引黃入晉工程南干線隧洞泥質(zhì)巖膨脹因素分析

引黃入晉工程南干線隧洞泥質(zhì)巖膨脹因素分析

在黃工程南線7#隧道區(qū)，發(fā)現(xiàn)了中統(tǒng)清溪群（c2b）和中統(tǒng)天池河群（j2t）層，巖性主要為砂巖和粘土巖，厚度3000多米。從已建或在建的工程實(shí)踐來(lái)看,最早自二疊系上石盒子組(P2S)開始,其間發(fā)育的泥質(zhì)巖夾層往往具浸水膨脹、失水收縮的工程特性,對(duì)鐵路、公路、礦山和引水隧洞等工程建設(shè),帶來(lái)不同程度的危害。1影響粘土巖膨脹的主要因素是污泥1.1蒙脫石nh2o泥質(zhì)巖中的粘土礦物,具有一定的親水性,在各種粘土礦物中,以蒙脫石的親水性最強(qiáng),伊利石次之,高嶺石最弱。蒙脫石[(Al·Mg)2(Si4O10)(OH)2·nH2O]是含鎂、含水的硅鋁酸鹽礦物,泥質(zhì)巖中有效蒙脫石含量直接控制了泥質(zhì)巖的膨脹性強(qiáng)弱。據(jù)研究,當(dāng)蒙脫石含量大于15%時(shí),在適宜的條件下,有可能對(duì)工程引發(fā)不同程度的膨脹變形破壞。1.2成巖膠結(jié)作用由于泥質(zhì)巖在成巖過(guò)程中,經(jīng)歷了固結(jié)、膠結(jié)、脫水以及重結(jié)晶等作用,與粘性土相比,泥質(zhì)巖密度增大、含水量降低、強(qiáng)度增高、水穩(wěn)性加強(qiáng)。因此,對(duì)泥質(zhì)膨脹巖而言,蒙脫石礦物含量并非決定其膨脹性大小的惟一因素,后期成巖過(guò)程中,膠結(jié)作用強(qiáng)度以及膠結(jié)物成分也是影響和控制巖石膨脹性強(qiáng)弱的重要因素。例如三疊系劉家溝組(T1l)、和尚溝組(T1h)地層,其間的泥質(zhì)巖蒙脫石含量最高可達(dá)18.26%,然而,由于巖石膠結(jié)物中含有較高的Fe2O3(3%～6%),其膨脹性和崩解性均不顯著。1.3干、濕交替作用無(wú)論是泥質(zhì)膨脹巖還是膨脹土,其膨脹性都是在表生地質(zhì)作用(如地表的侵蝕、剝蝕和風(fēng)化作用)和人類工程活動(dòng)(如開挖卸荷、干濕交替等)下誘發(fā)產(chǎn)生的。大量工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究結(jié)果表明,巖土膨脹勢(shì)的強(qiáng)烈顯現(xiàn)是天然巖土干燥失水后發(fā)生的,而且隨失水程度的增加,膨脹、崩解特性會(huì)顯著增大,特別是反復(fù)干、濕交替作用會(huì)使其膨脹力和膨脹變形成倍地增大,這就是所謂的干燥活化效應(yīng)。這種現(xiàn)象表明,泥質(zhì)膨脹巖的膨脹性指標(biāo)不是一個(gè)定值,而是隨環(huán)境不斷變化的。2泥質(zhì)巖膨脹勢(shì)特征所謂泥質(zhì)巖的膨脹勢(shì),是指含有一定數(shù)量的粘土礦物并經(jīng)歷了后期成巖膠結(jié)作用的泥質(zhì)巖,在干燥活化作用下發(fā)生膨脹變形破壞的能力(或趨勢(shì))。對(duì)泥質(zhì)巖膨脹勢(shì)的判定和劃分,是了解和研究泥質(zhì)膨脹巖工程特性的基礎(chǔ)。綜合比較泥質(zhì)巖中的蒙脫石礦物含量、比表面積、膠結(jié)系數(shù)等反映泥質(zhì)巖膨脹性的基本指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn),巖塊干燥飽和吸水率指標(biāo)(WRDS)綜合了泥質(zhì)巖的粘土礦物組成、物理化學(xué)活性、成巖膠結(jié)作用強(qiáng)度等因素對(duì)巖石膨脹性和水穩(wěn)性的整體影響。因此,在引黃工程勘察中,結(jié)合實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面工作采取泥質(zhì)巖巖塊進(jìn)行試驗(yàn)分析,采用WRDS作為判定泥質(zhì)巖膨脹勢(shì)強(qiáng)弱的第一指標(biāo),得到泥質(zhì)巖膨脹勢(shì)的初判結(jié)果;而后,通過(guò)分析粘土礦物成分,測(cè)定膠結(jié)系數(shù)大小,觀察巖樣浸水崩解特征等輔助指標(biāo),對(duì)初判結(jié)果加以復(fù)核,最終得到泥質(zhì)巖膨脹勢(shì)的判定結(jié)果。