寧夏中南部引水工程軟巖工程特性研究

李明福，滕 杰

（中水北方勘察設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 概況

寧夏中南部地區(qū)引水工程輸水隧洞穿越的軟巖地層主要包括白堊系乃家河組（K1n）、馬東山組（K1m）及第三系寺口子組（E2s）地層，主要巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r等，屬白堊紀(jì)以來(lái)相繼沉積的一套河流淺湖相—深湖相細(xì)碎屑巖建造。由于成巖時(shí)間較短、膠結(jié)程度較差，巖石強(qiáng)度低，多屬軟巖。構(gòu)造上表現(xiàn)為走向SW或NW緩傾的單斜層，傾角一般在8～15°，最大30°。主要采用室內(nèi)試驗(yàn)、原位測(cè)試及綜合分析等方法，對(duì)泥質(zhì)巖工程地質(zhì)特性進(jìn)行研究。

2 礦物、化學(xué)成分

輸水隧洞圍巖除了約400 m長(zhǎng)的洞段為第三系寺口子組（E2s）砂礫巖夾泥巖外，其他各隧洞圍巖均為白堊系的泥巖夾少量泥灰?guī)r，其工程地質(zhì)特性相近。

2.1 巖礦鑒定和X射線粉晶衍射分析

對(duì)隧洞沿線主要巖石進(jìn)行巖礦鑒定和全巖X射線粉晶衍射分析。

（1）白堊系下統(tǒng)乃家河組（K1n）及馬東山組（K1m）泥巖，為泥晶泥狀結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，巖石主要礦物由泥質(zhì)礦物和方解石組成，含少量褐鐵礦及石英，其中泥質(zhì)礦物含量約58.0%～62.0%、方解石含量33.0%～35.0%。

全巖X 射線粉晶衍射分析成果表明，隧洞巖石的主要礦物成分為黏土、石英、斜長(zhǎng)石、方解石及少量白云石、方沸石等，其中黏土含量一般為23.5%～37.0%、個(gè)別達(dá)60.0%，石英含量10.0%～16.7%，方解石含量6.5%～40.3%。僅少部分含有石膏，但含量較高，達(dá)38.2%。黏土礦物成分主要為蒙脫石和伊利石，其中伊利石含量略高于蒙脫石。

（2）第三系始新統(tǒng)（E2s）砂質(zhì)泥巖，為不等粒砂狀泥狀結(jié)構(gòu)，弱定向構(gòu)造，巖石主要由含鐵泥質(zhì)、長(zhǎng)石、石英、方解石碎屑及巖屑組成，其中含鐵泥質(zhì)50%，石英、長(zhǎng)石、方解石碎屑分別占11.0%～12.0%，各種巖屑含量6.0%～8.0%。

全巖X 射線粉晶衍射分析成果表明，巖石的主要礦物成分為斜長(zhǎng)石、石英、黏土、鉀長(zhǎng)石、方解石及少量白云石，其中斜長(zhǎng)石含量26.0%～32.0%、石英含量25.5%～31.3%、黏土含量13.0%～17.2%、方解石含量12.8%～20.3%。

2.2 常規(guī)化學(xué)成分分析

（1）白堊系下統(tǒng)乃家河組（K1n）及馬東山組（K1m）的泥巖化學(xué)成分主要為SiO2、CaO、A12O3、MgO，而Fe2O3、K2O、Na2O等次之。其中，SiO2含量約31.0%～44.0%，CaO 含量12.0%～23.0%，A12O3含量9.0%～13.0%，F(xiàn)e2O3含量3.0%～6.0%。

（2）第三系始新統(tǒng)（E2s）砂質(zhì)泥巖化學(xué)成分主要為SiO2、CaO、A12O3，而Fe2O3、MgO 等次之。其中，SiO2含量約53.0%～56.0%，CaO含量14.0%～15.0%，A12O3含量11.0%～13.0%，F(xiàn)e2O3含量2.0%～3.0%。

3 軟巖工程地質(zhì)特性

3.1 強(qiáng)度特性

對(duì)隧洞白堊系乃家河組（K1n）及馬東山組（K1m）泥質(zhì)巖及第三系（E2s）砂質(zhì)泥巖通過(guò)鉆孔取樣，進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，成果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果匯總

