脹巖水-巖耦合作用對(duì)隧洞襯砌變形破壞的機(jī)制分析及施工設(shè)計(jì)要點(diǎn)

膨脹巖水－巖耦合作用對(duì)隧洞襯砌變形破壞的機(jī)制分析及施工設(shè)計(jì)要點(diǎn)摘要：四川盆地廣布紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等紅色地層（俗稱“紅層”），其特點(diǎn)是巖石質(zhì)地軟弱，遇水易崩解、膨脹。本文以四川省升鐘灌區(qū)左分干渠回龍宮隧洞襯砌的變形破壞為例，研究了隧洞圍巖的膨脹特性。由此出發(fā)分析了該類膨脹圍巖膨脹機(jī)制，提出了水－巖耦合作用的概念，以及巖石環(huán)境對(duì)膨脹影響，在此基礎(chǔ)上述了回龍宮隧洞襯砌變形破壞的原因。最后闡述了膨脹圍巖隧洞的施工、設(shè)計(jì)要點(diǎn)。關(guān)鍵詞：膨脹巖特性圍巖膨脹機(jī)制水－巖耦合作用巖石環(huán)境1.工程概況回龍宮隧洞位于四川省閬中縣境內(nèi)，為升鐘灌區(qū)左分干渠上的一座隧洞，隧洞全長(zhǎng)1155.6m。隧洞于1987年動(dòng)工興建，1992年4月竣工，1994年開始通水。斷面型式為城門洞形，隧洞寬2.5m，直墻高2.1m，頂拱為150o圓心角；邊墻、底板、頂拱采用漿砌條石和局部現(xiàn)澆砼襯砌。經(jīng)2002年汛末檢查，頂拱沿漿砌拱石灰縫出現(xiàn)多處開裂，部分拱石剪切破壞，甚至壓碎、脫落；邊墻中部出現(xiàn)多處水平裂縫，最寬達(dá)3cm，已出現(xiàn)多處垮塌；底板漿砌條石向上凸起，凸起高最高達(dá)55cm，損壞嚴(yán)重。2.基本地質(zhì)條件概況工程位于四川盆地東北邊緣的丘陵地區(qū)。構(gòu)造上屬川中旋鈕構(gòu)造體系中臺(tái)山半環(huán)狀構(gòu)造的八角場(chǎng)背斜北翼，巖層產(chǎn)狀N55°E/NW<1°；巖體中一般發(fā)育兩組裂隙①N50~70°E/NW<76~81°，②N30~50°W/NE<75~84°。裂面起伏粗糙，見鐵質(zhì)薄膜。據(jù)勘探與施工開挖資料，隧洞位于侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖中，其間夾有灰白色砂巖透鏡體。按水利水電地下工程圍巖分類方案，各段圍巖類別劃分如下：進(jìn)口段（0+000~0+200）：洞頂以上新鮮粉砂質(zhì)泥巖厚度為1.0~1.5倍洞徑，有地下水滲出，圍巖類別屬Ⅴ類。洞身段（0+200~1+075.0）：洞室位于新鮮粉砂質(zhì)泥巖中，無(wú)地下水活動(dòng)，圍巖類別屬Ⅳ類。出口段（1+075.0~1+155.6）：洞頂以上新鮮粉砂質(zhì)泥巖巖體厚度為1.0~2.0倍洞徑，圍巖類別屬Ⅴ類。2.圍巖膨脹特性研究對(duì)組成隧洞的粉砂質(zhì)泥巖的礦物成分、顆粒級(jí)配特點(diǎn)、分散度，物理力學(xué)指標(biāo)及膨脹特性等特性的取樣試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見表1、表2、表3及表4。