大坂TBM开挖隧洞强膨胀性泥岩组份结构及力学特性

尚彦军 章跃林 孙元春 曲永新 曹小红

摘  要：TBM开挖中遇膨胀岩发生卡机等问题，是制约施工速度和机械安全的重要地质因素。针对大阪引水隧洞穿越中侏罗统西山窑组（J2x）泥质岩时发生多次卡机，刀盘被掩埋等问题，开展了泥质岩粘土矿物组份、微观结构研究。通过测试粉砂质泥岩、泥岩和碳质泥岩物理水理指标（比表面积、蒙脱石含量、干燥饱和吸水率），评价膨胀程度。据碳质泥岩工程力学参数（膨胀力、岩石强度）实验，得到力学强度。研究发现，J2x3～J2x4 3类泥质岩中，劈理化碳质泥岩为强膨胀岩，膨胀率为9.85%，膨胀力为250 kPa。挤压构造作用下，破劈裂发育和高蒙脱石含量（34.47%）决定了其强的膨胀特性。重塑样抗压强度0.36 MPa，属极软岩。基于此，采用二次加固、重型管片等变更设计方案，工程取得成功。

关键词：TBM;西山窑组;碳质泥岩;膨胀;蒙脱石

膨胀岩属劣质岩，岩层多为薄层和中厚层状。裂隙发育，多被灰白、灰绿色等富含蒙脱石物质充填[1]。岩石膨胀机理在于阳离子水化使矿物晶体膨胀，双电层渗透压使颗粒间膨胀等。2∶1型三层结构型粘土矿物，蒙脱石比表面积是伊利石的10倍， 高岭石的80倍， 具很强的吸水膨胀特性[2，3]。通常岩石中有效蒙脱石含量小于10%为非膨胀，10%～15%为弱膨胀，15%～25%为中等膨胀，大于25%为强膨胀[4]。膨胀性矿物蒙脱石常以混层形式出现，混层比（蒙脱石占混层矿物总数百分比）大小决定膨胀程度强弱[5]。来源于南水北调中线工程潞王坟段浅层强风化膨胀岩方块样，位于大气影响急剧带，其物性指标、力学特性、膨胀特性较客观地反映了强风化膨胀岩基本特性，即饱和快剪内聚力及内摩擦角都很小[6]。神延线（神木-延安）某浅埋隧道施工中发现，成洞衬砌距进口约27 m处发生沿隧道纵轴方向长约24 m、宽313 mm裂缝，7天内裂缝宽度发展至517 mm，是由于灰黄色泥岩中含大量蒙脱石所致[7]。宋岳等对引黄工程泥质岩研究发现，中等-强膨胀岩崩解耐久性极差，岩体呈强风化状，遇水极易泥化，地貌上呈负地形[8]。我国西部拟建21 000 km公路中有近3 300 km路段穿越膨脹土分布区，如连云港-霍尔果斯国道新疆境内有160 km膨胀土段[9]。北疆引水工程第七标段泥岩试验结果显示，该区泥岩达中膨胀，易造成渠道边坡浅层滑动[10]。这些浅埋或地表工程已或将面临膨胀岩土不利影响，给工程带来破坏乃至重大经济损失。

岩石掘进机（TBM）具快速、安全、作业环境好等优点，在长隧洞工程施工中常被选用。但其对地质地层状况较敏感，对地质（尤其是复杂）条件适应性较差。在埋深变化较大、地质条件较隐蔽的TBM施工技术下，膨胀岩成为工程快速施工和安全运行面临的重大挑战和地质隐患[11-12]。新疆主力含煤层侏罗系西山窑组（J2x），泥质岩变形破坏常给支护结构带来影响。全长30.65 km走向NW的大坂隧洞，自隧洞出口向上游掘进，开挖采用S-301型双护盾全断面掘进机（TBM）。开挖直径6.79 m， 六边形预制混凝土管片衬砌，衬砌后内径6.0 m[13]。隧洞位于中侏罗统西山窑组中，上覆基岩厚50～239 m。地层走向与隧洞轴向夹角仅20°。自2007年6月始遇松散破碎V类膨胀性泥岩，TBM前进困难，多次卡机，隧洞塌方严重，刀盘被掩埋[12]。对中侏罗统西山窑组第3～4段（J2x3～J2x4）泥岩、碳质泥岩、粉砂质泥岩等3类泥质岩开展矿物成分、微结构及力学特性研究，认为劈理化碳质泥岩为强膨胀岩。工程采取变更设计和二次加固等措施并取得成功。