從試驗(yàn)成果看，白堊系下統(tǒng)泥巖在干燥狀態(tài)和天然狀態(tài)下，其平均單軸抗壓強(qiáng)度為18.5～37.3、20.2～23.73 MPa，彈性模量和變形模量也相對(duì)較高。但是，在飽和狀態(tài)下其平均抗壓強(qiáng)度僅4.3～8.53 MPa，明顯低于干燥狀態(tài)和天然狀態(tài)，軟化系數(shù)為0.22～0.37，最低僅0.1；同樣，彈性模量和變形模量也具有相似的規(guī)律性，巖石遇水軟化特征明顯。

第三系砂質(zhì)泥巖在干燥狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為8.5～12.1 MPa，濕單軸抗壓強(qiáng)度為0.1～1.6 MPa，軟化系數(shù)為0.02～0.33；干燥狀態(tài)下彈性模量為3.30 GPa，濕彈性模量接近于0.003～1.30 GPa。其濕抗壓強(qiáng)度、濕彈性模量明顯低于天然狀態(tài)，屬于易軟化巖石，水的作用對(duì)其力學(xué)強(qiáng)度影響強(qiáng)烈。

需要指出的是，上述巖樣是從鉆孔取的較新鮮完整巖石，實(shí)際上巖石的強(qiáng)度與風(fēng)化程度和結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度密切相關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)看到經(jīng)過(guò)風(fēng)化的泥巖具有極軟巖的特性。除此之外，泥質(zhì)巖的強(qiáng)度還取決于膠結(jié)物的成份和性質(zhì)等。

3.2 流變特性

巖體在長(zhǎng)期恒定荷載的作用下應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而變化的性質(zhì)稱(chēng)為巖體的流變性，蠕變是巖體流變性的一個(gè)宏觀表現(xiàn)。這次對(duì)部分鉆孔內(nèi)的白堊系泥巖進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)，在不同應(yīng)力水平下泥巖加載蠕變曲線如圖1所示。

圖1 泥巖分別加載蠕變曲線

從試驗(yàn)成果看，巖石蠕變具有如下規(guī)律：

（1）在各級(jí)應(yīng)力水平下，蠕變曲線可以劃分為2個(gè)階段；第1階段是衰減蠕變階段，第2階段是穩(wěn)定蠕變階段。相應(yīng)的泥巖應(yīng)變可以分為兩部分：一部分是瞬時(shí)應(yīng)變，即每級(jí)應(yīng)力水平施加瞬間試樣產(chǎn)生的瞬時(shí)變形；另一部分是蠕變應(yīng)變，即在恒定應(yīng)力水平作用下試樣變形隨時(shí)間而增長(zhǎng)。

（2）試樣的衰減蠕變階段歷時(shí)隨偏差應(yīng)力的增加而延長(zhǎng)，即應(yīng)力水平越高，巖石發(fā)生衰減蠕變的時(shí)間越長(zhǎng)。試樣的瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變隨應(yīng)力水平的增加而增大。

（3）第一級(jí)應(yīng)力水平下試樣的瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變較小，這是因?yàn)樵嚇幼造o水加載開(kāi)始巖石材料內(nèi)部原有的裂隙被壓密、孔洞被壓縮閉合，而巖石材料本身并未達(dá)到受壓屈服狀態(tài)，因此在較低的應(yīng)力水平下沒(méi)有出現(xiàn)較大的變形。

（4）在試驗(yàn)過(guò)程中，巖石的蠕變表現(xiàn)為較穩(wěn)定蠕變，即在較低的應(yīng)力水平下巖石的變形亦隨時(shí)間而增大，而沒(méi)有出現(xiàn)明顯的起始蠕變破壞階段。

巖石試驗(yàn)成果為天然狀態(tài)下的蠕變，而水對(duì)泥巖蠕變量的影響顯著，對(duì)于飽水狀態(tài)下的泥巖在附加應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下將產(chǎn)生明顯變形。實(shí)際觀察該區(qū)風(fēng)化巖石在雨水軟化和自重應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生蠕動(dòng)和滑坡，嚴(yán)重影響渠道邊坡的穩(wěn)定。

