長春白堊系全風化、強風化泥巖崩解膨脹特性及力學性研究

張得魯

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

1 引 言

長春地鐵2號線西延工程起點為東風大街南約 1.0 km，線路沿凱達北街敷設，線路在下穿警備路和西四環(huán)后到達地鐵2號線西延線終點，線路平面示意圖如圖1所示。車站采用明挖法和暗挖法施工，區(qū)間采用盾構法施工。整個沿線位于松遼波狀平原東緣與吉東山地接址帶，屬長春波狀臺地，覆蓋層以第四系沖洪積土層為主，其下為白堊系泥巖夾粉砂質泥巖和泥質粉砂巖。白堊系泥巖具有抗風化能力弱，風干易裂，吸水便完全崩解的特性，巖體的工程力學性質差異很大；特別是在泥巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖遇水和失水的情況下，工程力學性質變化較大，在施工時，應及時采取有效的支護和防護措施。長春地鐵2號線西延工程沿線區(qū)域地質圖如圖2所示。

圖1 長春地鐵2號線西延工程線路平面示意圖

圖2 長春地鐵2號線西延工程沿線區(qū)域地質圖

因此，采取有效的防治措施，穩(wěn)定巖體中的含水量，可避免泥巖的崩解膨脹對地鐵施工帶來的危害。

2 巖石的崩解膨脹特征

根據(jù)現(xiàn)場勘察及室內實驗，長春地區(qū)白堊系泥巖有兩方面的特征：①表觀特征。根據(jù)現(xiàn)場的地質勘察，沿線分布的白堊系泥巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖表面比較光滑，手摸有滑感，斷口呈貝殼狀，具蠟狀光澤。根據(jù)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，暴露于空氣中的巖芯，在幾小時或幾天內即碎裂、破壞。風干狀態(tài)下的巖芯在遇水的情況下，能夠崩解膨脹，成為碎塊、碎屑或泥狀。②巖體破壞特征。現(xiàn)場巖芯破壞后宏觀表現(xiàn)為碎漲破壞，巖體浸水后膨脹、開裂、崩解，成碎塊狀。

該類巖體破壞主要由于巖石內含有膨脹性的黏土礦物，在巖石浸水后，親水礦物易迅速吸附水分子，造成巖石內部微結構破壞，巖石膨脹變形、崩解開裂[1，2]。通過室內崩解膨脹試驗發(fā)現(xiàn)，大部分泥巖浸水后，巖石內部節(jié)理裂隙可溶鹽類易迅速溶解流失，造成巖石節(jié)理裂隙進一步擴大，塊體粘結強度變弱，巖石完整性變差，使得水分子與黏土礦物充分接觸而造成巖石崩解破壞，巖塊呈土狀散落，最終形成泥糊狀，該類破壞無明顯的膨脹變形過程。

3 巖石崩解與膨脹試驗

3.1 崩解試驗

地鐵2號線西延線勘察期間，對勘察鉆孔取原狀樣進行室內實驗，共完成試樣14組。按照《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG-E41-2005)規(guī)范中巖石耐崩解性指數(shù)按下列公式計算：

(1)

式中Id2—巖石二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)，%；

ms—原試件烘干質量，g；

mr—殘留試件烘干質量，g；

崩解試驗統(tǒng)計表 表1

巖石耐久性劃分表 表2

本次地鐵2號線西延勘察場地范圍內廣泛分布白堊系泥巖，主要為紫紅色泥巖夾灰白色、灰黃色、灰綠色泥質粉砂巖，厚度很大。根據(jù)試驗結果全、強風化泥巖第一次循環(huán)耐崩解性指數(shù)為0.0%～25.4%，平均耐崩解性指數(shù)為6.8%；第二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)為0.0%～3.6%，平均耐崩解性指數(shù)為0.4%。根據(jù)巖石耐久性劃分表，判斷風化泥巖屬于極低耐久性巖石且第一次崩解殘留試件烘干質量大多小于20%，第二次崩解殘留試件烘干質量幾乎為零。可見對于明挖基坑暴露后風化泥巖會發(fā)生嚴重的剝落現(xiàn)象，如不及時對其進行支護，會產(chǎn)生大規(guī)模坍塌。暗挖施工支護不及時可能產(chǎn)生掌子面變形、片幫、冒頂問題等。降水施工過程中，容易在隧道附近形成空洞，導致地面及隧道塌陷。風化層位于基巖起伏地區(qū)，很容易形成疏不干效應，隧道開挖過程中，基巖面易發(fā)生涌水和流砂現(xiàn)象。