1  隧洞地质条件

大坂隧洞位于2条NW向的区域逆断层之间，1条NNE向断层指向隧洞轴线中间并止于一条NW向短轴背斜。最大水平主应力方向20°。围岩为中侏罗统西山窑组，可分为4段，由砂岩、砂砾岩、细砂岩、泥岩等组成。隧洞遇含泥质岩较多的第3段（J2x3）和第4段（J2x4）。前者为粉砂质泥岩夹砂岩及碳质泥岩，地层走向NWW向，与洞线夹角仅10°～25°，倾向NE向，倾角45°～80°。后者为中厚层泥岩，夹有碳质泥岩、粉砂质泥岩及细砂岩，含数条煤线和煤层。地层产状NE10°～45°，NW∠20°～65°，岩体中层间错动较普遍，围岩稳定性较差。洞轴线与区域断裂走向平行，与短轴背斜轴向平行，与地层走向小角度相交，与最大水平主应力近于垂直，这样的隧洞线布置本身稳定性是最不利的，但鉴于地形地貌条件和引水条件的安全保障，只能采用这样的轴线布设。因此，层间错动及泥岩膨胀为制约工程的关键地质因素。

2008—2009年现场考察了地质条件，包括多条NS向构造地貌特点，观察到深切（沟深10～150 m）沟谷受多条断层交汇带影响，岩体破碎。从侧坡岩性看，粉砂质泥岩和碳质泥岩软弱破碎，风化作用下呈散体积结构（图1-a）。现场观察呈缓坡或负地形的主要为粉砂质泥岩、碳质泥岩和泥岩等3类泥质岩。洞内（70+719.77 m）见灰黑色层状碎裂结构粉砂质泥岩、浅灰色粉砂岩，两者接触带上地下水增多。

大坂隧洞2#支洞、S77+200采集6个岩样（DB1～DB6），S70+834采集3个岩样（DB7～DB9）。这些样品采自不同隧洞，由3类泥质岩组成，基本代表大坂隧洞最不利泥质岩变形破坏洞段（表1）。样品包装无扰动运至实验室，室内对样品进行原状样观察描述和进一步分类，分别开展相关实验测试（图2）。

2  泥质岩矿物组份及微结构

采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪等，分步骤测得泥质岩结构组份、物理化学特性及膨胀性指标。

2.1  微结构

微结构采用扫描电镜分析技术（SEM）。SEM用聚焦很细的电子束照射被检测试样表面，利用二次电子或背散射电子等进行形貌观察。本次微结构在德国LEO1450VP扫描电子显微镜上进行。通过SEM观察岩石表面微观结构，一方面可与矿物成分检测结果对比分析，另一方面可深入了解不同岩石间微结构差异。SEM结果表明（图3），大坂隧洞泥质岩微结构形态差异较大。碳质泥岩和泥岩由于粘粒含量较高，粘土矿物特征不明显。粉砂质泥岩在高倍镜下可清晰看到不规则弯曲片状的蒙脱石矿物附着在颗粒表面，常构成杂乱分布的弯曲褶皱片状或“花朵”状集合体（图3中b2和b4）。鳞片状或弯曲片状的伊利石在泥岩中较常见（图3-b）。伊-蒙混层矿物的堆垛结构在碳质泥岩中可见（图3中a3和a4）。碳质泥岩中见蜂窝状有机质C（图3中a1和a2）。粉砂质泥岩中粒状结构较明显，可见大量石英和伊-蒙混层矿物（图3-c）。