引黃工程泥質(zhì)巖膨脹勢(shì)的具體劃分標(biāo)準(zhǔn)參見表1。按上述標(biāo)準(zhǔn)和方法對(duì)泥質(zhì)巖進(jìn)行膨脹勢(shì)的判定,在泥質(zhì)膨脹巖研究工作的初期很有意義,不僅可以了解和查明勘察區(qū)段泥質(zhì)膨脹巖的分布規(guī)律,而且對(duì)下一步的泥質(zhì)巖膨脹特性試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。3黃工程中粘土膨脹巖的地質(zhì)勘探3.1疊紀(jì)上石東南角緣結(jié)構(gòu)引黃工程區(qū)的泥質(zhì)膨脹巖,巖性以黃綠、淺灰、青灰色泥巖為主,兼有少量淺灰、青灰色砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖。主要發(fā)育在二疊系上石盒子組(P2s)中上部地層(P2s2及P2s2)中,尤其是P2s2地層不僅膨脹巖發(fā)育層數(shù)多,而且單層厚度大、膨脹性強(qiáng)。二疊系石千峰組(P2sh)、三疊系二馬營(yíng)組(T2er)、銅川組(T2t)和侏羅系大同組(J1d)雖有泥質(zhì)膨脹巖夾層發(fā)育,但厚度不大且膨脹性較弱。3.2上石進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的地層引黃工程南干線7#隧洞P2s2及P2s3巖組洞段布設(shè)于寧?kù)o向斜NW翼,地層傾角20°～30°,隧洞埋深90～100m,巖體呈微風(fēng)化狀。經(jīng)鉆孔取樣試驗(yàn)和分析,上石盒子組二段(P2s2)及三段(P2s3)巖組中,泥質(zhì)膨脹巖各占其總進(jìn)尺的36.7%～40.4%和22.3%,其單層鉛直厚度(地層傾角20°～30°)一般為1.0～1.8m,最小0.1m,最大可達(dá)6.9m。在P2s3巖組中,單層鉛直厚度大于0.5m者共揭露6層,P2s2巖組中則多達(dá)20層。在上述泥質(zhì)膨脹巖發(fā)育層位采取的巖樣,按表1標(biāo)準(zhǔn)判定,非膨脹性巖樣占18.52%,微膨脹性巖樣占48.15%,弱膨脹性巖樣占33.33%,不存在中等—強(qiáng)膨脹性巖樣。3.3不同荷載巖石膨脹率變化在泥質(zhì)巖膨脹性初判結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)南干線7#隧洞P2s2及P2s3巖組洞段通過(guò)鉆孔取樣進(jìn)行膨脹特性試驗(yàn)(見表2)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,巖樣由天然含水狀態(tài)下浸水飽和后,弱、微、非三種膨脹勢(shì)巖石的膨脹力平均值分別為0.65,0.44,0.41MPa,最大1.1MPa,最小0.12MPa;不同荷載下膨脹率隨上覆荷載的減少而增大,并且在小于0.1MPa低荷載范圍內(nèi)膨脹變形速率顯著增加。樣品風(fēng)干后(將樣品放在工作臺(tái)上緩慢陰干40～60d,勿使陽(yáng)光照射),巖石的膨脹性指標(biāo)均較天然狀態(tài)下樣品有明顯增加。弱、微、非三種膨脹勢(shì)巖石的無(wú)荷膨脹量平均值分別為32.12%,15.82%,5.82%;膨脹力平均值則增為1.08,0.8,0.43MPa;不同荷載下膨脹率的變化與天然樣品一樣,尤其在小于0.2MPa低荷載范圍內(nèi)膨脹率隨荷載減少其增量顯著增大。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了天然泥質(zhì)巖干燥活化效應(yīng)的作用,也即巖石膨脹勢(shì)的強(qiáng)烈表現(xiàn)是在天然泥質(zhì)巖干燥失水后發(fā)生的,而且隨失水程度的增加,膨脹作用也明顯加強(qiáng)。3.4儲(chǔ)層巖石結(jié)構(gòu)P2s巖組泥質(zhì)巖的力學(xué)性質(zhì)主要受巖石的膠結(jié)程度、巖體結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、層理和層面)發(fā)育程度以及組合方式、干濕效應(yīng)、巖石的微結(jié)構(gòu)面及其物化性質(zhì)的綜合效應(yīng)等因素影響。