隧洞粉砂質(zhì)泥巖粘土礦物成分X射線粉晶衍射測(cè)試成果表表1測(cè)試編號(hào)粘土礦物含量（％）伊利石綠泥石石英長(zhǎng)石方解石S01034617171010S01044516171012隧洞粉砂質(zhì)泥巖細(xì)料物理實(shí)驗(yàn)成果表表2編號(hào)比重自由膨脹量界限含水量顆粒分析（％）土的名稱WlWpIp試驗(yàn)方法粒徑（mm）分散度>0.050.05~0.005<0.005%%％粘12.7435.031.217.813.4加分散劑16.049.534.596.2粉質(zhì)粘土粘22.7436.031.817.014.8不加分散劑16.050.833.2隧洞圍巖物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)成果表表3巖性比重天然容重含水量吸水率孔隙率抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)干濕g/cm3%MPa粉砂質(zhì)泥巖2.692.382.966.0314.023.214.80.45弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖膨脹力試驗(yàn)成果表表4編號(hào)干密度試前試后飽和度膨脹力含水率飽和度g/cm3%MPa5－12.1657.5675.01000.2925－22.3264.4764.992.80.1015－32.3765.5191.996.30.0735－42.2436.9181.488.30.0552.2圍巖膨脹特性工程地質(zhì)評(píng)價(jià)2.2.1隧洞圍巖為粉砂質(zhì)泥巖，經(jīng)對(duì)其粘土礦物的X射線粉晶衍射測(cè)試成果表明，伊利石含量為45～46％，綠泥石含量為16～17％，伊利石、綠泥石總含量達(dá)62～63％，它具面－面疊聚的書狀結(jié)構(gòu)，為親水性較強(qiáng)的粘土礦物。因此，隧洞圍巖具有膨脹性巖石的物質(zhì)基礎(chǔ)。2.2.2粉砂質(zhì)泥巖粘粒含量33.2～34.5％，分散度為96.2％，具有膨脹巖的物理特征。2.2.3膨脹試驗(yàn)表明：粉砂質(zhì)泥巖自由膨脹率為35～36.2％>25%，膨脹力隨飽和度的增大而增大，當(dāng)飽和度達(dá)到100％時(shí)，膨脹力達(dá)到其最大值Pmax=0.292Mpa>0.15，按膨脹巖分類，它屬于典型膨脹巖。3.襯砌破壞破壞嚴(yán)重程度分級(jí)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，按各段變形破壞的嚴(yán)重程度，將襯砌變形破壞分為以下4類：Ⅰ類：襯砌中幾乎不見宏觀（肉眼可見）性的裂縫，但推測(cè)應(yīng)存在肉眼不易發(fā)覺(jué)的微裂隙。Ⅱ類：底板向上隆起，隆起高度10~20cm，隆起中部一般有張開1.0~2.0Cm的裂縫沿軸向延伸，裂縫大部分位于灰漿中。邊墻及頂拱幾乎不見宏觀性的裂縫。Ⅲ類：底板變形破壞較Ⅱ類嚴(yán)重，隆起高度一般為24~55cm，隆起部位處灰漿與條石已脫開，裂縫寬度2.0~3.0Cm，大者4.0~5.0Cm；左、右邊墻向開始向內(nèi)側(cè)鼓出，偏離邊墻12.0~15.0Cm，并在1.0~1.3m高處形成裂縫，一般追蹤灰漿縫延伸；同時(shí)部分邊墻還見有條石被拉裂、剪斷的現(xiàn)象。Ⅳ類：底板、邊墻破壞情況與Ⅲ類基本相當(dāng)，但條石被拉裂、剪斷的現(xiàn)象較多些。且偶見有邊墻襯砌垮塌的現(xiàn)象。頂拱拱石被壓碎、拉裂，頂拱的整體性不同程度地遭到破壞，失去了拱的作用。顯然，襯砌變形破壞的嚴(yán)重程度從Ⅰ類到Ⅳ類是增大的。隧洞襯砌變形破壞的分段情況見表5襯砌變形破壞分段情況一覽表表5分段樁號(hào)0+000~0+2500+250~0+3140+314~0+5880+588~0+871.50+871.5~1+0711+071~1+155.6破壞類別ⅠⅡⅢⅣⅢⅠ破壞程度評(píng)價(jià)輕微一般較嚴(yán)重嚴(yán)重較嚴(yán)重輕微表5表明，破壞嚴(yán)重的（Ⅳ類）段次位于隧洞的中部，由此向進(jìn)、出口兩個(gè)方向破壞程度為較嚴(yán)重（Ⅲ類）、一般（Ⅱ類）、輕微（Ⅰ類）。