李明福，趙文超

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

寧夏某引水工程隧洞共有11座，總長(zhǎng)36.5 km，最大埋深約320 m。隧洞斷面形式為馬蹄形，設(shè)計(jì)隧洞凈高2.35 m，采用鉆爆法開挖。隧洞穿過地層為中生界白堊系下統(tǒng)(K1n、K1m)及部分第三系始新統(tǒng)(E2s)細(xì)碎屑巖，構(gòu)造上為向SW或NW緩傾的單斜層，傾角一般在8°～15°，最大30°。圍巖以平緩的薄層泥巖為主，呈灰色與暗紅色互層狀，局部夾有泥灰?guī)r及少量砂礫巖。由于巖石強(qiáng)度低，水理性質(zhì)差，在遇到地下水等不利地質(zhì)條件下，圍巖穩(wěn)定性難以控制，給工程建設(shè)帶來不同程度的危害。

1 泥巖工程特性

1.1 巖石成分

白堊系(K1n、K1m)泥巖，泥晶泥狀結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，巖石主要礦物為泥質(zhì)礦物和方解石，含少量褐鐵礦及石英，其中泥質(zhì)礦物含量約58% ～62%，方解石含量為33%～35%。據(jù)全巖X射線粉晶衍射分析成果，粘土礦物成分主要為蒙脫石和伊利石，其中伊利石含量略高于蒙脫石。僅少部分含有石膏，但含量較高，達(dá)38.2%?；瘜W(xué)成分中SiO2含量約31% ～44%，CaO的含量12% ～23%，Al2O3的含量9% ～13%，F(xiàn)e2O3含量3% ～6%。

第三系始新統(tǒng)(E2s)砂質(zhì)泥巖，不等粒砂狀泥狀結(jié)構(gòu)，弱定向構(gòu)造，巖石主要由含鐵泥質(zhì)、長(zhǎng)石、石英、方解石碎屑及巖屑組成，其中含鐵泥質(zhì)占50%?；瘜W(xué)成分中SiO2含量約53% ～56%，CaO含量14% ～15%，Al2O3含量11% ～13%，F(xiàn)e2O3含量2% ～3%。

1.2 巖石物理力學(xué)特性

對(duì)隧洞白堊系乃家河組(K1n)、馬東山組(K1m)泥質(zhì)巖及第三系寺口子組(E2s)砂質(zhì)泥巖，通過鉆孔取樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，成果統(tǒng)計(jì)見表1。

從試驗(yàn)成果看，白堊系下統(tǒng)泥巖干燥狀態(tài)和天然狀態(tài)下，其平均單軸抗壓強(qiáng)度分別為18.5～37.3 MPa和20.2 ～23.73 MPa，彈性模量和變形模量也相對(duì)較高。但飽和狀態(tài)下其平均抗壓強(qiáng)度僅4.3～8.53 MPa，明顯低于干燥狀態(tài)和天然狀態(tài)，軟化系數(shù)0.22～0.37，最低僅0.1。同樣，彈性模量和變形模量也具有相似的規(guī)律性，巖石遇水軟化特性顯著。

第三系砂質(zhì)泥巖，干燥狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為8.5～12.1 MPa，濕單軸抗壓強(qiáng)度為 0.1 ～1.6 MPa，軟化系數(shù)為0.02～0.33;干燥狀態(tài)下彈性模量為 3.30 GPa，濕彈性模量接近于0.003～1.30 GPa。其濕抗壓強(qiáng)度、濕彈性模量明顯低于天然狀態(tài)，屬于易軟化巖石，水的作用對(duì)其力學(xué)強(qiáng)度影響強(qiáng)烈。

表1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 The summary for indexes of physical and mechanical properties

上述巖樣是從鉆孔采取的較新鮮完整的巖石。實(shí)際上巖石的強(qiáng)度還與風(fēng)化程度和結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度密切相關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)看到經(jīng)過風(fēng)化的泥巖具有極軟巖的特性。