2.2  粘土矿物组份

岩石矿物成分定量分析采用X-射线衍射全自动测试技术进行。定量分析大坂隧洞泥质岩中各类矿物，尤其是粘土成分和含量，对掌握岩石膨胀变形机制具重要意义。仪器采用日本理学电机株式会社D/MAX-2400型X-射线衍射光谱仪。具体测试方法参见文献[14]。由表2和图4可知，第一期泥质岩样品混层比均大于60%，粘土矿物总量均超过70%。第二期3类泥质岩无论是混层比，还是粘土矿物总量都小很多，这与膨胀势判别试验、膨胀率、膨胀力测试结果基本一致。由此可见，第二期样品显示弱膨胀性、非膨胀性，主要是岩块完整性、胶结程度等比第一期试验样品好，根本原因还是岩样中膨胀性粘土矿物含量较低。

3  泥质岩膨胀性

对大坂隧洞02支洞、S77+200、S70+834等采集的粉砂质泥岩、碳质泥岩和泥岩进行常规室内试验和膨胀性测试，初步确定3类泥质岩物理水理性质和膨胀性。

3.1  物理及水理特性

测试指标包括含水量、（天然、干）容重、岩块干燥饱和吸水率、岩粉吸水率、胶结物成分（有机质、CaCO3）、胶结系数、崩解和膨胀势判别等（表3）。

3.2  膨胀指标及膨胀级别

膨胀性判别通过岩块干燥饱和吸水率指标进行，具体包括岩块浸水崩解试验和岩块干燥饱和吸水率试验两部分。从表3可见，泥岩（DB8）、粉砂质泥岩（DB9）属非膨胀岩，试验发现泥岩和粉砂质泥岩对水极敏感，浸水0.5～1.0 h全崩解成0.5～10 mm碎屑物，颗粒分层解体，逐级变小。碳质泥岩DB7混层较小，属弱膨胀。

据有关规定[1]，泥质岩膨胀性判定采用不规则岩块干燥饱和吸水率指标（岩块在105℃～110℃烘干12 h冷却后，在蒸馏水中浸泡（饱和）24 h条件下所吸附的非重力水的质量百分比）。当岩块干燥饱和吸水率大于100%时为剧膨胀，50%～100%时为强膨胀，20%～50%为弱膨胀，10%～20%为微膨胀，小于10%为非膨胀。还有些指标用于辅助判别[15]。由表3可知，2008年采集的样品（DB1～6）全具膨胀性，其中碳质泥岩膨胀最严重，DB6达强膨胀，泥岩和粉砂质泥岩次之。2009年采集的样品（DB7～9）仅碳质泥岩具弱膨胀，泥岩和粉砂质泥岩遇水发生崩解，干燥饱和吸水率小于10%，属非膨胀岩。DB1-DB6岩样蒙脱石含量均在19%以上，岩块干燥饱和吸水率均大于35%，全具膨胀性，其中碳质泥岩最严重，泥岩次之，粉砂质泥岩膨胀性相对最弱（表3）。膨胀率与膨胀力试验是在岩石判定为膨胀岩之后，定量分析岩石膨胀性大小的试验手段之一。现场采集的大块样品，在实验室内切制成直径61.8 mm，高20 mm的圆柱状试件，置于不锈钢环刀中，在GDG-4S型高压固结仪上进行膨胀率及膨胀力试验。详细试验原理与操作步骤参见文献[16]。试验采样位置及地质特征见表1、图2。大坂隧洞除S70+834～836处泥岩（DB8）和粉砂质泥岩（DB9）为非膨胀性岩石外，其余均具不同程度膨胀。一期采集的6块岩样中有3块采来自02#支洞，考虑到本次试验主要是针对主洞围岩膨胀性变形，所以，这里只对主隧洞S77+200处采集的DB4、DB5、DB6岩样进行试验（表4）。

图5是S77+200处3种泥质岩在不同荷载下膨胀率关系曲线。从图中可见，膨胀率随载荷增加总体呈指数型下降。无荷载时膨胀率最大，增大至25 kPa时膨胀率基本完成90%以上。3类岩中碳质泥岩（黑色，鳞片状，软弱易碎）膨胀率最高，粉砂质泥岩（灰黑色，硬块状，层面有白色结晶物）最低。