4.隧洞襯砌變形破壞機(jī)制分析4.1隧洞圍巖的膨脹是襯砌變形破壞的基本條件在工程上的膨脹巖是指在卸荷條件下，由于水與巖石的物理化學(xué)作用導(dǎo)致含水量的增高、體積膨脹的巖石。回龍宮隧洞為一灌溉輸水隧洞，其運(yùn)行方式為每年3～8月分隧洞輸水，9月至次年2月底隧洞則停止運(yùn)行。同時(shí)在輸水期間，按灌溉需要不同時(shí)段甚至每日還存在輸水、停水變化。隧洞運(yùn)行過(guò)程的這種干、濕循環(huán)對(duì)粉砂質(zhì)泥巖的膨脹提供了外部條件。同時(shí)水位的變化也是對(duì)隧洞襯砌及其圍巖的加荷、卸荷過(guò)程。圍巖作用于襯砌的膨脹力即為導(dǎo)致其變形破壞的主要原因之一。4.1.1圍巖膨脹機(jī)制由于隧洞圍巖的礦物成分以伊利石（K<1Al2[(Si,Al)4O10(OH)2.nH2O]）與綠泥石（（Mg,Fe）5(Al,Si3O10)(OH)8）為主，它們對(duì)水具有較強(qiáng)的吸附作用。這類巖石的膨脹力主要來(lái)源于巖石中孔隙與裂隙對(duì)水的吸附產(chǎn)生的“楔裂壓力”?，F(xiàn)場(chǎng)取粉砂質(zhì)泥巖作崩解試驗(yàn)，當(dāng)巖塊試樣置于水中后，可以看到試樣開始出現(xiàn)大小不等的裂隙，然后隨著裂隙的發(fā)展崩解成大小不同的碎塊，這種碎塊往往難以進(jìn)一步分散，浸泡的水也常常是清澈的。我們稱這類崩解為“楔裂性崩解”。這與含蒙脫石為主的粘土巖浸水后開始吸水膨脹并有鱗片狀碎屑物崩落、分散使浸泡水發(fā)生渾濁的機(jī)理是不同的，后者的崩解可稱作“分散型或彭脹型崩解”。我們知道，隧洞圍巖中是存在孔隙與裂隙的?？紫缎纬捎诔蓭r過(guò)程；而裂隙則有兩類：①巖石中原有構(gòu)造、風(fēng)化裂隙，②施工開挖過(guò)程中的爆破裂隙松弛圈內(nèi)的松弛裂隙。據(jù)試驗(yàn)資料組成隧洞粉砂質(zhì)泥巖的孔隙率（包括孔隙和第①種裂隙）為14.0％，這是比較高的，這其中還不包括第②種裂隙。粉砂質(zhì)泥巖中的孔隙與裂隙表面是其巖石結(jié)構(gòu)體系中的“水—巖相界面”的主要部分，它具有較大的表面能，與水接觸時(shí)能強(qiáng)烈地吸附水分子。吸附將使其表面能減小，減小的表面能一部分以濕潤(rùn)熱的形式逸散，另一部分則轉(zhuǎn)化為促使巖石“水—巖相界面”增大的力學(xué)破壞能，即前述“楔裂壓力”，“水—巖相界面”的增大必將導(dǎo)致巖石體積的膨脹和崩解，以及由此產(chǎn)生的膨脹力；巖石的膨脹和崩解將產(chǎn)生新的“水—巖相界面”，從而形成新的“楔裂壓力”。這種逐漸放大的累進(jìn)性膨脹、崩解作用就是以伊利石為主要礦物成分的粘土巖的膨脹機(jī)制。我們把導(dǎo)致巖石膨脹的水與巖石間逐漸放大的累進(jìn)性膨脹、崩解作用定義為水－巖耦合作用。4.1.2膨脹力與巖石環(huán)境據(jù)有關(guān)資料：巖石的最大膨脹力與環(huán)境濕度的變化密切相關(guān)，S.L.Hvang等通過(guò)側(cè)向約束實(shí)驗(yàn)得出了最大膨脹力與相對(duì)濕度RH及濕度變化指數(shù)IRH的關(guān)系模型：Pmax=0.0686RH-0.008RH2+1.473IRH+0.0132IRH2-0.0145RH×IRH+0.9594是中，Pmax為最大膨脹壓力，單位：Mpa。