1.3 巖石流變特性

對(duì)隧洞白堊系泥巖進(jìn)行三軸流變?cè)囼?yàn)，在不同應(yīng)力水平下天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)的泥巖軸向分別加載蠕變曲線，如圖1和圖2。

圖1 泥巖(天然)軸向流變曲線Fig.1 The axial rheological curves of mudstone(water-saturated)

圖2 泥巖(飽水)軸向流變曲線Fig.2 The axial rheological curves of mudstone(natural)

據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，天然含水狀態(tài)下泥巖的瞬時(shí)應(yīng)變量、蠕應(yīng)變量以及總應(yīng)變量均較小，然而飽水后巖石軸向瞬時(shí)應(yīng)變量是天然狀態(tài)下的3.1～4.7倍，軸向蠕應(yīng)變量是天然狀態(tài)下的4.6～6.4倍，軸向總應(yīng)變量是天然狀態(tài)下的3.5～5.0倍;同樣飽水后巖石的徑向總應(yīng)變量是天然狀態(tài)下的9.6～13.6倍。因此，隧洞泥巖飽水后在上部荷載的長(zhǎng)期作用下將產(chǎn)生較為顯著的時(shí)效變形。

2 泥巖變形機(jī)理分析

2.1 圍巖變形破壞的形式

隧洞圍巖多為薄層狀泥巖，巖層較平緩，層面膠結(jié)強(qiáng)度低。隧洞開挖后拱頂巖體下部臨空，受地下水、地應(yīng)力及受爆破擾動(dòng)等影響，軟巖整體向洞內(nèi)臨空面變形，頂拱下沉，底板向上隆起，側(cè)壁向內(nèi)移動(dòng)，頂拱常常伴有掉塊、局部坍塌。

經(jīng)檢測(cè)，隧洞收斂變形量一般以洞頂中心線為最大，而兩側(cè)變形較小;松弛圈的厚度以頂拱附近為最大，向兩側(cè)逐漸降低。如果不采取支護(hù)措施，洞頂松動(dòng)圍巖可能出現(xiàn)較大變形甚至垮塌。

2.2 擠壓變形分析

本工程對(duì)隧洞埋深范圍(300 m)內(nèi)的原地應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試方法為水壓致裂法。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制地應(yīng)力隨深度的分布圖，如圖3所示。

測(cè)試結(jié)果，地應(yīng)力量值總體上表現(xiàn)為隨深度增加而逐漸增加。最小水平主應(yīng)力(Sh)的量值在2.91～6.56之間，最大水平主應(yīng)力(SH)的量值在 3.99 ～7.90之間。除個(gè)別測(cè)點(diǎn)外，與按上覆巖石靜巖壓力計(jì)算的垂向應(yīng)力(SV)相比，三向主應(yīng)力的關(guān)系基本表現(xiàn)為SH＞SV＞Sh，表明測(cè)點(diǎn)附近水平應(yīng)力占主導(dǎo)地位，屬于走滑型應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析后，可得到最大和最小水平主應(yīng)力隨深度變化的線性回歸方程:

通過測(cè)量確定該孔附近最大水平主應(yīng)力的方向?yàn)镹54°W。

圖3 鉆孔地應(yīng)力隨孔深分布圖Fig.3 The distribution of ground stress changing with the depth of drilling

根據(jù)極限平衡準(zhǔn)則，將巖石的抗壓強(qiáng)度(Rb)與圍巖的最大正應(yīng)力(σm)之比(臨界應(yīng)力比)作為判斷有無擠壓變形及發(fā)生變形的程度劃分原則。計(jì)算公式為:

S=RbKV/σm式中:KV為巖體完整系數(shù)，利用實(shí)測(cè)彈性波速求得;σm為圍巖最大正應(yīng)力，即水平正應(yīng)力。按下式計(jì)算:

