长春白垩系全风化、强风化泥岩崩解膨胀特性及力学性研究

张得鲁

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

1 引 言

长春地铁2号线西延工程起点为东风大街南约 1.0 km，线路沿凯达北街敷设，线路在下穿警备路和西四环后到达地铁2号线西延线终点，线路平面示意图如图1所示。车站采用明挖法和暗挖法施工，区间采用盾构法施工。整个沿线位于松辽波状平原东缘与吉东山地接址带，属长春波状台地，覆盖层以第四系冲洪积土层为主，其下为白垩系泥岩夹粉砂质泥岩和泥质粉砂岩。白垩系泥岩具有抗风化能力弱，风干易裂，吸水便完全崩解的特性，岩体的工程力学性质差异很大；特别是在泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩遇水和失水的情况下，工程力学性质变化较大，在施工时，应及时采取有效的支护和防护措施。长春地铁2号线西延工程沿线区域地质图如图2所示。

图1 长春地铁2号线西延工程线路平面示意图

图2 长春地铁2号线西延工程沿线区域地质图

因此，采取有效的防治措施，稳定岩体中的含水量，可避免泥岩的崩解膨胀对地铁施工带来的危害。

2 岩石的崩解膨胀特征

根据现场勘察及室内实验，长春地区白垩系泥岩有两方面的特征：①表观特征。根据现场的地质勘察，沿线分布的白垩系泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩表面比较光滑，手摸有滑感，断口呈贝壳状，具蜡状光泽。根据现场勘察发现，暴露于空气中的岩芯，在几小时或几天内即碎裂、破坏。风干状态下的岩芯在遇水的情况下，能够崩解膨胀，成为碎块、碎屑或泥状。②岩体破坏特征。现场岩芯破坏后宏观表现为碎涨破坏，岩体浸水后膨胀、开裂、崩解，成碎块状。

该类岩体破坏主要由于岩石内含有膨胀性的黏土矿物，在岩石浸水后，亲水矿物易迅速吸附水分子，造成岩石内部微结构破坏，岩石膨胀变形、崩解开裂[1，2]。通过室内崩解膨胀试验发现，大部分泥岩浸水后，岩石内部节理裂隙可溶盐类易迅速溶解流失，造成岩石节理裂隙进一步扩大，块体粘结强度变弱，岩石完整性变差，使得水分子与黏土矿物充分接触而造成岩石崩解破坏，岩块呈土状散落，最终形成泥糊状，该类破坏无明显的膨胀变形过程。

3 岩石崩解与膨胀试验

3.1 崩解试验

地铁2号线西延线勘察期间，对勘察钻孔取原状样进行室内实验，共完成试样14组。按照《公路工程岩石试验规程》(JTG-E41-2005)规范中岩石耐崩解性指数按下列公式计算：

(1)

式中Id2—岩石二次循环耐崩解性指数，%；

ms—原试件烘干质量，g；

mr—残留试件烘干质量，g；

崩解试验统计表 表1

岩石耐久性划分表 表2

本次地铁2号线西延勘察场地范围内广泛分布白垩系泥岩，主要为紫红色泥岩夹灰白色、灰黄色、灰绿色泥质粉砂岩，厚度很大。根据试验结果全、强风化泥岩第一次循环耐崩解性指数为0.0%～25.4%，平均耐崩解性指数为6.8%；第二次循环耐崩解性指数为0.0%～3.6%，平均耐崩解性指数为0.4%。根据岩石耐久性划分表，判断风化泥岩属于极低耐久性岩石且第一次崩解残留试件烘干质量大多小于20%，第二次崩解残留试件烘干质量几乎为零。可见对于明挖基坑暴露后风化泥岩会发生严重的剥落现象，如不及时对其进行支护，会产生大规模坍塌。暗挖施工支护不及时可能产生掌子面变形、片帮、冒顶问题等。降水施工过程中，容易在隧道附近形成空洞，导致地面及隧道塌陷。风化层位于基岩起伏地区，很容易形成疏不干效应，隧道开挖过程中，基岩面易发生涌水和流砂现象。

