上第三系泥岩工程性质及其对隧道施工的影响

高勤运

宝鸡—兰州客运专线天水—兰州段线路走行于黄土高原梁峁区。区内梁峁起伏，沟壑纵横，地表广布第四纪风积黄土，下伏上第三系泥岩、砂质泥岩，滑坡、泥石流、陷穴等不良地质发育，黄土具自重湿陷性，泥岩多为膨胀岩，工程地质条件极为复杂。本段线路长约270 km，共有隧道45座，其中泥岩为主的21座，占47%。鉴于区内泥岩分布范围较广，工程性质特殊，加之客运专线隧道开挖断面较大，因此对其工程性质进行研究与总结，很有必要。

1 沿线泥岩的基本特征

1)分布与构造的关系。沿线泥岩的分布与构造密切相关，一般以山间盆地形式存在。天水—秦安段在区域构造上地处祁吕弧形褶带和陇西系旋卷构造的复合部位，属天(水)礼(县)盆地的北部边缘，秦安—兰州一带为陇西系内旋褶带，发育有陇西、定西、兰州盆地。第三纪以来，区内表现为大面积抬升和差异性升降，山地断块强烈隆升，盆地相对下沉，沉积了厚层的泥岩，是西北黄土高原和各类第四系松散堆积层的主要基底层。

2)成因与环境。沿线泥岩以棕红、砖红色为主，局部夹有灰绿、灰白、黄绿、青灰色，大多层理不明显，呈巨块状，仅局部地段呈近水平状产出，成岩作用较差，岩质较软。为干旱或半干旱气候条件下，干燥内陆氧化环境中陆相、河湖相陆源碎屑物沉积而成，最大厚度逾千米，一般达数百米。呈现红色是因为填充物或胶结物主要是氧化铁，特别是赤铁矿所致。

3)矿物成分。泥岩属于粘土岩的一部分，是由粒度小于0.004 mm的陆源碎屑和粘土矿物组成的岩石，其矿物成分复杂，除主要成分粘土矿物伊利石、绿泥石、蒙脱石、高岭石外，常有陆源碎屑矿物和自生矿物，如石英、方解石、长石及少量石盐等，其主要矿物成分含量详见表1。本区泥岩中粘粒含量都大于50%，粘粒中粘土矿物含量又在55%以上，且以片状伊利石为主，比表面积大，活性度大，具有较强的亲水性，因此在浸水或外力作用下易产生膨胀和沿层间的错动。

2 主要工程性质

沿线上第三系泥岩的含水率一般大于10%，最大达23.5%;天然密度介于1.95 g/cm3～2.33 g/cm3间;颗粒密度平均为2.70 g/cm3。因其颗粒较细，且含有亲水性粘土矿物，又成岩作用较差，因而具有特殊的工程性质。

2.1 崩解性

土因浸水而发生崩解散体的特性称为崩解性。它是由于水进入孔隙或裂隙中的情况不均衡而引起粒间扩散层增厚的速度不平衡，以致粒间斥力超过吸力的情况也不平衡，产生应力集中，使土体沿着斥力超过吸力最大的面崩落下来。沿线上第三系泥岩属粘土岩，颗粒较细，矿物成分以伊利石为主，成岩较差，因此遇水也具有崩解性，往往开裂成碎块或片状。如沿线裸露的泥岩边坡，坡脚常见有崩积体;钻孔岩芯，也随暴露时间延续会缓慢地开裂成碎块或碎片。

表1 上第三系泥岩主要矿物含量统计表

2.2 膨胀性

沿线上第三系泥岩，由于含有伊利石、蒙脱石等粘土矿物，一般具有膨胀性。因其易崩解，粉碎过筛(0.5 mm)后比照土的自由膨胀率试验方法进行试验。自由膨胀率一般介于30%～50%，最大91%;蒙脱石含量多数在7%～17%间，平均13.4%;阳离子交换量较低，平均148.9 mmol/kg，最小为78 mmol/kg。比照表2膨胀潜势分级表，沿线上第三系泥岩应多具有弱膨胀性，局部为中等膨胀性。

表2 膨胀潜势分级表

2.3 低强度性

本区泥岩的天然抗压强度，最小为0.099 MPa，最大14.7 MPa，平均2.58 MPa，属于极软岩;根据三轴剪切试验，其粘聚力在0.211 MPa～0.521 MPa间，内摩擦角24.7°～36.8°。泥岩的低强度与其自身的矿物成分、岩石结构及含水率有关。因泥岩本身由软弱矿物如伊利石、蒙脱石等组成，均为亲水矿物，且为泥质胶结，抗压强度自然低;而岩石结构的影响，主要表现在颗粒大小、空隙率与空隙分布特点等方面，一般空隙率愈大的岩石，即密实程度较差的岩石，抗压强度愈低。岩石湿度对抗压强度也有显著影响，一般岩石的强度随含水率的增加而降低。