其中，θ為隧洞橫截面和水平面的交線與水平最大主應(yīng)力方向的夾角。

根據(jù)國內(nèi)外一些工程實(shí)例統(tǒng)計(jì):當(dāng)RbKV/σm＜4時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力超限，形成塑性區(qū)，圍巖穩(wěn)定性差;當(dāng)RbKV/σm＜2時(shí)，圍巖不穩(wěn)定，變形顯著。

以隧洞某分段為例，各段強(qiáng)度應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 隧洞分段巖體強(qiáng)度應(yīng)力比計(jì)算匯總表Table 2 The summary for ratio of strength and stress of rock masses in different segments of tunnel

由表2可以看出，第三系砂質(zhì)泥巖各種狀態(tài)的強(qiáng)度應(yīng)力比均＜4，按照上述判斷標(biāo)準(zhǔn)，該地層洞段內(nèi)發(fā)生圍巖擠壓變形的可能性大。白堊系(K1n)泥巖在天然狀態(tài)下，部分洞段圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比＜4;飽和狀態(tài)的強(qiáng)度應(yīng)力比均＜2，可以認(rèn)為該段隧洞飽水圍巖產(chǎn)生塑性變形可能性較大。隧洞開挖未支護(hù)下由于洞室圍巖大主應(yīng)力增大和小主應(yīng)力減小，圍巖在一定深度范圍內(nèi)出現(xiàn)塑形破壞，塑性區(qū)內(nèi)巖體的“剪脹”加劇了擠壓作用，增大圍巖質(zhì)點(diǎn)向開挖空間的移動(dòng)。

據(jù)隧洞圍巖松動(dòng)圈實(shí)測(cè)結(jié)果，隧洞開挖后洞壁巖體即呈現(xiàn)0.5 m左右的松弛帶，隨著時(shí)間的增加，洞壁巖體的松弛厚度也逐漸加大。

2.3 膨脹變形分析

對(duì)白堊系、第三系泥巖進(jìn)行天然含水狀態(tài)的膨脹試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見表3。

從試驗(yàn)結(jié)果看，側(cè)向約束膨脹率＜3%，膨脹力＜100 kPa;徑向自由膨脹率和軸向自由膨脹率均 ＜30%。按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)多屬非膨脹巖。但天然含水量狀態(tài)下部分泥巖的荷載平均膨脹率為0.7%，而膨脹壓力在4.4 ～62.2 kPa，平均值為 20.6 kPa;泥巖成分中伊利石、蒙脫石為主的粘土礦物含量較高，且兩者均為親水性礦物;泥巖的硅鋁分子比達(dá)3.4～4.5等，說明泥巖具有一定的膨脹潛勢(shì)。有關(guān)試驗(yàn)研究成果表明，泥質(zhì)膨脹性圍巖的性狀變化主要是因巖石含水量變化引起的，隧洞開挖后泥巖逐漸干燥失水和風(fēng)化，再遇水可能產(chǎn)生膨脹崩解;膨脹性巖體的潛在應(yīng)力及變形的時(shí)間效應(yīng)顯著，即應(yīng)力釋放過程是比較長(zhǎng)的。因此，在隧洞襯砌設(shè)計(jì)和施工建設(shè)中，應(yīng)考慮膨脹力因素的影響，采取適宜的處理措施，抑制或減弱泥巖產(chǎn)生膨脹和力學(xué)強(qiáng)度降低的不利影響。