泥質(zhì)巖在吸水發(fā)生膨脹破壞的同時(shí),自身強(qiáng)度衰減十分明顯,干濕效應(yīng)致使巖石軟化系數(shù)降低,巖塊風(fēng)干浸水與原濕度浸水的彈性模量相差4～6倍。也就是說(shuō),泥質(zhì)膨脹巖對(duì)工程的危害實(shí)際上包含有膨脹和強(qiáng)度軟化兩個(gè)方面(見表3)。4錨固人工圍巖施工綜合上述泥質(zhì)膨脹巖的膨脹特性和力學(xué)性質(zhì),對(duì)隧洞工程而言,避免或減少干燥活化效應(yīng)的作用,抑制泥質(zhì)巖膨脹力的產(chǎn)生,是防止泥質(zhì)膨脹巖發(fā)生膨脹破壞的關(guān)鍵所在。工程設(shè)計(jì)方面,應(yīng)考慮采取防滲措施,隔離隧洞內(nèi)、外水聯(lián)系,盡量使圍巖的水環(huán)境不產(chǎn)生大的變化。隧洞斷面宜采用圓形,最大限度地改善隧洞襯砌的受力狀況。在施工開挖中,若采用鉆爆法施工,應(yīng)及時(shí)封閉隧洞圍巖,防止和減少隧洞圍巖遭受風(fēng)干或干濕交替作用,誘發(fā)干燥活化效應(yīng);并注意改進(jìn)施工工藝,降低機(jī)械或爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng),減小圍巖松動(dòng)圈的范圍,改善巖體自身的整體穩(wěn)定性。若采用TBM開挖,則施工中要控制施工用水,盡量避免工作段長(zhǎng)期積水。為防止泥質(zhì)膨脹巖洞段在開挖過(guò)程中因縮徑而卡住刀頭,TBM的刀頭應(yīng)增大出刃以擴(kuò)大開挖斷面。此外,應(yīng)加強(qiáng)施工地質(zhì)工作。注意圍巖變化并進(jìn)行地質(zhì)鑒定,了解和掌握泥質(zhì)膨脹巖洞段的地質(zhì)狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)膨脹巖洞段的起止樁號(hào),以便選擇安裝適宜的預(yù)制鋼筋混凝土管片。此外,在工程運(yùn)行期間,對(duì)泥質(zhì)膨脹巖洞段應(yīng)安排實(shí)施長(zhǎng)期的變形觀測(cè)工作。5泥質(zhì)膨脹巖膨脹性與巖塊干吸水率指標(biāo)(1)引黃入晉工程區(qū)段的膨脹巖主要是弱、微膨脹性的泥質(zhì)巖,其巖性以黃綠、淺灰、青灰色泥巖為主,兼有少量淺灰、青灰色砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖。最古老的發(fā)育層位是二疊系上石盒子組中上部地層(P2s2及P2s3),該巖組不僅膨脹巖發(fā)育層數(shù)多,而且單層厚度大,膨脹性強(qiáng),是引黃工程中主要的含泥質(zhì)膨脹巖地層,隧洞長(zhǎng)度約715m。二疊系石千峰組(P2sh)、三疊系二馬營(yíng)組(T2er)、銅川組(T2t)和侏羅系大同組(J1d)中泥質(zhì)膨脹巖層數(shù)較少,且厚度不大,對(duì)工程影響亦較小。(2)泥質(zhì)膨脹巖不同于膨脹土,它的膨脹性受其粘土礦物組成(特別是蒙脫石的含量)、后期成巖膠結(jié)作用強(qiáng)度、膠結(jié)物成分以及巖體干燥活化效應(yīng)等幾方面因素的綜合影響。因此,泥質(zhì)膨脹巖的膨脹性不僅與其內(nèi)在因素有關(guān),還與人類工程活動(dòng)密切相關(guān)。(3)目前,關(guān)于泥質(zhì)巖膨脹勢(shì)的判定,國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有形成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在引黃工程實(shí)踐中,采用巖塊干燥飽和吸水率指標(biāo)(WRDS)作為判定泥質(zhì)巖膨脹勢(shì)的第一指標(biāo),它綜合反映了泥質(zhì)巖中粘土礦物組成及其物理化學(xué)活性和成巖膠結(jié)作用的強(qiáng)度對(duì)巖石膨脹性的影響;而且測(cè)試方法簡(jiǎn)便快速,適宜在工程勘察中推廣應(yīng)用。蒙脫石礦物含量及其比表面積、膠結(jié)系數(shù)、無(wú)荷膨脹等指標(biāo),則與巖塊干燥飽