第三系砂質(zhì)泥巖成巖時(shí)間短，膠結(jié)力弱，飽水后流變量大，時(shí)效變形顯著。

3.3 浸水崩解性

隧洞穿過(guò)的白堊系乃家河組（K1n）馬東山組（K1m）及第三系（E2s）地層沉積年代較新，多為膠結(jié)程度較弱的泥質(zhì)巖。泥巖的崩解性與巖石礦物成分、化學(xué)成分、顆粒結(jié)構(gòu)、風(fēng)化程度等有密切關(guān)系。

從若干鉆孔中取新鮮巖芯進(jìn)行耐崩解性試驗(yàn)，從試驗(yàn)成果看，白堊系（K1n、K1m）灰質(zhì)泥巖耐崩解指數(shù)大部分大于90%，但個(gè)別組的耐崩解指數(shù)較低，如ZK4-1 巖石耐崩解指數(shù)81.14%，ZK10-2 巖石耐崩解指數(shù)79.68%，ZK6-2 巖石耐崩解指數(shù)79.67%，而ZK2-1巖石耐崩解指數(shù)達(dá)49.17%，這些組的巖石遇水崩解比較嚴(yán)重。在工程現(xiàn)場(chǎng)觀察到，隧洞開(kāi)挖暴露的完整干燥的泥巖，被隧洞積水長(zhǎng)時(shí)間浸泡后常常分解呈碎屑或泥狀。第三系（E2s）砂質(zhì)泥巖崩解試驗(yàn)結(jié)果表明，耐崩解指數(shù)為0～87.0%，多屬很低的耐久性，部分為中等耐久性。經(jīng)觀察，泥巖浸水后有的即刻崩解呈泥狀，而有些呈塊狀崩裂或片狀開(kāi)裂，崩解特性明顯。

3.4 遇水膨脹性

寧夏中南部引水工程中泥巖多具弱膨脹潛勢(shì)。表層泥巖本身具不規(guī)則狀、網(wǎng)狀微細(xì)裂隙，產(chǎn)生遇水軟化膨脹、失水收縮開(kāi)裂現(xiàn)象，這使得引水工程的隧洞襯砌等結(jié)構(gòu)物易遭到破壞。本次對(duì)鉆孔巖芯在天然含水狀態(tài)下進(jìn)行膨脹試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

表2 巖石膨脹試驗(yàn)成果

從試驗(yàn)結(jié)果看，天然含水量狀態(tài)下泥巖的荷載平均膨脹率為0.7%，而膨脹壓力在4.4 ～62.2 kPa，平均值為20.6 kPa，具有一定的膨脹勢(shì)。試驗(yàn)研究成果表明，膨脹性巖體的擠壓應(yīng)力及變形的時(shí)間效應(yīng)十分顯著，即應(yīng)力釋放過(guò)程是比較長(zhǎng)的。因此，在隧洞襯砌設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)考慮膨脹力因素的影響，采取適宜的處理措施，抑制或減弱泥巖產(chǎn)生膨脹和力學(xué)強(qiáng)度降低的不利影響。

3.5 卸荷巖塊聲波特征

為了解深埋于地下泥質(zhì)巖暴露后的時(shí)間效應(yīng)和卸荷失水影響，在鉆孔孔深278.25～293.99 m 取巖芯，進(jìn)行聲波衰變測(cè)試，巖芯聲波衰變情況如圖2所示。結(jié)果表明：

圖2 10-2#巖芯聲波測(cè)試成果

（1）各巖芯聲波波速衰降明顯，一般經(jīng)過(guò)38～48 h波速趨于基本穩(wěn)定，衰降率15%～28.1%。

（2）經(jīng)過(guò)66 h后所有巖芯均先后裂開(kāi)，裂開(kāi)時(shí)間間隔存在一定差異。

（3）鉆孔巖芯聲波衰減和環(huán)境溫度關(guān)系較密切，環(huán)境溫度高則衰減速度較快，反之則較慢。

4 影響軟巖工程地質(zhì)特性的主要因素分析

4.1 巖石成分

具有不同地理沉積環(huán)境和不同成因類(lèi)型的泥巖，其成分、結(jié)構(gòu)是不同的，而泥巖的成分是影響巖石物理力學(xué)性質(zhì)的主要因素。該地區(qū)白堊系地層為一套濱?！獮a湖相細(xì)碎屑巖，巖性以灰色、黑灰色、暗紅色的灰質(zhì)泥巖為主，夾有淺灰色的泥灰?guī)r及粉砂質(zhì)泥巖，局部含有極薄層石膏。第三系地層則是一套陸相碎屑巖建造，巖性以砂質(zhì)泥巖為主，砂礫巖次之。

