典型膨胀岩隧洞围岩变形机制分析

2018-04-24孙德利

水利规划与设计 2018年3期

孙德利

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 110006)

我国膨胀岩地层分布面积较为普遍[1]，现已发现膨胀岩较为发育的地区主要有东北、西北、西南、东南沿海及黄河与长江下游等地区。膨胀岩是具有吸水膨胀、失水收缩、易风化崩解软化等特殊类软～较软岩，由于它的特殊物理力学性质，在干湿交替水文地质环境下，常常导致隧洞围岩变形增加、衬砌开裂、坍塌等病害[2]，因此在膨胀软岩工程地质环境中修建隧洞极具挑战性。

1 膨胀岩的基本特征

膨胀岩的基本特征是亲水性强、膨胀率高、强度低、膨胀压力大、崩解快等，对洞室开挖围岩稳定性、衬砌及后期运行维护十分不利[3]。

膨胀岩的强亲水性，是由于含有蒙脱石、伊利石、高岭石等强亲水性黏土矿物，强烈吸附周围水分子，使颗粒间粘结力减小、体积膨胀、间距增大，岩石孔隙率较大(一般在25%～35%)，因此遇水易产生膨胀变形和膨胀压力。另外，膨胀岩浸水或遇水后易崩解，甚至有的浸水后几分钟就完全崩解。试验表明，膨胀岩的粘聚力和内摩擦角均随含水量增加而降低[4]。

膨胀岩作为特殊不良地质体，在前期勘察就应引起足够重视，查明膨胀原因，分布范围，正确认识和评价，以确定合理的开挖支护参数，从而减轻或避免危害[5]。

2 工程实例

2.1 工程概况

某输水隧洞工程位于辽宁省朝阳市北票市境内，全长27km，纵坡比i=0.31‰，全断面钻爆法施工，为城门洞型断面，无压洞。

2.2 隧洞开挖揭露地质条件

桩号J16+555～J16+570为已开挖段，开挖揭露隧洞右上部岩性为侏罗系中统髫髻山组(J2t)凝灰岩，灰绿色，弱风化，碎屑结构，斑杂构造，向两壁延伸。揭露凝灰岩厚度0.3～0.8m。点荷载试验换算饱和单轴抗压强度为15～20MPa，为较软岩；下部为侏罗系中统髫髻山组(J2t)凝灰质砂砾岩，灰白色，弱风化，凝灰质结构，块状构造，其中砾石含量约占30%，一般粒径0.5～3cm，最大粒径5cm。砾石磨圆度较好，呈亚圆形。点荷载试验换算饱和单轴抗压强度为20～25MPa，为较软岩。洞室节理裂隙发育，微张开，充填岩屑或无充填，结构面平直粗糙～平直光滑。受多组节理相互切割影响，洞室岩体完整性差。地下水活动状态：干燥。施工围岩类别为Ⅳ类。

2.3 主要支护参数

I12型钢支撑，纵向间距1.05m，联合锚杆、挂网及喷射混凝土支护。钢支撑间采用Φ22螺纹钢连接，环向间距1m，喷射混凝土厚度0.1m。顶拱范围内布设Φ32超前小导管，小导管长度为4m，环向间距为0.4～0.6m。开挖支护过程中未发生变形[6]。

2.4 围岩变形发生发展过程

2017年8月1日晚，发现桩号J16+555～J16+570右边墙混凝土开裂，最大宽度0.5cm，随即进行补喷。至8月2日晚，裂隙进一步发展，右侧拱架直腿向洞内发生严重变形，最大变形0.2m。至8月4日20∶00，变形继续增大，拱顶最大沉降量20cm，左边墙最大变形量20cm，右边墙最大变形量40cm。变形主要集中在右边墙，随变形进一步发展，拱顶和左边墙也发生变形，即将整体失稳破坏。随即施工单位对该处进行了临时加固措施，每个断面分2根Φ150钢管斜向支撑和2根横向支撑。由于拱架变形过大，已侵占二衬断面，因此待临时支撑完成，变形可控后对该变形段采取拆除原拱架，再次加固衬砌，以确保洞室围岩稳定。