3.2 膨脹試驗

白堊系泥巖層主要分布于地鐵結構底部及側壁，為進一步判定該層土膨脹性大小，現(xiàn)場在鉆孔內采取了9組巖樣進行了土的膨脹性試驗，如表3、表4所示。

次甲基藍吸附法測定蒙脫石含量表 表3

土類型及自由膨脹率實驗值表 表4

4 泥巖水理性質分析

4.1 礦物成分

在地鐵勘察區(qū)間取巖樣進行室內磨片鑒定，標本號XY01-7，取樣深度：32.5 m～32.7 m。鏡下鑒定礦物成分：巖石全部由黏土礦物組成，含極少量粒度小于 0.05 mm的長英質粉砂，這些黏土礦物呈隱晶質結構，在薄片中光性不明顯。泥狀結構，塊狀構造，鑒定名稱：泥巖。由于黏土礦物透光性較差，磨片效果不理想，放大300倍后得到的巖樣磨片鑒定成果如圖3所示。

圖3 XY01-7巖樣磨片鑒定成果

后期補充取樣，進行了X射線礦物衍射分析，成果如表5所示。說明該泥巖的主要礦物成分為石英、斜長石、方解石以及黏土礦物，其中伊利石為主要的黏土礦物。

泥巖中的黏土礦物具有一定的親水性，其中蒙脫石的親水性最強，伊利石次之，高嶺石最弱；所以，泥巖膨脹性的強弱直接取決于蒙脫石的含量。由試驗得出，長春白堊系泥巖石英含量較高，黏土礦物含量相對較少，耐崩解性指數(shù)相對較高，膨脹潛勢不大。

X射線礦物衍射分析測試成果表 表5

4.2 巖石結構

泥巖的內部結構特征主要考慮巖石中節(jié)理裂隙的影響。按照成因分析，巖石中的裂隙可劃分為構造裂隙(構造作用)、成巖裂隙(成巖作用)、卸荷裂隙(卸荷作用)及風化裂隙(干縮濕脹作用)，其中成巖裂隙和風化裂隙對巖石膨脹性和崩解性有直接影響[3]。巖石中礦物分布的不均勻性往往由成巖裂隙造成，而風化裂隙往往嚴重破壞了巖石的完整性。通過對長春地區(qū)基坑詳細調查表明，開挖面一旦形成，巖石中原本細小的裂隙會擴展成很寬的裂隙，從而將巖石切割成小型塊體，為巖石的崩解創(chuàng)造了條件。同時，裂隙的擴展也為地下水的滲透提供了通道，造成巖石水分流失，影響親水礦物作用的發(fā)揮，進而影響巖石的膨脹特征。因此，巖石的節(jié)理裂隙越發(fā)育，越有利于巖石膨脹性和崩解性的發(fā)揮。

4.3 抗剪強度分析

(1)常規(guī)物理力學試驗

對全風化泥巖和強風化泥巖進行了含水量、比重、天然密度、干密度、飽和度、孔隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)、壓縮模量及單軸抗壓強度等物理力學試驗，如表6所示。

常規(guī)物理力學試驗綜合統(tǒng)計表 表6

根據(jù)表6可以得出，從全風化泥巖到強風化泥巖，含水量減少，孔隙比減少，密度增大，壓縮模量增大，單軸抗壓強度增大。

(2)剪切試驗

在實驗室采用直剪試驗的固結快剪試驗方法進行了不同含水率的膨脹巖抗剪強度試驗，試驗結果如表7所示。試驗結果顯示： 泥巖在風干、天然、飽和狀態(tài)下，摩擦角(風干)>摩擦角(天然)>摩擦角(飽和)，凝聚力(風干)>凝聚力(天然)>凝聚力(飽和)。實驗結果說明，泥巖在較低的含水率情況下，抗剪強度比較高。

不同含水率情況下泥巖的抗剪強度實驗 表7

5 防治措施

泥巖的膨脹性和崩解性，破壞原巖結構、降低巖體強度，造成巖體裂隙張開破碎、巖體松弛松軟。針對膨脹巖膨脹崩解機理，結合地鐵工程特點和地區(qū)工程經(jīng)驗，建議采取以下防治措施：①在施工過程中分段施工、快速開挖、快速回填夯實，盡量保持泥巖地層含水量原狀，防止巖體長時間暴曬、風干、雨浸等。②選擇合適的施工季節(jié)，盡量避開雨季施工，以免滲水、積水導致邊坡失穩(wěn)，同時加強現(xiàn)場排水，基坑開挖后各道工序要緊密銜接。③白堊系泥巖具有抗風化能力弱、失水崩解、遇水軟化的性質，施工時可能產(chǎn)生塌方問題，所以施工過程中該段應重點采取有效的支護和防護措施，不宜長時間暴露。

6 結 論

通過對長春地區(qū)白堊系泥巖的崩解膨脹試驗和礦物組成、巖石結構、抗剪強度分析，對長春白堊系泥巖有了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)水是影響泥巖崩解膨脹性和力學性質的直接因素。針對地鐵工程，采取適宜的防治措施，為地鐵工程的建設提供依據(jù)。