高 靜， 周 志 東， 石 偉 偉

(中國(guó)安能集團(tuán)第三工程局有限公司，四川 成都 611130)

1 概 述

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的推進(jìn)，青藏高原等高寒地區(qū)的水利水電工程、交通工程飛速發(fā)展。同時(shí)，也出現(xiàn)了很多工程地質(zhì)問(wèn)題，尤其以高寒地區(qū)的軟巖問(wèn)題較為突出，對(duì)工程施工產(chǎn)生了較大的影響，特別是對(duì)工程質(zhì)量、工程進(jìn)度和工程造價(jià)影響突出，有時(shí)甚至嚴(yán)重制約了工程的進(jìn)展。

巖石的堅(jiān)硬程度是根據(jù)巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度(frk)來(lái)劃分，可分為堅(jiān)硬巖石、較堅(jiān)硬巖石、較軟巖、軟巖和極軟巖。

軟巖是一種特性環(huán)境下的具有顯著塑性變形的復(fù)雜巖石力學(xué)介質(zhì)，具有相對(duì)松散性、軟弱性、低強(qiáng)度性、易風(fēng)化、水理性差等特點(diǎn)。一般可分成地質(zhì)軟巖和工程軟巖，工程軟巖系指在工程力作用下具有顯著塑性變形的工程巖體。工程上，一般把飽和單軸抗壓強(qiáng)度小于30 MPa的巖體統(tǒng)稱軟巖。例如，泥灰?guī)r碎屑在水解作用、方解石溶解作用和伊利石向伊-蒙混層礦物轉(zhuǎn)化作用下，巖石抗剪強(qiáng)度降低[1]。

青藏高原屬于高寒地區(qū)，是由原特提斯洋迅速上升隆起的。在西藏，區(qū)內(nèi)沉積巖自元古宇自第四系均有出露，覆蓋面積比例大，約占70%，底層系統(tǒng)發(fā)育齊全。特別是三疊系、侏羅系、白堊系和第三系的海相地層是我國(guó)范圍內(nèi)分布最廣泛、發(fā)育最齊全、最完整、厚度最大的地層。在西藏地區(qū)主要的軟巖有炭質(zhì)頁(yè)巖、泥巖和泥質(zhì)板巖等。

圖1 軟巖四元件巖石力學(xué)地質(zhì)概念模型

2 施工中軟巖的變化

2.1 應(yīng)力的變化

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于洞室開(kāi)挖，圍巖應(yīng)力釋放，是一個(gè)卸載的過(guò)程，對(duì)于軟巖，一般會(huì)產(chǎn)生大于1.5 m的松動(dòng)圈。因此，存在自我調(diào)整，達(dá)到穩(wěn)定平衡或者失穩(wěn)，這也是洞室圍巖產(chǎn)生的流變現(xiàn)象。在西藏的炭質(zhì)頁(yè)巖、泥巖和泥質(zhì)板巖等軟巖，一般表現(xiàn)為黏彈塑性變形。該地質(zhì)概念模型(圖1)。

2.2 巖體結(jié)構(gòu)的變化

在工程施工過(guò)程中，由于機(jī)械和人的作用使圍巖的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，特別是開(kāi)挖過(guò)程中，使圍巖增加臨空面，產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)面等。例如，爆破作用對(duì)圍巖造成損傷，致使圍巖產(chǎn)生爆破裂縫，降低了巖體的完整性等。由于凍融作用，通常使巖石的裂縫擴(kuò)展，微裂縫擴(kuò)張，新裂縫產(chǎn)生等。

2.3 水-力-熱的耦合作用

軟巖被施工揭露后，是一個(gè)復(fù)雜的水—力—熱相互耦合的作用過(guò)程[2]。

水對(duì)軟巖強(qiáng)度的影響，以西藏某水利工程為例，頁(yè)巖浸水隨時(shí)間延長(zhǎng)崩解試驗(yàn)見(jiàn)表1、2，強(qiáng)度改變見(jiàn)表3。

