張得魯

(北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

1 引 言

長春地鐵2號線西延工程起點為東風(fēng)大街南約 1.0 km，線路沿凱達北街敷設(shè)，線路在下穿警備路和西四環(huán)后到達地鐵2號線西延線終點，線路平面示意圖如圖1所示。車站采用明挖法和暗挖法施工，區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。整個沿線位于松遼波狀平原東緣與吉東山地接址帶，屬長春波狀臺地，覆蓋層以第四系沖洪積土層為主，其下為白堊系泥巖夾粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖。白堊系泥巖具有抗風(fēng)化能力弱，風(fēng)干易裂，吸水便完全崩解的特性，巖體的工程力學(xué)性質(zhì)差異很大；特別是在泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖遇水和失水的情況下，工程力學(xué)性質(zhì)變化較大，在施工時，應(yīng)及時采取有效的支護和防護措施。長春地鐵2號線西延工程沿線區(qū)域地質(zhì)圖如圖2所示。

圖1 長春地鐵2號線西延工程線路平面示意圖

圖2 長春地鐵2號線西延工程沿線區(qū)域地質(zhì)圖

因此，采取有效的防治措施，穩(wěn)定巖體中的含水量，可避免泥巖的崩解膨脹對地鐵施工帶來的危害。

2 巖石的崩解膨脹特征

根據(jù)現(xiàn)場勘察及室內(nèi)實驗，長春地區(qū)白堊系泥巖有兩方面的特征：①表觀特征。根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)勘察，沿線分布的白堊系泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖表面比較光滑，手摸有滑感，斷口呈貝殼狀，具蠟狀光澤。根據(jù)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，暴露于空氣中的巖芯，在幾小時或幾天內(nèi)即碎裂、破壞。風(fēng)干狀態(tài)下的巖芯在遇水的情況下，能夠崩解膨脹，成為碎塊、碎屑或泥狀。②巖體破壞特征?，F(xiàn)場巖芯破壞后宏觀表現(xiàn)為碎漲破壞，巖體浸水后膨脹、開裂、崩解，成碎塊狀。

該類巖體破壞主要由于巖石內(nèi)含有膨脹性的黏土礦物，在巖石浸水后，親水礦物易迅速吸附水分子，造成巖石內(nèi)部微結(jié)構(gòu)破壞，巖石膨脹變形、崩解開裂[1，2]。通過室內(nèi)崩解膨脹試驗發(fā)現(xiàn)，大部分泥巖浸水后，巖石內(nèi)部節(jié)理裂隙可溶鹽類易迅速溶解流失，造成巖石節(jié)理裂隙進一步擴大，塊體粘結(jié)強度變?nèi)?，巖石完整性變差，使得水分子與黏土礦物充分接觸而造成巖石崩解破壞，巖塊呈土狀散落，最終形成泥糊狀，該類破壞無明顯的膨脹變形過程。

3 巖石崩解與膨脹試驗

3.1 崩解試驗

地鐵2號線西延線勘察期間，對勘察鉆孔取原狀樣進行室內(nèi)實驗，共完成試樣14組。按照《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG-E41-2005)規(guī)范中巖石耐崩解性指數(shù)按下列公式計算：

(1)

式中Id2—巖石二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)，%；

ms—原試件烘干質(zhì)量，g；

mr—殘留試件烘干質(zhì)量，g；

崩解試驗統(tǒng)計表 表1

巖石耐久性劃分表 表2

本次地鐵2號線西延勘察場地范圍內(nèi)廣泛分布白堊系泥巖，主要為紫紅色泥巖夾灰白色、灰黃色、灰綠色泥質(zhì)粉砂巖，厚度很大。根據(jù)試驗結(jié)果全、強風(fēng)化泥巖第一次循環(huán)耐崩解性指數(shù)為0.0%～25.4%，平均耐崩解性指數(shù)為6.8%；第二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)為0.0%～3.6%，平均耐崩解性指數(shù)為0.4%。根據(jù)巖石耐久性劃分表，判斷風(fēng)化泥巖屬于極低耐久性巖石且第一次崩解殘留試件烘干質(zhì)量大多小于20%，第二次崩解殘留試件烘干質(zhì)量幾乎為零?？梢妼τ诿魍诨颖┞逗箫L(fēng)化泥巖會發(fā)生嚴重的剝落現(xiàn)象，如不及時對其進行支護，會產(chǎn)生大規(guī)模坍塌。暗挖施工支護不及時可能產(chǎn)生掌子面變形、片幫、冒頂問題等。降水施工過程中，容易在隧道附近形成空洞，導(dǎo)致地面及隧道塌陷。風(fēng)化層位于基巖起伏地區(qū)，很容易形成疏不干效應(yīng)，隧道開挖過程中，基巖面易發(fā)生涌水和流砂現(xiàn)象。

3.2 膨脹試驗

白堊系泥巖層主要分布于地鐵結(jié)構(gòu)底部及側(cè)壁，為進一步判定該層土膨脹性大小，現(xiàn)場在鉆孔內(nèi)采取了9組巖樣進行了土的膨脹性試驗，如表3、表4所示。