3 围岩膨胀特性研究

3.1 隧洞变形段围岩试验成果

对变形段凝灰岩的黏土矿物成分、膨胀力试验结果见表1和表2。

表1 隧洞凝灰岩黏土矿物成分X射线衍射分析成果

表2 弱风化凝灰岩膨胀力试验成果

凝灰岩和凝灰质砂砾岩的物理力学指标试验结果见表3和表4。

表3 围岩的物理力学指标试验成果

3.2 膨胀岩工程地质评价

(1)隧洞产生膨胀变形的围岩主要为凝灰岩，对黏土矿物成分进行X射线测试成果表明，伊蒙混层占63%，伊利石、高岭石含量14%～15%，是较强亲水性黏土矿物，岩石膨胀性是隧洞变形的基础[7]；

(2)凝灰岩粘粒含量为33.2%～35.5%，分散度为94.3%，具有膨胀岩的物理特征；

(3)膨胀试验表明：凝灰岩自由膨胀率55%～56%，大于25%；随饱和度增大膨胀力增大，当完全饱和时，膨胀力达到最大值0.285，大于0.15MPa，属于典型膨胀岩。

(4)凝灰岩抗压强度为15.6～18.2MPa，凝灰质砂砾岩为21.1～24.1MPa，均为较软岩，软化系数分别为0.43、0.21，遇水易软化变形。

4 隧洞变形段变形破坏机制分析

4.1 围岩膨胀性是导致变形破坏的基础

在卸荷条件下，由于岩石遇水发生一系列物理化学变化，而导致体积膨胀的岩石称为膨胀岩。此次变形发生在该地区汛期，地表降水明显增加，受此影响洞内呈滴水～线流状，该段最大出水量为5m3/(h·10m)。

(1)围岩膨胀机制

该隧洞围岩矿物成分以伊蒙混层为主，具有较强的亲水性。将新鲜凝灰岩置于水中浸泡，岩石开始吸水膨胀，伴随有鳞片状碎屑物脱落，水逐渐变浑浊，该过程称为“分散型或膨胀型崩解”。当凝灰岩暴露空气中一段时间，岩石风化导致裂隙增多，再浸泡，崩解速度明显加快[8]。

表4 凝灰岩细料物理试验成果表

围岩中存在孔隙与裂隙，其中孔隙为成岩过程中形成，裂隙分为原有构造裂隙和风化裂隙；隧洞爆破开挖过程中岩石松动圈产生的松弛裂隙。凝灰岩试块原生孔隙率14.3%，孔隙率较大，且不包括松弛圈震动裂隙[9]。

凝灰岩中孔隙与裂隙表面是组成岩石结构体系中“水-岩相界面”，表面能较大，遇水强烈吸附水分子。这种吸附减小了表面能，这部分表面能以潮湿热的形式逸出和转化为促使岩石“水-岩相界面”增大的力学破坏能，即膨胀压力。岩石的膨胀和崩解又产生新的“水-岩相界面”，产生新的膨胀压力，不断循环往复。我们把这种以蒙脱石、伊利石等黏土矿物遇水膨胀、崩解引起的变形逐渐放大累进作用定义为水-岩耦合作用[10]。

(2)膨胀力与岩石地下水环境

岩石最大膨胀力Pmax与地下水环境、湿度密切相关。S.L.Hvang等通过侧向约束得出最大膨胀力与相对湿度RH、湿度变化指数IRH的关系方程[11]：

式中，Pmax—最大膨胀力，MPa。

上式表明，岩石最大膨胀力与相对湿度平方呈正相关关系。隧洞开挖过程中干、湿环境改变，将导致凝灰岩达到最大膨胀力Pmax=0.285MPa。尤其是干湿交替循环条件，岩石反复膨胀与收缩，导致围岩反复加荷与卸荷，导致变形的发生。

4.2 蠕变收敛加剧围岩的变形破坏

本隧洞埋深较大，约为200m，围岩上部自重应力较大。隧洞凝灰岩湿抗压强度15.6MPa，软化系数0.43；凝灰质砂砾岩湿抗压强度21.1MPa，软化系数0.21，均属于较软岩。围岩在上部较大自重应力作用下产生蠕变收敛变形，导致新的裂隙与“水-岩相界面”产生，蠕变收敛与膨胀变形相互叠加产生放大耦合作用，加剧了围岩变形破坏[12]。