表3 巖石膨脹試驗(yàn)成果表Table3 The results of rock expansion test

3 泥質(zhì)圍巖變形影響因素分析

3.1 巖石成分對(duì)變形影響

該地區(qū)白堊系地層為一套河流淺湖相—深湖相細(xì)碎屑巖建造，巖性以灰色、黑灰色、暗紅色的灰質(zhì)泥巖為主，夾有淺灰色的泥灰?guī)r及粉砂質(zhì)泥巖，局部含有極薄層石膏。第三系地層生成環(huán)境則是以河湖相為主，巖性主要為砂質(zhì)泥巖及砂礫巖。泥巖的成分是影響其物理力學(xué)性質(zhì)的主要因素，而粘土礦物的含量很大程度影響到其力學(xué)性質(zhì)的好壞，一般來說，泥巖中粘土礦物含量越高，其力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)越低;同時(shí)，粘土礦物的成分及含量也影響到泥巖的水理性質(zhì)［1］。該地區(qū)灰質(zhì)泥巖中以伊利石、蒙脫石為主的粘土礦物含量較高，一般含量達(dá)23.5% ～37.0%，其中暗紅色灰質(zhì)泥巖粘土礦物含量高達(dá)60%。粘土礦物中伊利石含量略高于蒙脫石，兩者均為親水性礦物。因此，當(dāng)泥巖中粘土礦物含量較高時(shí)使泥巖表現(xiàn)出較強(qiáng)的遇水軟化性和崩解、膨脹等現(xiàn)象。在水穩(wěn)性方面，暗紅色灰質(zhì)泥巖會(huì)比其他灰質(zhì)泥巖表現(xiàn)得更差。相同含水率的情況下，其力學(xué)強(qiáng)度也較低。

3.2 膠結(jié)物對(duì)泥質(zhì)圍巖變形影響

膠結(jié)物成分對(duì)泥質(zhì)巖工程性質(zhì)的影響非常大。由于泥質(zhì)巖沉積的自然地理環(huán)境的不同，其膠結(jié)物成分和表現(xiàn)出來的性質(zhì)是不同的。它的膠結(jié)物有:硅質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)、石膏、泥質(zhì)等。泥質(zhì)巖的強(qiáng)度主要取決于膠結(jié)物成分和性質(zhì)，換句話說，與泥質(zhì)巖的膠結(jié)程度有關(guān)。膠結(jié)程度還取決于膠結(jié)物含量及膠結(jié)形式等。膠結(jié)程度的強(qiáng)弱對(duì)泥巖的水理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征、物化性質(zhì)有較大的影響，并且最終使其力學(xué)性質(zhì)及抗風(fēng)化能力及脹縮性等有明顯的差別。通過巖礦鑒定、巖石化學(xué)成分分析、X-射線衍射分析等試驗(yàn)結(jié)果，工程區(qū)泥質(zhì)巖及砂礫巖的主要膠結(jié)方式為鈣質(zhì)膠結(jié)及泥質(zhì)膠結(jié)，白堊系(K1n、K1m)泥質(zhì)巖膠結(jié)物以鈣質(zhì)及鈣泥質(zhì)為主，第三系(E2s)巖層則以泥質(zhì)膠結(jié)為主。巖石膠結(jié)程度為弱—中等膠結(jié)。隧洞開挖揭露后，泥鈣質(zhì)膠結(jié)的暗紅色泥巖比其他灰質(zhì)泥巖的強(qiáng)度衰減更明顯，抗風(fēng)化性能更差，而較強(qiáng)膠結(jié)的泥灰?guī)r的強(qiáng)度最高，水穩(wěn)性也好。

3.3 施工環(huán)境對(duì)圍巖變形特性的影響

隧洞開挖，泥巖暴露地表后，經(jīng)過一段時(shí)間其工程性質(zhì)出現(xiàn)明顯變化。白堊系(K1n、K1m)泥質(zhì)巖及第三系(E2s)砂質(zhì)泥巖均具有失水干裂的不良特性，特別是泥巖在干燥后的二次浸水作用下，其工程性質(zhì)存在著巨大的差異。在保持天然含水狀態(tài)或三維應(yīng)力條件下，巖體具有較高的強(qiáng)度，但遇水浸泡后泥巖易軟化，強(qiáng)度衰減十分明顯，飽水狀態(tài)下的泥巖在附加應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下將產(chǎn)生明顯位移變形。

隨著巖石的風(fēng)化程度、干濕交替等環(huán)境變化其水穩(wěn)性也發(fā)生變化。有關(guān)試驗(yàn)研究成果表明，泥質(zhì)膨脹性圍巖的性狀變化主要因巖石含水量變化引起，若能保持開挖前的含水量，其通常不具備膨脹特性;但開挖后膨脹性圍巖逐漸干燥失水，再遇水便要膨脹崩解，其干燥失水越多，膨脹量越大。