图6是S70+834处碳质泥岩DB7自由膨胀率-时间关系曲线、膨胀力-时间关系曲线。图6-（a）中原状样膨胀率最高且达最大膨胀率所经历的时间长，重塑风干样膨胀率较低且短时间内即可达最大膨胀率。重塑样烘干后样品（对比样）膨胀率有所增加，介于前两者之间，这预示着原状样微裂隙多，比表面积大，吸水后膨胀率可逐渐增加到最大。重塑（长时间）风干样结构相对较均匀密实，膨胀率很小。重塑（24 h）烘干样含水率近乎为0，吸水膨胀性变大。

从图6-（b）可见，原状样膨胀力不是最大，最大者为重塑样烘干后（相当于图6-（a）中对比样），重塑样风干后一般膨胀力会变小，只有t6出现异常。说明原状样具一定含水率和天然膨脹，测得的膨胀力为剩余部分，重塑烘干样含水率近乎为0，膨胀势变高，膨胀力最大。t6样品风干时间较长，在3个重塑风干样中含水量最低，结果异常高些。

需说明的是，现场岩体与圆柱状试验样品中结构面存在显著差异。由于泥质岩大多存在劈理，尤其是碳质泥岩中劈理较发育，样品制备极困难，现场难以取到完整大块原状样。能制备好较完整的圆柱状样品劈理密度和规模都远小于现场观察到的最不利情况。实际测得的容重值普遍较小，使膨胀力偏小。制样过程中，个别试件局部沿劈理有小块片脱落留下细小空洞，致使原状样实测膨胀力偏小。考虑到试验过程中客观存在的误差，泥质岩原位膨胀率、膨胀力应比室内试验值大。

4  岩石强度

大坂隧洞两次采集的碳质泥岩样品较破碎，且遇水崩解明显，所以进行单轴压缩和三轴剪切试验要求的标准样，难以用钻机等电动设备制取。考虑到碳质泥岩是制约大坂隧洞围岩稳定的主要岩石类型，采集的碳质泥岩中相当多的地段由于鳞片状节理极发育，现场判断其属极软岩，可在室内通过重塑样代替原状样进行相关力学试验。重塑样制取主要考虑两个方面： ①应与原岩密度接近，本次试验的碳质泥岩，重塑密度采用2.4 g/cm3;②含水率应与原状样相近，重塑样含水率控制在4%～6%。重塑样在自制岩样重塑仪上制取。

选择S70+834处碳质泥岩（DB7）重塑样进行单轴、三轴压缩试验，测得岩石力学参数。实验结果显示，碳质泥岩DB7平均单轴抗压强度0.36 MPa，属极软岩。弹性模量34.62 MPa，泊松比0.26。三轴压缩试验表明，该碳质泥岩抗剪能力较差，内聚力0.12 MPa，内摩擦角为22.7°。碳质泥岩除遇水崩解外，力学实验中为单条裂缝或X型裂缝的剪张破坏（图7），即天然岩块受压时多迁就岩体内隐蔽裂隙剪切破坏。第二期采集样品中，泥岩（DB8）、粉砂质泥岩（DB9）属非膨胀岩，试验过程中发现泥岩和粉砂质泥岩对水极敏感，岩块浸入水中0.5～1 h全部崩解成0.5～10 mm的碎屑物，颗粒分层解体，逐级变小（表3）。

图8-（a），（b）分别是DB7重塑样轴压σ1～围压σ3关系图和强度包络线。由图8-（a）可知，σ1=2.2529σ3+0.3552，即围压和轴压呈线性正相关。

5  隧洞变形问题及对策

由初步设计阶段工程地质勘察报告可知1，大坂隧洞中侏罗统西山窑组（J2x）泥岩、粉砂质泥岩完整性系数（Kv）为0.18～0.67，如取泥岩和粉砂质泥岩的完整性系数平均值0.425，两者均属较破碎岩。泥质岩体纵波速度Vp为1 770～3 120 m/s。据国内外围岩分级研究成果，S70+834段围岩整体呈Ⅳ级，局部碳质泥岩集中围岩为Ⅴ级。由于围岩具膨胀性，发生了局部高地应力挤压大变形等问题，先后发生多次TBM被困现象，严重影响施工进度。管片支护半年后顶管片多处产生裂缝，对隧洞安全极不利。基于此，现场采取新型化灌材料，通过管棚注浆技术加固塌方围岩，重型管片增大抗力等变更设计措施，较好地保障了引水隧洞TBM施工顺利进行。