3.2 膨胀试验

白垩系泥岩层主要分布于地铁结构底部及侧壁，为进一步判定该层土膨胀性大小，现场在钻孔内采取了9组岩样进行了土的膨胀性试验，如表3、表4所示。

次甲基蓝吸附法测定蒙脱石含量表 表3

土类型及自由膨胀率实验值表 表4

4 泥岩水理性质分析

4.1 矿物成分

在地铁勘察区间取岩样进行室内磨片鉴定，标本号XY01-7，取样深度：32.5 m～32.7 m。镜下鉴定矿物成分：岩石全部由黏土矿物组成，含极少量粒度小于 0.05 mm的长英质粉砂，这些黏土矿物呈隐晶质结构，在薄片中光性不明显。泥状结构，块状构造，鉴定名称：泥岩。由于黏土矿物透光性较差，磨片效果不理想，放大300倍后得到的岩样磨片鉴定成果如图3所示。

图3 XY01-7岩样磨片鉴定成果

后期补充取样，进行了X射线矿物衍射分析，成果如表5所示。说明该泥岩的主要矿物成分为石英、斜长石、方解石以及黏土矿物，其中伊利石为主要的黏土矿物。

泥岩中的黏土矿物具有一定的亲水性，其中蒙脱石的亲水性最强，伊利石次之，高岭石最弱；所以，泥岩膨胀性的强弱直接取决于蒙脱石的含量。由试验得出，长春白垩系泥岩石英含量较高，黏土矿物含量相对较少，耐崩解性指数相对较高，膨胀潜势不大。

X射线矿物衍射分析测试成果表 表5

4.2 岩石结构

泥岩的内部结构特征主要考虑岩石中节理裂隙的影响。按照成因分析，岩石中的裂隙可划分为构造裂隙(构造作用)、成岩裂隙(成岩作用)、卸荷裂隙(卸荷作用)及风化裂隙(干缩湿胀作用)，其中成岩裂隙和风化裂隙对岩石膨胀性和崩解性有直接影响[3]。岩石中矿物分布的不均匀性往往由成岩裂隙造成，而风化裂隙往往严重破坏了岩石的完整性。通过对长春地区基坑详细调查表明，开挖面一旦形成，岩石中原本细小的裂隙会扩展成很宽的裂隙，从而将岩石切割成小型块体，为岩石的崩解创造了条件。同时，裂隙的扩展也为地下水的渗透提供了通道，造成岩石水分流失，影响亲水矿物作用的发挥，进而影响岩石的膨胀特征。因此，岩石的节理裂隙越发育，越有利于岩石膨胀性和崩解性的发挥。

4.3 抗剪强度分析

(1)常规物理力学试验

对全风化泥岩和强风化泥岩进行了含水量、比重、天然密度、干密度、饱和度、孔隙比、液限、塑限、塑性指数、压缩模量及单轴抗压强度等物理力学试验，如表6所示。

常规物理力学试验综合统计表 表6

根据表6可以得出，从全风化泥岩到强风化泥岩，含水量减少，孔隙比减少，密度增大，压缩模量增大，单轴抗压强度增大。

(2)剪切试验

在实验室采用直剪试验的固结快剪试验方法进行了不同含水率的膨胀岩抗剪强度试验，试验结果如表7所示。试验结果显示： 泥岩在风干、天然、饱和状态下，摩擦角(风干)>摩擦角(天然)>摩擦角(饱和)，凝聚力(风干)>凝聚力(天然)>凝聚力(饱和)。实验结果说明，泥岩在较低的含水率情况下，抗剪强度比较高。

不同含水率情况下泥岩的抗剪强度实验 表7

5 防治措施

泥岩的膨胀性和崩解性，破坏原岩结构、降低岩体强度，造成岩体裂隙张开破碎、岩体松弛松软。针对膨胀岩膨胀崩解机理，结合地铁工程特点和地区工程经验，建议采取以下防治措施：①在施工过程中分段施工、快速开挖、快速回填夯实，尽量保持泥岩地层含水量原状，防止岩体长时间暴晒、风干、雨浸等。②选择合适的施工季节，尽量避开雨季施工，以免渗水、积水导致边坡失稳，同时加强现场排水，基坑开挖后各道工序要紧密衔接。③白垩系泥岩具有抗风化能力弱、失水崩解、遇水软化的性质，施工时可能产生塌方问题，所以施工过程中该段应重点采取有效的支护和防护措施，不宜长时间暴露。

6 结 论

通过对长春地区白垩系泥岩的崩解膨胀试验和矿物组成、岩石结构、抗剪强度分析，对长春白垩系泥岩有了系统的研究，发现水是影响泥岩崩解膨胀性和力学性质的直接因素。针对地铁工程，采取适宜的防治措施，为地铁工程的建设提供依据。