即，最大膨脹壓力與濕度變化指數(shù)IRH呈平方關(guān)系變化，由此表明，膨脹壓力對(duì)濕度的變化是十分敏感的。如前所述，隧洞運(yùn)行過(guò)程中的干、濕循環(huán)無(wú)凝將產(chǎn)生較大的濕度變化，這就極可能使粉砂質(zhì)泥巖達(dá)到其最大膨脹力。據(jù)試驗(yàn)成果，回龍宮隧洞最大膨脹力Pmax=0.292MPa。膨脹巖在干、濕循環(huán)作用下的膨脹與收縮是一個(gè)可逆過(guò)程，可表示如下：反復(fù)的干濕循環(huán)導(dǎo)致了巖石的反復(fù)膨脹與收縮，相當(dāng)于給隧洞襯砌的反復(fù)加荷與卸荷。4.1.3圍巖膨脹導(dǎo)致隧洞襯砌變形破壞的機(jī)制 隧洞襯砌材料為100＃漿砌條石，一般地講，灰漿與條石的熱脹特性能是不同的。環(huán)境溫度與濕度的變化，將首先導(dǎo)致沿灰漿與條石的薄弱部分產(chǎn)生裂紋。隧洞水正是從這種裂紋首先滲入到襯砌背后的圍巖孔隙與裂隙中，由此為巖石的膨脹提供了外部條件，而巖石的膨脹力反作用于襯砌上使得條石灰漿間的裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。這樣水的入滲與巖石的膨脹作用就形成了另一種逐漸放大的耦合作用，直至導(dǎo)致襯砌的開裂與破壞。4.2巖石蠕變對(duì)襯砌的變形破壞作用隧洞埋深較大，一般為60~100m，中部達(dá)170m，圍巖自重應(yīng)力較大；而組成隧洞圍巖的粉砂質(zhì)泥巖濕抗壓強(qiáng)度為14.8Mpa,軟化系數(shù)0.45，屬軟巖。軟巖圍巖在較大自重應(yīng)力下必然產(chǎn)生蠕變收斂。圍巖的蠕變收斂也將導(dǎo)致巖石形成新的裂隙與“水－巖相界面”，由此導(dǎo)致巖石的進(jìn)一步膨脹巖石的蠕變收斂與膨脹變形相互疊加形成了第三種逐漸放大的耦合作用。這種作用加劇了襯砌的變形與破壞。4.3隧洞襯砌變形破水－巖耦合作用是巖石膨脹、崩解的機(jī)制，隧洞水沿襯砌裂紋入滲與巖石的膨脹所形成的逐漸放大的耦合作用最終導(dǎo)致了漿砌條石的開裂與破壞；粘土巖軟巖的蠕變收斂與膨脹變形相互疊加的耦合作用加劇了襯砌的開裂與破壞?，F(xiàn)場(chǎng)勘察可以看出隧洞襯砌的變形破壞順序如下：首先是底板中開裂并向上鼓起，其次是邊墻中部的開裂并向內(nèi)鼓起，最后導(dǎo)致頂拱拱座失去支撐而開裂。5.膨脹圍巖隧洞設(shè)計(jì)、施工要點(diǎn)。據(jù)上述圍巖膨脹對(duì)襯砌的破壞機(jī)理，可得出膨脹圍巖隧洞的設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)5.1施工開挖過(guò)程中應(yīng)及時(shí)封閉襯砌，以減輕或避免圍巖的風(fēng)化、風(fēng)干，特別是圍巖濕度條件及含水量的變化。施工方法應(yīng)采用淺眼多循環(huán)開挖方案，優(yōu)先選用光面爆破壞。施工時(shí)應(yīng)處理好地下水的引排、盡量減少對(duì)圍巖的浸泡。5.2施工過(guò)程中對(duì)超挖部分的回填應(yīng)選用塊（卵）石混凝土或漿砌塊石等非膨脹材料；禁止使用膨脹巖圍巖的母巖石渣，因?yàn)檫@種石渣材料的比表面積較母巖大，其膨脹潛勢(shì)也較母巖大，對(duì)隧洞襯砌的變形破壞作用也較大。5.3隧洞襯砌破壞首先發(fā)源于底板的開裂鼓起，因此，施工時(shí)首先對(duì)底板巖石灰漿進(jìn)行封閉是十分必要的，必要時(shí)可再增加適當(dāng)錨固措施，以防止底板圍