泥巖成分包括礦物成分和化學(xué)成分，其中礦物成分對(duì)其工程地質(zhì)性質(zhì)影響更為明顯。而對(duì)工程性質(zhì)影響大的主要成分是黏土礦物，黏土礦物的含量很大程度影響到其力學(xué)性質(zhì)的好壞。一般來(lái)說(shuō)，泥巖中黏土礦物含量越高，其力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)越低。該地區(qū)灰質(zhì)泥巖中黏土礦物含量較高，一般含量達(dá)23.5%～37.0%，其中暗紅色灰質(zhì)泥巖黏土礦物含量高達(dá)60%。暗紅色泥巖比其他灰質(zhì)泥巖在相同含水率的情況下，其力學(xué)強(qiáng)度也低。

黏土礦物的成分及含量同時(shí)也影響到泥巖的水理性質(zhì)。研究成果表明，蒙脫石與伊利石含量之和大于20%的泥巖崩解性強(qiáng)烈，5.0%～20.0%之間的泥巖也具有明顯崩解性；具有膨脹性黏土礦物的含量越高，其膨脹量越大。本工程黏土礦物中伊利石含量略高于蒙脫石，兩者均為親水性礦物。因此，一些黏土礦物含量較高的泥巖表現(xiàn)出較強(qiáng)的崩解、軟化、脹縮性等現(xiàn)象。在水穩(wěn)性方面，暗紅色灰質(zhì)泥巖比其他灰質(zhì)泥巖表現(xiàn)得更差。

黏土礦物與膨脹巖的化學(xué)成分、膨脹特性之間有密切的相關(guān)關(guān)系，化學(xué)成分中硅鋁分子比的高低間接反映出蒙脫石與伊利石含量，也是判斷泥巖脹縮性的依據(jù)之一。該地區(qū)泥巖硅鋁分子比達(dá)3.4～4.5，進(jìn)一步說(shuō)明該地區(qū)泥巖具有膨脹潛勢(shì)。

4.2 膠結(jié)物性質(zhì)

膠結(jié)物成分對(duì)泥質(zhì)巖工程性質(zhì)的影響非常大。由于泥質(zhì)巖沉積的自然地理環(huán)境不同，其膠結(jié)物的成份和表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)也是不同的。它的膠結(jié)物有硅質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)、石膏、泥質(zhì)等。應(yīng)該指出，泥質(zhì)巖強(qiáng)度主要取決于膠結(jié)物成分和膠結(jié)性質(zhì)，而其也反映到泥質(zhì)巖的膠結(jié)程度。膠結(jié)程度的強(qiáng)弱對(duì)泥巖的水理性質(zhì)、物化性質(zhì)有較大的影響，并使其力學(xué)性質(zhì)、水穩(wěn)性及抗風(fēng)化能力等有明顯的差別。膠結(jié)程度還取決于膠結(jié)物含量及膠結(jié)形式等。巖礦鑒定、巖石化學(xué)成分分析、X-射線衍射分析等試驗(yàn)結(jié)果表明，工程區(qū)泥質(zhì)巖及砂礫巖的主要膠結(jié)方式為鈣質(zhì)膠結(jié)及泥質(zhì)膠結(jié)。白堊系（K1n、K1m）泥質(zhì)巖膠結(jié)物以鈣質(zhì)及鈣泥質(zhì)為主，第三系（E2s）巖層則以泥質(zhì)膠結(jié)為主，巖石膠結(jié)程度一般為弱膠結(jié)到中等膠結(jié)。工程開(kāi)挖揭露后，泥鈣質(zhì)膠結(jié)的暗紅色泥巖比其他灰質(zhì)泥巖的強(qiáng)度衰減及抗風(fēng)化性有明顯差異。鈣質(zhì)含量相對(duì)較高、較強(qiáng)膠結(jié)的泥灰?guī)r強(qiáng)度最高，抗風(fēng)化性也較好。