表1 西藏某工程頁(yè)巖浸水隨時(shí)間延長(zhǎng)崩解現(xiàn)象記錄

表2 西藏某工程炭質(zhì)頁(yè)巖崩解試驗(yàn)成果整理

表3 西藏某工程炭質(zhì)頁(yè)巖強(qiáng)度測(cè)試表

從2表可以看出，巖石軟化在5 d后非常迅速，耐崩解指數(shù)顯著下降，特別是裂隙發(fā)育和膠結(jié)相對(duì)較弱。有一定風(fēng)化的巖石，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，其裂隙快速擴(kuò)張，崩解很快。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)相對(duì)完整且膠結(jié)較好的微風(fēng)化或者新鮮巖石，其崩解相對(duì)不明顯。

由于巖石的不均一性，同樣鉆孔取得的巖石具有的強(qiáng)度不盡相同，但是大致反映了一個(gè)趨勢(shì)(圖2)，隨著浸水時(shí)間的增長(zhǎng)，鈣質(zhì)頁(yè)巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度下降明顯，軟化系數(shù)大大降低，當(dāng)浸泡10 d時(shí)，軟化系數(shù)為0.25。

由于西藏溫差大，日均溫差一般在10～20 ℃，凍融作用突出，特別是在露天開(kāi)挖的情況下，巖石很容易產(chǎn)生凍融崩解，以炭質(zhì)頁(yè)巖為例。炭質(zhì)頁(yè)巖屬于一種軟巖，節(jié)理裂隙多，遇水易于軟化，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)近5個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)凍融，在冰雪和凍融的作用下，新鮮的巖石崩解(圖3、4)，而凍融對(duì)閃長(zhǎng)玢巖的強(qiáng)度影響相對(duì)較小。

圖2 鈣質(zhì)頁(yè)巖軟化系數(shù)隨浸泡時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖3 隧洞掌子面新鮮的炭質(zhì)頁(yè)巖

3 高寒地區(qū)軟巖對(duì)施工的影響分析

以西藏某地下工程為例，對(duì)施工的影響主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)容易產(chǎn)生超挖。在施工過(guò)程中，雖然采取了控制爆破，例如光面爆破等，但是由于巖石本身的強(qiáng)度低，水理性差、變形大，因此，當(dāng)受到輕微擾動(dòng)，爆破過(guò)程中的爆破振動(dòng)難免對(duì)爆破設(shè)計(jì)輪廓線一位的圍巖產(chǎn)生影響，圍巖就會(huì)產(chǎn)生變形或者破壞。在排危過(guò)程中，巖塊沿結(jié)構(gòu)面坍塌的可能性很大，導(dǎo)致超挖。在西藏某工程主洞為馬蹄形斷面，開(kāi)挖斷面最大寬度5 m，高度5 m，軟巖洞挖過(guò)程中，邊頂拱超過(guò)平均超挖近40 cm，超挖量超過(guò)允許值的100%(規(guī)范允許超挖20 cm)。

圖4 通過(guò)5個(gè)月露天凍融的炭質(zhì)頁(yè)巖

(2)嚴(yán)重泥化。泥化主要存在于底板。西藏某些軟巖，在有水的情況下，很容易軟化和泥化。例如，西藏某隧洞施工(圖5)，由于軟巖的存在，在不采取施工底板保護(hù)措施的情況下施工作業(yè)，特別是在車輛和反鏟等設(shè)備的擾動(dòng)下，大面積發(fā)生泥化，造成局部低于設(shè)計(jì)高程約1.7 m，引發(fā)嚴(yán)重的超挖。

(3)工程滯后、成本增加且工期延長(zhǎng)。 由于超挖及泥化等現(xiàn)象的存在，勢(shì)必采取施工措施，導(dǎo)致

圖5 軟巖遇水泥化

(4)存在質(zhì)量隱患。 由于軟巖的存在和對(duì)水的敏感性，施工過(guò)程中的水、地下水均有可能對(duì)軟施工成本增加。例如，采取超挖超填、淤泥清理和保護(hù)措施等。因此，影響施工進(jìn)度，導(dǎo)致工期延長(zhǎng)。巖造成影響，引起巖石軟化和泥化，導(dǎo)致施工質(zhì)量的隱患。

