滇中紅層軟巖工程地質(zhì)特性研究

何 盛，張 翔，馬建偉，李宗龍

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650000;2.云南華昆國電工程勘察有限公司，云南 昆明 650000)

滇中紅層是指主要分布在云南楚雄、玉溪和大理祥云等地區(qū)，形成于晚三疊世至古新世，通常由一套砂巖、粉砂巖、泥巖等組成，夾有泥灰?guī)r和礫巖，外觀以紅色為主色調(diào)的陸相碎屑沉積地層[1- 2]。紅層中廣泛分布的泥質(zhì)巖類具有透水性弱、親水性強，遇水易軟化(或膨脹)，失水易崩解(或收縮)，強度低(巖塊單軸飽和抗壓強度小于30MPa)的特點[3- 8]。該類紅層軟巖在空間形態(tài)和工程性質(zhì)上往往控制整個巖體的變形破壞特征，在滇中地區(qū)開展工程建設，常常會遇到隧洞圍巖塑性變形問題，渠系工程地基穩(wěn)定問題，公路邊坡穩(wěn)定問題以及因軟巖的溶解、膨脹、崩解和軟化引起的各種工程地質(zhì)問題[9]。本文針對滇中紅層軟巖的工程地質(zhì)特性，進行了物理力學性質(zhì)試驗和水理性質(zhì)試驗及流變試驗，為設計提供科學、合理的依據(jù)，為確保滇中紅層地區(qū)隧洞工程的施工及運行提供重要的理論指導和技術支撐。

2 紅層軟巖地質(zhì)特征

2.1 紅層軟巖巖相巖性特征

滇中紅層為碎屑巖建造，河湖相沉積，巖性主要由泥巖、粉砂巖、砂巖等交替組成。紅層軟巖巖性組合最為顯著的特點是不同力學性質(zhì)的巖層互層組合，即砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等互層組合，單一的巖性組合基本不存在。按照巖性組合特點，主要可以歸納為以下兩種巖體結構類型。

2.1.1軟質(zhì)泥質(zhì)巖為主的層狀結構

這類巖體結構地層在滇中地區(qū)分布最為廣泛，地層巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖等軟質(zhì)巖為主，其間也夾有長石石英砂巖、鈣質(zhì)砂巖、細砂巖等硬質(zhì)巖。巖體結構從薄層到厚層均有分布，其中中厚層狀結構和厚層狀結構居多。

這類結構的巖體中泥質(zhì)巖類占絕對優(yōu)勢，巖質(zhì)軟弱，雖然其中也夾有砂巖、礫巖等硬巖，局部可能有一定的厚度，但以軟巖為主，并對巖體的變形破壞起控制作用。

2.1.2軟硬相間的砂泥巖互層結構

這類巖性組合形式在滇中紅層中較為普遍，地層巖性以石英砂巖、砂巖和泥巖、粉砂質(zhì)泥巖呈不等厚互層結構為主，軟質(zhì)巖和硬質(zhì)巖相間出現(xiàn)。在上述第一類結構地層中，局部也存在此類軟硬相間砂泥巖互層的結構。軟硬互層的結構在地質(zhì)構造過程中容易產(chǎn)生層間錯動，形成軟弱夾層。

在這類軟硬相間的巖體結構類型中，砂巖、礫巖等硬巖雖然占有一定的比例，但對巖體的變形破壞卻不能起到等比例影響作用，對其起控制作用的也往往是其中的泥質(zhì)巖等軟巖。

表1 滇中紅層巖石礦物組成統(tǒng)計 單位：%

表2 滇中紅層化學成分組成統(tǒng)計 單位：%

2.2 紅層軟巖物質(zhì)成分特征

2.2.1礦物組成

滇中地區(qū)中生代紅層包括中生代的礫巖、砂巖及泥巖等，其礦物組成主要為石英、長石、方解石和黏土礦物，各礦物含量多大于5%，其次是燧石和云母，含量小于5%，滇中紅層礦物組成詳見表1。

