胀岩水-岩耦合作用对隧洞衬砌变形破坏的机制分析及施工设计要点.doc

膨胀岩水－岩耦合作用对隧洞衬砌变形破坏的机制分析及施工设计要点
摘要：四川盆地广布紫红色粉砂质泥岩、泥岩等红色地层（俗称“红层”），其特点是岩石质地软弱，遇水易崩解、膨胀。本文以四川省升钟灌区左分干渠回龙宫隧洞衬砌的变形破坏为例，研究了隧洞围岩的膨胀特性。由此出发分析了该类膨胀围岩膨胀机制，提出了水－岩耦合作用的概念，以及岩石环境对膨胀影响，在此基础上述了回龙宫隧洞衬砌变形破坏的原因。最后阐述了膨胀围岩隧洞的施工、设计要点。
关键词：膨胀岩特性 围岩膨胀机制 水－岩耦合作用 岩石环境
1.工程概况
回龙宫隧洞位于四川省阆中县境内，为升钟灌区左分干渠上的一座隧洞，隧洞全长1155.6m。隧洞于1987年动工兴建，1992年4月竣工，1994年开始通水。断面型式为城门洞形，隧洞宽2.5m，直墙高2.1m，顶拱为150o圆心角；边墙、底板、顶拱采用浆砌条石和局部现浇砼衬砌。经2002年汛末检查，顶拱沿浆砌拱石灰缝出现多处开裂，部分拱石剪切破坏，甚至压碎、脱落；边墙中部出现多处水平裂缝，最宽达3cm，已出现多处垮塌；底板浆砌条石向上凸起，凸起高最高达55cm，损坏严重。
2.基本地质条件概况
工程位于四川盆地东北边缘的丘陵地区。构造上属川中旋钮构造体系中台山半环状构造的八角场背斜北翼，岩层产状N55°E/NW<1°；岩体中一般发育两组裂隙①N50~70°E/NW<76~81°，②N30~50°W/NE<75~84°。裂面起伏粗糙，见铁质薄膜。据勘探与施工开挖资料，隧洞位于侏罗系上统蓬莱镇组紫红色粉砂质泥岩中，其间夹有灰白色砂岩透镜体。按水利水电地下工程围岩分类方案，各段围岩类别划分如下：进口段（0+000~0+200）：洞顶以上新鲜粉砂质泥岩厚度为1.0~1.5倍洞径，有地下水渗出，围岩类别属Ⅴ类。洞身段（0+200~1+075.0）：洞室位于新鲜粉砂质泥岩中，无地下水活动，围岩类别属Ⅳ类。出口段（1+075.0~1+155.6）：洞顶以上新鲜粉砂质泥岩岩体厚度为1.0~2.0倍洞径，围岩类别属Ⅴ类。
2.围岩膨胀特性研究
对组成隧洞的粉砂质泥岩的矿物成分、颗粒级配特点、分散度，物理力学指标及膨胀特性等特性的取样试验，试验成果见表1、表2、表3及表4。

隧洞粉砂质泥岩粘土矿物成分X射线粉晶衍射测试成果表
表1
测试编号
粘土矿物含量（％）
伊利石
绿泥石
石英
长石
方解石
S0103
46
17
17
10
10
S0104
45
16
17
10
12

隧洞粉砂质泥岩细料物理实验成果表
表2
编号
比重
自由膨胀量
界限含水量
颗粒分析（％）
土的名称
Wl
Wp
Ip
试验
方法
粒 径（mm）
分散度
>0.05
0.05
~
0.005
<0.005
%
%
％
粘1
2.74
35.0
31.2
17.8
13.4
加分散剂
16.0
49.5
34.5
96.2
粉质粘土
粘2
2.74
36.0
31.8
17.0
14.8
不加分散剂
16.0
50.8
33.2

隧洞围岩物理力学指标试验成果表
表3
岩性
比重
天然容重
含水量
吸水率
孔隙率
抗压强度
软化系数
干
湿

g/cm3
%
MPa

粉砂质泥岩
2.69
2.38
2.96
6.03
14.0
23.2
14.8
0.45

弱风化粉砂质泥岩膨胀力试验成果表
表4
编号
干密度
试前
试后饱和度
膨胀力
含水率
饱和度
g/cm3
%
MPa
5－1
2.165
7.56
75.0
100
0.292
5－2
2.326
4.47
64.9
92.8
0.101
5－3
2.376
5.51
91.9
96.3
0.073
5－4
2.243
6.91
81.4
88.3
0.055