次甲基藍吸附法測定蒙脫石含量表 表3

土類型及自由膨脹率實驗值表 表4

4 泥巖水理性質(zhì)分析

4.1 礦物成分

在地鐵勘察區(qū)間取巖樣進行室內(nèi)磨片鑒定，標本號XY01-7，取樣深度：32.5 m～32.7 m。鏡下鑒定礦物成分：巖石全部由黏土礦物組成，含極少量粒度小于 0.05 mm的長英質(zhì)粉砂，這些黏土礦物呈隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，在薄片中光性不明顯。泥狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，鑒定名稱：泥巖。由于黏土礦物透光性較差，磨片效果不理想，放大300倍后得到的巖樣磨片鑒定成果如圖3所示。

圖3 XY01-7巖樣磨片鑒定成果

后期補充取樣，進行了X射線礦物衍射分析，成果如表5所示。說明該泥巖的主要礦物成分為石英、斜長石、方解石以及黏土礦物，其中伊利石為主要的黏土礦物。

泥巖中的黏土礦物具有一定的親水性，其中蒙脫石的親水性最強，伊利石次之，高嶺石最弱；所以，泥巖膨脹性的強弱直接取決于蒙脫石的含量。由試驗得出，長春白堊系泥巖石英含量較高，黏土礦物含量相對較少，耐崩解性指數(shù)相對較高，膨脹潛勢不大。

X射線礦物衍射分析測試成果表 表5

4.2 巖石結(jié)構(gòu)

泥巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征主要考慮巖石中節(jié)理裂隙的影響。按照成因分析，巖石中的裂隙可劃分為構(gòu)造裂隙(構(gòu)造作用)、成巖裂隙(成巖作用)、卸荷裂隙(卸荷作用)及風(fēng)化裂隙(干縮濕脹作用)，其中成巖裂隙和風(fēng)化裂隙對巖石膨脹性和崩解性有直接影響[3]。巖石中礦物分布的不均勻性往往由成巖裂隙造成，而風(fēng)化裂隙往往嚴重破壞了巖石的完整性。通過對長春地區(qū)基坑詳細調(diào)查表明，開挖面一旦形成，巖石中原本細小的裂隙會擴展成很寬的裂隙，從而將巖石切割成小型塊體，為巖石的崩解創(chuàng)造了條件。同時，裂隙的擴展也為地下水的滲透提供了通道，造成巖石水分流失，影響親水礦物作用的發(fā)揮，進而影響巖石的膨脹特征。因此，巖石的節(jié)理裂隙越發(fā)育，越有利于巖石膨脹性和崩解性的發(fā)揮。

4.3 抗剪強度分析

(1)常規(guī)物理力學(xué)試驗

對全風(fēng)化泥巖和強風(fēng)化泥巖進行了含水量、比重、天然密度、干密度、飽和度、孔隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)、壓縮模量及單軸抗壓強度等物理力學(xué)試驗，如表6所示。

常規(guī)物理力學(xué)試驗綜合統(tǒng)計表 表6

根據(jù)表6可以得出，從全風(fēng)化泥巖到強風(fēng)化泥巖，含水量減少，孔隙比減少，密度增大，壓縮模量增大，單軸抗壓強度增大。

(2)剪切試驗

在實驗室采用直剪試驗的固結(jié)快剪試驗方法進行了不同含水率的膨脹巖抗剪強度試驗，試驗結(jié)果如表7所示。試驗結(jié)果顯示： 泥巖在風(fēng)干、天然、飽和狀態(tài)下，摩擦角(風(fēng)干)>摩擦角(天然)>摩擦角(飽和)，凝聚力(風(fēng)干)>凝聚力(天然)>凝聚力(飽和)。實驗結(jié)果說明，泥巖在較低的含水率情況下，抗剪強度比較高。

不同含水率情況下泥巖的抗剪強度實驗 表7

5 防治措施

泥巖的膨脹性和崩解性，破壞原巖結(jié)構(gòu)、降低巖體強度，造成巖體裂隙張開破碎、巖體松弛松軟。針對膨脹巖膨脹崩解機理，結(jié)合地鐵工程特點和地區(qū)工程經(jīng)驗，建議采取以下防治措施：①在施工過程中分段施工、快速開挖、快速回填夯實，盡量保持泥巖地層含水量原狀，防止巖體長時間暴曬、風(fēng)干、雨浸等。②選擇合適的施工季節(jié)，盡量避開雨季施工，以免滲水、積水導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，同時加強現(xiàn)場排水，基坑開挖后各道工序要緊密銜接。③白堊系泥巖具有抗風(fēng)化能力弱、失水崩解、遇水軟化的性質(zhì)，施工時可能產(chǎn)生塌方問題，所以施工過程中該段應(yīng)重點采取有效的支護和防護措施，不宜長時間暴露。

6 結(jié) 論

通過對長春地區(qū)白堊系泥巖的崩解膨脹試驗和礦物組成、巖石結(jié)構(gòu)、抗剪強度分析，對長春白堊系泥巖有了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)水是影響泥巖崩解膨脹性和力學(xué)性質(zhì)的直接因素。針對地鐵工程，采取適宜的防治措施，為地鐵工程的建設(shè)提供依據(jù)。