從表1可見，隨著碎屑巖顆粒變細，巖石中的黏土礦物呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。砂巖、礫巖中石英及長石的含量高于泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。此外，巖石中方解石含量較高，且常常以膠結礦物形式存在。這說明研究區(qū)內(nèi)碎屑巖多以鈣質(zhì)膠結為主，其強度較硅質(zhì)、鐵質(zhì)膠結的差。

石膏、芒硝、鈣芒硝、鹽礦及其他巖類礦物也常出現(xiàn)在紅層中，含鹽層主要分布于粉砂巖、泥礫巖層。與非含鹽地層相比，含鹽地層往往可溶鹽成分含量較高，更易形成溶隙、溶孔，不僅增強紅層滲透性，還降低了紅層強度，對工程均有不利影響。

2.2.2化學成分組成

中生代紅層化學成分主要是硅、鋁、鈣、鎂、鉀、鐵的氧化物，其中SiO2含量最高，約占一半以上，它以復雜黏土礦物、原生硅酸鹽礦物和游離氧化硅等形態(tài)而存在。其次是Al2O3和CaO，分別占15%和10%左右。滇中紅層化學成分組成見表2。

3 紅層軟巖物理力學特性研究

3.1 紅層軟巖物理性質(zhì)

滇中紅層軟巖主要為泥質(zhì)巖類，強度低、空隙度大、膠結程度差、受構造切割及風化影響顯著，或含有膨脹性黏土礦物，巖體的環(huán)境效應和時間效應明顯，具有較低的承載能力和較大的變形。試驗研究成果表明：滇中紅層天然含水率、孔隙率均較低，密度在2.6～2.7g/cm3，物理性質(zhì)隨巖性不同而變化，各項物理性試驗統(tǒng)計平均值見表3。

表3 滇中紅層軟巖物理性試驗統(tǒng)計

3.2 紅層軟巖力學性質(zhì)

3.2.1單軸抗壓強度

根據(jù)各試樣的破壞形態(tài)，將滇中紅層軟巖的破壞形式大致分為三類：①片狀剝落型，一般發(fā)生這種破壞形式，在初期應力較小的階段就開始出現(xiàn)零星的片狀脫落，到其破壞時，有明顯的體積膨脹；②剪切破壞型，紅層泥巖在加載過程中因斜截面抗剪強度達到峰值而出現(xiàn)一個甚至多個剪切面；③壓致拉裂型，這種破壞形式的試樣通?？箟簭姸认鄬ζ渌t層軟巖較高，巖體較為完整，微裂隙少，粉砂質(zhì)成分含量較高，其峰值抗壓強度通常在35～50MPa，試驗結果詳見表4。

3.2.2三軸抗壓強度

從某種意義上講，軟巖在三軸應力狀態(tài)下所表現(xiàn)出的強度與變形特征才是軟巖力學屬性的真實反映，因此研究軟巖的三軸力學特性對滇中紅層軟巖來說具有十分重要的意義。利用MTS815巖石力學試驗系統(tǒng)對滇中紅層軟巖進行了不同圍壓條件下三軸抗壓強度及變形測試。

對比單軸抗壓強度試驗，泥巖的抗壓強度明顯降低，在6.89～7.44MPa，黏聚力受膠結物質(zhì)的不同差異較大，介于3.27～13.93MPa；粉砂質(zhì)泥巖及泥灰?guī)r抗壓強度相差不大，試驗結果見表5。

表4 滇中紅層軟巖單軸抗壓強度試驗統(tǒng)計

表5 滇中紅層軟巖三軸抗壓強度試驗成果

4 紅層軟巖水理特性研究

4.1 軟化性

紅層軟巖的黏土礦物含量高，且含可溶物質(zhì)，黏土礦物具有表面積大、親水性強、離子交換容量大等特點，因此水對軟巖的強度削弱作用相對較大。對紅層軟巖取樣進行了室內(nèi)軟化試驗，試驗結果見表6。試驗可見，滇中紅層軟巖軟化系數(shù)在0.34～0.66，遇水軟化效應明顯。