2.2围岩膨胀特性工程地质评价
2.2.1隧洞围岩为粉砂质泥岩，经对其粘土矿物的X射线粉晶衍射测试成果表明，伊利石含量为45～46％，绿泥石含量为16～17％，伊利石、绿泥石总含量达62～63％，它具面－面叠聚的书状结构，为亲水性较强的粘土矿物。因此，隧洞围岩具有膨胀性岩石的物质基础。
2.2.2粉砂质泥岩粘粒含量33.2～34.5％，分散度为96.2％，具有膨胀岩的物理特征。
2.2.3膨胀试验表明：粉砂质泥岩自由膨胀率为35～36.2％>25%，膨胀力随饱和度的增大而增大，当饱和度达到100％时，膨胀力达到其最大值Pmax=0.292Mpa>0.15，按膨胀岩分类，它属于典型膨胀岩。
3.衬砌破坏破坏严重程度分级
据现场勘查，按各段变形破坏的严重程度，将衬砌变形破坏分为以下4类：
Ⅰ类：衬砌中几乎不见宏观（肉眼可见）性的裂缝，但推测应存在肉眼不易发觉的微裂隙。
Ⅱ类：底板向上隆起，隆起高度10~20cm，隆起中部一般有张开1.0~2.0Cm的裂缝沿轴向延伸，裂缝大部分位于灰浆中。边墙及顶拱几乎不见宏观性的裂缝。
Ⅲ类：底板变形破坏较Ⅱ类严重，隆起高度一般为24~55cm，隆起部位处灰浆与条石已脱开，裂缝宽度2.0~3.0Cm，大者4.0~5.0Cm；左、右边墙向开始向内侧鼓出，偏离边墙12.0~15.0Cm，并在1.0~1.3m高处形成裂缝，一般追踪灰浆缝延伸；同时部分边墙还见有条石被拉裂、剪断的现象。
Ⅳ类：底板、边墙破坏情况与Ⅲ类基本相当，但条石被拉裂、剪断的现象较多些。且偶见有边墙衬砌垮塌的现象。顶拱拱石被压碎、拉裂，顶拱的整体性不同程度地遭到破坏，失去了拱的作用。
显然，衬砌变形破坏的严重程度从Ⅰ类到Ⅳ类是增大的。
隧洞衬砌变形破坏的分段情况见表5
衬砌变形破坏分段情况一览表
表5
分段桩号
0+000~0+250
0+250~0+314
0+314~0+588
0+588~0+871.5
0+871.5~1+071
1+071~1+155.6
破坏类别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅲ
Ⅰ
破坏程度评价
轻微
一般
较严重
严重
较严重
轻微
表5表明，破坏严重的（Ⅳ类）段次位于隧洞的中部，由此向进、出口两个方向破坏程度为较严重（Ⅲ类）、一般（Ⅱ类）、轻微（Ⅰ类）。
4.隧洞衬砌变形破坏机制分析
4.1隧洞围岩的膨胀是衬砌变形破坏的基本条件
在工程上的膨胀岩是指在卸荷条件下，由于水与岩石的物理化学作用导致含水量的增高、体积膨胀的岩石。
回龙宫隧洞为一灌溉输水隧洞，其运行方式为每年3～8月分隧洞输水，9月至次年2月底隧洞则停止运行。同时在输水期间，按灌溉需要不同时段甚至每日还存在输水、停水变化。隧洞运行过程的这种干、湿循环对粉砂质泥岩的膨胀提供了外部条件。同时水位的变化也是对隧洞衬砌及其围岩的加荷、卸荷过程。
围岩作用于衬砌的膨胀力即为导致其变形破坏的主要原因之一。
4.1.1围岩膨胀机制
由于隧洞围岩的矿物成分以伊利石（K<1 Al2[(Si,Al)4O10(OH)2.nH2O]）与绿泥石（（Mg,Fe）5(Al,Si3O10)(OH)8）为主，它们对水具有较强的吸附作用。这类岩石的膨胀力主要来源于岩石中孔隙与裂隙对水的吸附产生的“楔裂压力”。现场取粉砂质泥岩作崩解试验，当岩块试样置于水中后，可以看到试样开始出现大小不等的裂隙，然后随着裂隙的发展崩解成大小不同的碎块，这种碎块往往难以进一步分散，浸泡的水也常常是清澈的。我们称这类崩解为“楔裂性崩解”。这与含蒙脱石为主的粘土岩浸水后开始吸水膨胀并有鳞片状碎屑物崩落、分散使浸泡水发生浑浊的机理是不同的，后者的崩解可称作“分散型或彭胀型崩解”。
我们知道，隧洞围岩中是存在孔隙与裂隙的。孔隙形成于成岩过程；而裂隙则有两类：①岩石中原有构造、风化裂隙，②施工开挖过程中的爆破裂隙松弛圈内的松弛裂隙。据试验资料组成隧洞粉砂质泥岩的孔隙率（包括孔隙和第①种裂隙）为14.0％，这是比较高的，这其中还不包括第②种裂隙。
粉砂质泥岩中的孔隙与裂隙表面是其岩石结构体系中的“水—岩相界面”的主要部分，它具有较大的表面能，与水接触时能强烈地吸附水分子。吸附将使其表面能减小，减小的表面能一部分以湿润热的形式逸散，另一部分则转化为促使岩石“水—岩相界面”增大的力学破坏能，即前述“楔裂压力”，“水—岩相界面”的增大必将导致岩石体积的膨胀和崩解，以及由此产生的膨胀力；岩石的膨胀和崩解将产生新的“水—岩相界面”，从而形成新的“楔裂压力”。这种逐渐放大的累进性膨胀、崩解作用就是以伊利石为主要矿物成分的粘土岩的膨胀机制。我们把导致岩石膨胀的水与岩石间逐渐放大的累进性膨胀、崩解作用定义为水－岩耦合作用。
4.1.2膨胀力与岩石环境
据有关资料：岩石的最大膨胀力与环境湿度的变化密切相关，S.L.Hvang等通过侧向约束实验得出了最大膨胀力与相对湿度RH及湿度变化指数IRH的关系模型：
Pmax=0.0686RH-0.008RH2+1.473IRH+0.0132IRH2-0.0145RH×IRH+0.9594
是中，Pmax为最大膨胀压力，单位：Mpa。
即，最大膨胀压力与湿度变化指数IRH呈平方关系变化，由此表明，膨胀压力对湿度的变化是十分敏感的。
如前所述，隧洞运行过程中的干、湿循环无凝将产生较大的湿度变化，这就极可能使粉砂质泥岩达到其最大膨胀力。据试验成果，回龙宫隧洞最大膨胀力Pmax=0.292MPa。
膨胀岩在干、湿循环作用下的膨胀与收缩是一个可逆过程，可表示如下：