6  结论

大坂隧道侏罗系泥质岩具不同程度膨胀性，碳质泥岩膨胀性尤明显。膨胀性强的粘土矿物蒙脱石的存在和含量，决定膨胀岩判断的准确性。天然状态下碳质泥岩为极软岩，泥岩和粉砂质泥岩为软岩。

S77+200处泥质岩存在不同程度膨胀，个别样品达强膨胀。膨胀性一方面由于富含蒙脱石及混层矿物等造成，另一方面与岩石结构有关。鳞片状破劈理发育的泥质岩膨胀性高于节理相对不发育的岩石。

S70+384～386段仅碳质泥岩具微膨胀，另两种泥质岩虽遇水发生崩解，但都属非膨胀岩。该泥岩、粉砂质泥岩遇水崩解现象明显，天然岩块受压时沿隐蔽裂隙剪切破坏。结合前期钻孔声波测试结果，认为该段围岩整体呈Ⅳ级，局部碳质泥岩集中处围岩为Ⅴ级。碳质泥质DB7重塑样压缩试验表明，单轴抗压强度为0.36 MPa，属极软岩。三轴压缩试验得知碳质泥岩内聚力为0.12 MPa，内摩擦角为22.7°。

S70+384～386段与S77+200段岩性虽基本一致，但岩体完整性、粘土矿物含量、胶结程度有很大差异。这是导致两处岩石膨胀变形差异的根本原因。试验结果表明，S70+384～386段岩石状况好于S77+200段。膨胀率和膨胀力测试结果为变更设计和二次加固提供了依据。

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Geological Cause and Mechanical Characteristics of Intensively Swelling Carbonaceous Mudstone in TBM Tunnelling in Daban

Shang Yanjun1，2，Zhang Yuelin3，Sun Yuanchun4，Qu Yongxin1，Cao Xiaohong5

（1.Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences， Beijing，100029，China;2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049;3.China Water Resources Beifang Investigation， Design and Research Co. Ltd.，Tianjin，300222，China;4.China Railway Design Corporation， Tianjin 300308， China;5. Xinjiang Key Lab of Geohazard Prevention（Xinjiang Institute of Engineering）， Urumqi，Xinjiang，830023，China）

Abstract：In the process of TBM excavation， there are some problems， such as machine jamming and so on， which become the important geological factors that restrict the construction speed and mechanical safety. In order to solve the problems of multiple jamming and cutterhead burying during the passage of Daban diversion tunnel through the argillaceous rocks of Xishanyao Group of Middle Jurassic system（J2x）， the research on clay mineral composition and microstructure of swelling rock in this section was carried out. The swelling degree of silty mudstone， mudstone and carbonaceous mudstone is evaluated by testing the expansion indexes （specific surface area， montmorillonite content， dry saturated water absorption rate， etc.）.And the mechanical strength characteristics of carbonaceous mudstone are obtained by the mechanical tests of engineering mechanical parameters （swelling rate， remolded sample strength）. The results show that among the three types of argillaceous rocks in J2x3 ～ J2x4， the cleaved carbonaceous mudstone is a strong swelling rock with an expansion rate of 9.85% and an expansion force of 250 kPa. The compressive strength of remolded sample is 0.36 MPa， which belongs to very soft rock. The development of fracture and the high content of montmorillonite （34.47%） under the tectonic action determine its strong expansion characteristics. Based on this， the design of secondary reinforcement and heavy segment were adopted， and the project became successful.

Key words：Tunnelling Boring Machine （TBM）; Xishanyao Group; Carbonaceous mudstone; Swelling; Montmorillonite.