4.3 環(huán)境變化

隧洞開(kāi)挖后泥質(zhì)巖暴露地表，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后其工程性質(zhì)出現(xiàn)明顯變化。白堊系（K1n、K1m）泥質(zhì)巖及第三系（E2s）砂質(zhì)泥巖均具有失水干裂的不良特性，特別是泥巖在干燥后的二次浸水作用下，其工程性質(zhì)的變化存在著巨大的差異。在保持天然含水狀態(tài)或三維應(yīng)力條件下，巖體具有較高的強(qiáng)度，但遇水浸泡后泥巖易軟化，強(qiáng)度衰減十分明顯；隨著巖石的風(fēng)化程度、干濕交替等環(huán)境變化，其水穩(wěn)性和膨脹性也發(fā)生變化。試驗(yàn)研究結(jié)果和實(shí)際觀察表明，親水性的泥巖崩解及膨脹性主要是由于巖石含水量變化引起的，即巖石經(jīng)過(guò)干燥失水后產(chǎn)生的，泥巖若能保持隧洞開(kāi)挖前的含水量，通常不具備膨脹特性，而開(kāi)挖后膨脹性圍巖逐漸干燥失水，再遇水便要膨脹崩解，其干燥失水越多，膨脹量越大。

5 針對(duì)軟巖工程地質(zhì)特性應(yīng)采取的工程措施

基于軟巖的強(qiáng)度、流變性質(zhì)、浸水崩解性、遇水膨脹性及巖塊卸荷聲波衰減等工程特性，結(jié)合巖石成分、膠結(jié)物特性、環(huán)境變化等影響軟巖工程地質(zhì)特性的主要因素，對(duì)輸水隧洞工程而言，建議在施工過(guò)程中采取的主要工程措施有：

（1）避免圍巖長(zhǎng)時(shí)間暴露、風(fēng)干、充水和浸濕，盡量保持工作面濕潤(rùn)的天然狀態(tài)，是防止或減少泥巖工程性質(zhì)惡化而產(chǎn)生失穩(wěn)或變形的重要措施。

（2）及時(shí)采取初期支護(hù)措施，盡快封閉。根據(jù)巖體卸荷效應(yīng)試驗(yàn)成果，在5～8 h 內(nèi)完成混凝土噴護(hù)較為適宜。

（3）洞底積水應(yīng)盡快清除，把隧洞疏排水工作作為隧洞有效支護(hù)的一個(gè)重要保障，盡量避免水與軟巖接觸的機(jī)會(huì)和時(shí)間。

（4）在鉆爆作業(yè)中應(yīng)控制好裝藥量和改進(jìn)工藝，減少爆破對(duì)圍巖的破壞擾動(dòng)，也是提高隧洞圍巖的力學(xué)強(qiáng)度、保障圍巖穩(wěn)定性的重要一環(huán)。

（5）及時(shí)對(duì)隧洞底部進(jìn)行硬化，以避免除渣過(guò)程中對(duì)洞底巖石結(jié)構(gòu)的破壞，降低洞底巖石的承載力，造成隧洞二次襯砌的沉降變形。

6 結(jié)語(yǔ)

寧夏中南部地區(qū)白堊系（K1n、K1m）及第三系（E2s）泥質(zhì)巖多屬軟巖—極軟巖，其黏土礦物含量一般達(dá)到或超過(guò)50.0%，具有膠結(jié)程度較弱、力學(xué)強(qiáng)度較低的工程特性，可能引發(fā)輸水隧洞的圍巖變形破壞。

天然狀態(tài)下的泥質(zhì)巖工程特性較為穩(wěn)定，但浸水飽和后其力學(xué)強(qiáng)度急劇降低，尤其是泥巖在干燥失水后的二次浸水作用下其工程性質(zhì)將發(fā)生巨大的變化，可能產(chǎn)生蠕變、崩解、膨脹等現(xiàn)象，在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中應(yīng)充分考慮這些因素，并采取行之有效的處理措施，抑制或減弱軟巖產(chǎn)生對(duì)工程不利的影響，以保證工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定和安全運(yùn)行。

[1]林在貫，高大釗.巖土工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994.