反复的干湿循环导致了岩石的反复膨胀与收缩，相当于给隧洞衬砌的反复加荷与卸荷。
4.1.3围岩膨胀导致隧洞衬砌变形破坏的机制
隧洞衬砌材料为100＃浆砌条石，一般地讲，灰浆与条石的热胀特性能是不同的。环境温度与湿度的变化，将首先导致沿灰浆与条石的薄弱部分产生裂纹。隧洞水正是从这种裂纹首先渗入到衬砌背后的围岩孔隙与裂隙中，由此为岩石的膨胀提供了外部条件，而岩石的膨胀力反作用于衬砌上使得条石灰浆间的裂纹进一步扩展。这样水的入渗与岩石的膨胀作用就形成了另一种逐渐放大的耦合作用，直至导致衬砌的开裂与破坏。
4.2岩石蠕变对衬砌的变形破坏作用
隧洞埋深较大，一般为60~100m，中部达170m，围岩自重应力较大；而组成隧洞围岩的粉砂质泥岩湿抗压强度为14.8Mpa,软化系数0.45，属软岩。软岩围岩在较大自重应力下必然产生蠕变收敛。围岩的蠕变收敛也将导致岩石形成新的裂隙与“水－岩相界面”，由此导致岩石的进一步膨胀岩石的蠕变收敛与膨胀变形相互叠加形成了第三种逐渐放大的耦合作用。这种作用加剧了衬砌的变形与破坏。
4.3隧洞衬砌变形破
水－岩耦合作用是岩石膨胀、崩解的机制，隧洞水沿衬砌裂纹入渗与岩石的膨胀所形成的逐渐放大的耦合作用最终导致了浆砌条石的开裂与破坏；粘土岩软岩的蠕变收敛与膨胀变形相互叠加的耦合作用加剧了衬砌的开裂与破坏。
现场勘察可以看出隧洞衬砌的变形破坏顺序如下：首先是底板中开裂并向上鼓起，其次是边墙中部的开裂并向内鼓起，最后导致顶拱拱座失去支撑而开裂。
5.膨胀围岩隧洞设计、施工要点。
据上述围岩膨胀对衬砌的破坏机理，可得出膨胀围岩隧洞的设计与施工要点
5.1施工开挖过程中应及时封闭衬砌，以减轻或避免围岩的风化、风干，特别是围岩湿度条件及含水量的变化。施工方法应采用浅眼多循环开挖方案，优先选用光面爆破坏。施工时应处理好地下水的引排、尽量减少对围岩的浸泡。
5.2施工过程中对超挖部分的回填应选用块（卵）石混凝土或浆砌块石等非膨胀材料；禁止使用膨胀岩围岩的母岩石渣，因为这种石渣材料的比表面积较母岩大，其膨胀潜势也较母岩大，对隧洞衬砌的变形破坏作用也较大。
5.3隧洞衬砌破坏首先发源于底板的开裂鼓起，因此，施工时首先对底板岩石灰浆进行封闭是十分必要的，必要时可再增加适当锚固措施，以防止底板围岩的遇水膨胀隆起。
5.4衬砌的断面型式应选用马蹄形或圆形等以适应围岩膨胀变形。衬砌材料不宜使用两种以上的热胀性能有一定差异的材料（如浆砌条石等），应优先考虑钢筋混凝土等单一的整体性较好的材料，以避免应温度与湿度变化而产生的不同材料间的裂纹。
作者简介：
王子忠（1964～） 男，四川剑阁人，水利部四川院勘察分院高级工程师，副院长，学士，从事水利水电工程勘察工作；
张良喜（1966～） 男，四川成都人，四川西昌攀西地质勘察院高级工程师，院长，工程硕士，从事工程地质勘察与岩土设计工作。