4 施工對(duì)策

軟巖具有容易變形、水理性差、易泥化等問(wèn)題。因此，在施工過(guò)程中，主要的對(duì)策有：

(1)及時(shí)支護(hù)和封閉圍巖。開(kāi)挖后及時(shí)驗(yàn)收，跟進(jìn)支護(hù)[3]。對(duì)于圍巖有鋼拱架的部位做到每循環(huán)及時(shí)支護(hù)、封閉。對(duì)于Ⅱ、Ⅲ圍巖及時(shí)噴護(hù)混凝土進(jìn)行封閉，避免受到潮濕空氣等的影響產(chǎn)生軟化。根據(jù)軟巖崩解試驗(yàn)，建議一般Ⅳ、Ⅴ類圍巖開(kāi)挖后1～2 d進(jìn)行封閉，Ⅱ、Ⅲ類圍巖不宜超過(guò)5 d[4]。底板開(kāi)挖50～150 m左右暫停進(jìn)尺，立即對(duì)底板進(jìn)行清理，并澆筑墊層混凝土進(jìn)行封閉。

(2)加強(qiáng)排水。施工過(guò)程中要采取集中排水與隨機(jī)排水相結(jié)合的方式加強(qiáng)排水。集中排水主要根據(jù)地下水和施工用水的情況，按照一定的間距設(shè)置集水井進(jìn)行集中排水。隨機(jī)排水主要是在有較大地下水時(shí)，進(jìn)行隨機(jī)的引排，遇到較大的涌水點(diǎn)，增加排水孔，并將排水孔直接連接到排水溝中，減少巖層裂隙水對(duì)軟巖的影響。

(3)底板開(kāi)挖預(yù)留保護(hù)層，加強(qiáng)底板保護(hù)。開(kāi)挖過(guò)程中，預(yù)留30 cm保護(hù)層，以減少施工過(guò)程中底板圍巖泥化對(duì)建基 面產(chǎn)生的影響(圖6)。

圖6 隧道底板預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖(單位：cm)

(4)嚴(yán)格控制爆破。爆破施工過(guò)程中做到精細(xì)化管理：一是爆破制度精細(xì)化，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全過(guò)程實(shí)施監(jiān)控，加強(qiáng)人員技術(shù)的培養(yǎng)和深造；二是爆破安全控制精細(xì)化，確定安全控制的關(guān)鍵點(diǎn)，細(xì)化并明確各個(gè)環(huán)節(jié)工藝流程的安全操作程序，使安全在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中處于受控狀態(tài)；三是爆破質(zhì)量控制精細(xì)化，實(shí)施嚴(yán)格的光面爆破(圖7)[5]，從爆破設(shè)計(jì)到施工各個(gè)環(huán)節(jié)做好精細(xì)，特別是對(duì)周邊眼的間距控制與裝藥結(jié)構(gòu)嚴(yán)格要求，適當(dāng)根據(jù)地質(zhì)情況，采取個(gè)性化裝藥，減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

(5)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。軟巖變形必須在開(kāi)挖后進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)，地下工程必須根據(jù)洞室斷面尺寸進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)，筆者認(rèn)為西藏地下工程圍巖監(jiān)測(cè)有條件時(shí)可以適當(dāng)提高標(biāo)準(zhǔn)，增設(shè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)圍巖的類別。例如，規(guī)范規(guī)定內(nèi)地洞徑小于5 m時(shí)，只需要在Ⅴ類圍巖進(jìn)行監(jiān)測(cè)，西藏地區(qū)圍巖監(jiān)測(cè)范圍可以適當(dāng)擴(kuò)大，在Ⅳ、Ⅴ類圍巖均需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)必要監(jiān)測(cè)?？傊?，監(jiān)測(cè)范圍必須高于標(biāo)準(zhǔn)并嚴(yán)于內(nèi)地。

圖7 光面爆破鉆孔布設(shè)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

施工中經(jīng)常遇到軟巖，軟巖的強(qiáng)度低、變形大、水理性差是軟巖的突出特征，是一個(gè)棘手的工程地質(zhì)問(wèn)題。在西藏許多工程實(shí)踐中，都遇到了軟巖變形、軟化、泥化和凍融等問(wèn)題。筆者以西藏某水利工程為例，進(jìn)行軟巖軟化性能研究，對(duì)施工過(guò)程中產(chǎn)生的超挖、嚴(yán)重泥化、工期延長(zhǎng)和質(zhì)量隱患等進(jìn)行分析，有針對(duì)性地采取措施，嚴(yán)格爆破施工、及時(shí)封閉圍巖、加強(qiáng)集中和隨機(jī)排水、預(yù)留保護(hù)層、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等，保證了工程的順利推進(jìn)，節(jié)約了施工成本。