慮選擇脆塑性轉(zhuǎn)折點(diǎn)(即IL=0)的含水量和飽和含水量。

2)對(duì)于新黃土，與老黃土恰恰相反，其飽和含水量遠(yuǎn)大于塑性進(jìn)入流塑性的界限含水量，表明新黃土在未達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)就已進(jìn)入流塑性狀態(tài);因此，對(duì)于新黃土，其界限含水量應(yīng)選擇脆塑性轉(zhuǎn)折點(diǎn)(即IL=0)的含水量和由塑性進(jìn)入流塑性(即IL=0)的含水量。

通過對(duì)中國(guó)濕陷性黃土的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，松散結(jié)構(gòu)的黃土包括新第四紀(jì)與全新世的堆積物，層位在密實(shí)結(jié)構(gòu)黃土之上，也可能覆蓋于河谷階地或基巖侵蝕面之上。一般情況，其干密度小于1.4 g/cm3，空隙度大于50%，為Q3和Q4黃土。密實(shí)結(jié)構(gòu)老黃土是中第四紀(jì)的沉積物，廣泛分布于松散結(jié)構(gòu)黃土所在區(qū)域的馬蘭期或更老的階地和分水嶺地帶，其干容重一般大于1.4 g/cm3，空隙度一般小于50%，為Q2黃土［17］，這與隴東地區(qū)的調(diào)查結(jié)果是一致的。

綜合上述研究，并根據(jù)文獻(xiàn)［11］的研究結(jié)果，按地質(zhì)沉積年代、天然含水量、干密度3個(gè)因素對(duì)黃土進(jìn)行分級(jí)(見表3)。

2.2 膨脹土圍巖分級(jí)方法

根據(jù)文獻(xiàn)［11］的研究，膨脹土的工程性質(zhì)不同于一般圍巖，其支護(hù)結(jié)構(gòu)措施也不同于一般圍巖，故不能簡(jiǎn)單地將其劃分到基本級(jí)別I～VI中，按膨脹土的膨脹潛勢(shì)對(duì)其進(jìn)行分級(jí)(見表4)。

2.3 斷層圍巖分級(jí)方法

根據(jù)文獻(xiàn)［11］的研究，斷層破碎帶的分級(jí)方法如表5所示。

表3 黃土的分級(jí)方法Table 3 Classification method of loess

表4 膨脹土的分級(jí)方法Table 4 Classification method of swelling soil

表5 斷層破碎帶的分級(jí)方法Table 5 Classification method of faults and fractures

3 結(jié)論與討論

本文通過對(duì)研究黃土、膨脹土斷層破碎帶等隧道中常見的幾種特殊圍巖的穩(wěn)定性文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研分析，確定了這幾類特殊圍巖的分級(jí)因素:

1)黃土的分級(jí)因素選用地質(zhì)沉積年代、天然含水量、干密度。

2)膨脹土的分級(jí)因素選用塑性指數(shù)、自由膨脹率、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率。

3)斷層破碎帶的分級(jí)因素選用斷層破碎帶的地質(zhì)力學(xué)特征。

在此基礎(chǔ)上，通過調(diào)研方法初步建立了各類圍巖的分級(jí)方法(見表3—5)。在以往研究中，主要是對(duì)特殊圍巖的單個(gè)指標(biāo)或者某一類特殊圍巖進(jìn)行研究，并沒有系統(tǒng)性的總結(jié)或結(jié)論。本文通過對(duì)以往研究的總結(jié)，將幾類特殊圍巖進(jìn)行了綜合研究，根據(jù)該類圍巖的特性，采取不同的指標(biāo)，初步提出了分級(jí)方法。不同的特殊隧道圍巖具有不同的特性，隨著各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)與更新，對(duì)這類特殊圍巖的特性的研究也將越深入，也更能準(zhǔn)確地得到反映其特性的指標(biāo)或指標(biāo)組合，從而能更準(zhǔn)確地對(duì)這類特殊隧道圍巖進(jìn)行分級(jí)，以完善現(xiàn)有的隧道圍巖分級(jí)方法。

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