总之，上第三系泥岩含较多亲水的粘土矿物，固结差，水化作用突出，崩解与膨胀作用显著，强度低，属特殊的极软岩，工程性质较差。

3 隧道施工中易出现的地质问题

泥岩的低强度、膨胀性及崩解性对边坡、地基稳定性均有影响，尤其是在地下水发育地带，同样，对隧道工程来说，其特殊性也容易诱发工程地质问题。本段地处半湿润—半干旱气候区，第三系泥岩下伏于风积砂质黄土或冲洪积碎石类土之下，地下水虽不甚发育，但局部土石界面附近或基岩裂隙中仍有少量地下水存在，隧道施工时，开挖断面较大，随着环境地质条件的改变，易出现地基失稳、坍塌掉块、塑性变形、翻浆冒泥等变形破坏现象，影响隧道施工安全。

3.1 地基失稳

本段隧道进出口段多位于第四系上更新统风积砂质黄土与上第三系泥岩接触带附近，砂质黄土具大孔隙性，垂直节理发育，有利于地表水的下渗，往往会在接触面上形成不连续的上层滞水。当隧道进出口基底位于接触面上时，因泥岩软化、膨胀，强度降低，导致基础产生不均匀沉降，易造成洞门下沉、开裂变形。

3.2 坍塌掉块

沿线泥岩虽层理不明显，节理、裂隙不发育，呈巨块状，但其由蒙脱石、伊利石等易风化、软化的矿物组成，且这些具有滑感的矿物多分布在层面、裂隙面、节理面等结构面上，又因成岩作用较差，围岩整体稳定性较差。隧道开挖后，结构面上的抗剪强度显著降低，围岩极易沿不利结构面产生松弛、滑移和坠落等变形破坏，即坍塌掉块现象，特别是有地下水时，更易发生这类变形和破坏。

3.3 塑性变形

据本线在西秦岭北缘中山区深钻孔中实测的地应力值及邻近的兰渝线在黄土高原区实测的地应力值，显示三向主应力的关系为SH＞Sh＞Sv，以水平主应力作用为主，最大水平主应力值SH= 13 MPa～16 MPa，最大主应力优势方向为NEE～近EW。根据地应力测试和岩石抗压试验成果，计算Rc/SH=3.13～4.93，处于高～极高地应力的范围。沿线天水—兰州段地处黄土高原区，新构造运动强烈，地震活动较为频繁，泥岩强度低、塑性较强，具膨胀性，受外力作用易于变形，部分位于泥岩中且埋深较大的隧道，如渭河隧道、郭嘉、古城岭隧道在开挖过程中或开挖后，由于应力作用或向洞室临空面的膨胀、流动，有产生塑性挤出、膨胀内鼓等塑性变形的可能，具体可表现为底板鼓胀，水平收敛、拱顶下沉、开裂等。如某线双河口隧道，位于泥岩、页岩中，施工中基底隆起高达0.45 m～0.60 m，基底变形示意图见图1。经监测，在施工环境下(洞内施工通风，湿度较大)，基底隆起平均速度为0.63 mm/月～8.79 mm/月，且隆起速度受临空面大小和岩性的影响。当基底浸水饱和后，隆起速度为7.77 mm/月～7.83 mm/月。究其原因，主要与隧道开挖后应力重新分布有关，也与泥岩、页岩受水浸泡膨胀变形有一定关系。

3.4 翻浆冒泥

沿线上第三系泥岩，属极软岩，围岩级别为Ⅳ级～Ⅴ级，隧道设计断面均为圆形带仰拱，这可以有效避免运营过程中翻浆冒泥现象的产生。但在施工过程中，若施工用水管理不善，长期浸泡基底，使基底软化，加之扰动，同样会产生翻浆冒泥，进而造成其他地质灾害，影响施工进度与安全。

4 结论与建议

宝兰客专沿线的上第三系泥岩工程性质较为特殊，在隧道施工过程中，因环境地质条件的改变，易产生地基失稳、围岩变形、翻浆冒泥等地质问题，影响隧道施工及运营安全，施工中对此要有充分的认识，宜采取如下的工程措施:

1)对膨胀岩的处理，“保湿防渗”较为有效。隧道施工中，应随开挖，随支护，及时封闭掌子面，避免长时间暴露。2)对软弱围岩，应遵循“弱爆破、强支护、快封闭、二衬紧跟”的原则，尽量采用短台阶法施工。3)加强地表防排水措施，尤其是进出口的天沟、吊沟等，避免地表水入渗;同时，应合理使用施工用水，尽量避免积水，并完善隧道内排水系统。

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