4 工程措施

基于上述泥質(zhì)巖的力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)及變形影響因素，針對(duì)本引水隧洞工程圍巖變形問題，采取的工程措施包括防止和處理兩個(gè)方面:

(1)在施工過程中避免圍巖長(zhǎng)時(shí)間暴露、風(fēng)干、充水和浸泡，盡量保持工作面濕潤(rùn)的天然狀態(tài)，是防止或減少泥巖工程性質(zhì)惡化而產(chǎn)生失穩(wěn)或變形的關(guān)鍵，隧洞開挖后應(yīng)盡快封閉。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體卸荷效應(yīng)試驗(yàn)成果，在5—8 h內(nèi)完成混凝土噴護(hù)較為適宜。洞底積水應(yīng)盡快清除，避免水與軟巖接觸的機(jī)會(huì)和時(shí)間。

(2)隧洞開挖后的支護(hù)前、后位移對(duì)比檢測(cè)表明，洞室位移量在支護(hù)后大幅度減小，支護(hù)效果明顯。隧洞支護(hù)后大主應(yīng)力減小，小主應(yīng)力增大，剪應(yīng)力減小，洞室圍巖中沒有塑形破壞產(chǎn)生。對(duì)于頂拱部位薄層泥巖變形撓曲、剝落坍塌的防治，采用錨桿、掛網(wǎng)和噴混凝土的支護(hù)方式效果較好，系統(tǒng)錨桿選用Φ22長(zhǎng)1.5 m的砂漿錨桿，入巖深度1.4 m，穿過圍巖松動(dòng)圈。第三系泥巖等極軟巖、斷層破碎帶等破碎巖體，在地下水和地應(yīng)力作用下造成大范圍擠壓變形、破碎圍巖塌方等整體破壞，對(duì)于此類巖體(屬Ⅴ類巖體)，必須及時(shí)采取系統(tǒng)有效的支護(hù)措施，主要采用I12.6工字鋼拱架支護(hù)。通過鋼拱架支護(hù)間距優(yōu)化分析的研究，該類圍巖中鋼拱架較優(yōu)的支護(hù)間距可選為1.0 m。

另外，在鉆爆作業(yè)中控制好裝藥量和改進(jìn)工藝，可減少爆破對(duì)圍巖的破壞擾動(dòng)，也是提高隧洞圍巖的力學(xué)強(qiáng)度、保障圍巖穩(wěn)定性的重要一環(huán)。

5 結(jié)語

(1)輸水隧洞泥質(zhì)圍巖變形位移主要與圍巖整體強(qiáng)度、地下水、地應(yīng)力及工程施工方法有關(guān)。在以上各因素的相互疊加作用下，往往使圍巖加劇惡化，造成變形破壞。

(2)隧洞開挖使本來深埋的巖體臨空，一方面，巖體內(nèi)部原有應(yīng)力平衡受到破壞，周邊圍巖向徑向釋放應(yīng)力，從而導(dǎo)致邊墻內(nèi)脹、拱頂坍塌;另一方面，由于地下水的浸潤(rùn)，使得這種具有不良水理性質(zhì)的巖體脹裂和軟化，加速變形。

(3)天然狀態(tài)下泥質(zhì)巖的工程特性較為穩(wěn)定，但浸水飽和后其力學(xué)強(qiáng)度急劇降低，尤其是泥巖在干燥失水后的再次浸水，使其工程性質(zhì)將發(fā)生巨大的變化，激發(fā)諸如蠕變、崩解、膨脹等劣質(zhì)巖的特性，因此在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中針對(duì)這種變化因素，采取行之有效的防護(hù)措施，抑制或減弱泥巖產(chǎn)生對(duì)工程不利的變形影響，以保證工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定和安全運(yùn)行。

［1］ 林在貫，高大釗，顧寶和，等.巖土工程手冊(cè)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1994.