表6 滇中紅層軟巖軟化性試驗統(tǒng)計

4.2 膨脹性

滇中紅層軟巖富含以石英、云母為主的碎屑礦物和以伊利石、高嶺石為主的黏土礦物，這些礦物顆粒細小，親水性比較強，當水滲入巖石的孔隙中時，細小顆粒的吸附水膜便會增厚，引起軟巖的體積膨脹。在滇中紅層軟巖中起膨脹作用的黏土礦物主要為蒙脫石和伊利石，這些黏土礦物存在于紫紅色泥巖及砂礫巖膠結物中。巖石的膨脹還與膠結物成分及含量、膠結程度有關，鈣質(zhì)含量高則巖石具有相當?shù)姆€(wěn)定性，部分鈣質(zhì)膠結的地層，膨脹性不是很明顯。

4.2.1自由膨脹率

對泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r取樣進行自由膨脹率試驗，試驗成果見表7。

表7 自由膨脹率試驗結果統(tǒng)計

由試驗結果可見，各軟巖地層均具有一定膨脹性，是因為軟巖中含有一定量的親水性礦物，對水較為敏感，在蒸餾水中浸泡均會產(chǎn)生一定的膨脹變形。

4.2.2膨脹壓力

針對不同地層中的泥質(zhì)巖共采集了20組巖樣進行膨脹壓力試驗，試驗成果見表8。由表可見，泥質(zhì)巖膨脹壓力總體均不大，正常值均小于760kPa，白堊系地層中的泥質(zhì)巖膨脹壓力一般小于300kPa，侏羅系地層中的泥質(zhì)巖膨脹壓力部分大于500kPa。

4.2.3膨脹性分級評價

綜合國內(nèi)外膨脹巖分級方法，如文江泉、韓會增提出的膨脹性軟巖分級方法[14]，孫曉明提出的強膨脹性軟巖分級方法[15]，提出滇中紅層膨脹性軟巖分級標準，見表9。按照此標準，結合試驗成果進行軟巖膨脹性分級判別，結果見表10。

可見，滇中紅層軟巖以弱膨脹—中等膨脹為主，局部具有強膨脹性；中等膨脹(局部強膨脹)軟巖均位于侏羅系地層，白堊系地層中均為弱膨脹。

4.3 崩解性

巖石的崩解受黏土礦物含量及類型、膠結物類型及固結程度等因素的綜合影響。一般膨脹礦物高的巖石浸水后巖石結構易遭受破壞產(chǎn)生崩解，鈣質(zhì)膠結的巖石具有一定的穩(wěn)定性，崩解性弱，膠結程度越差，則越易崩解。另外，軟巖崩解性與微裂隙發(fā)育有關，對于微裂隙發(fā)育的巖塊，崩解明顯。

從試驗成果可見，耐崩解性差異較大，部分試樣第2次循環(huán)即已完全崩解，發(fā)生完全崩解的試樣占試驗總數(shù)的1/3，結果見表11。

5 紅層軟巖變形特性研究

5.1 壓縮流變特性

通過以上的單軸流變試驗，可得出滇中紅層泥巖的壓縮蠕變變形—時間關系曲線如圖1所示、壓縮蠕變分級變形—時間關系曲線如圖2所示。

圖1 壓縮蠕變變形—時間關系曲線

表8 滇中紅層軟巖膨脹力試驗結果統(tǒng)計

表9 滇中紅層膨脹性軟巖分級標準

表10 滇中紅層軟巖膨脹性分級判別統(tǒng)計

表11 滇中紅層軟巖耐崩解性試驗成果

圖2 壓縮蠕變分級變形—時間關系曲線

通過壓縮蠕變變形—時間關系曲線的每個突增點曲線進行擬合分析，得出在非變加速時期壓縮蠕變位移量(ε)與時間的關系式(t)為：

(1)

式中各參數(shù)取值見表12。

表12 非變加速時經(jīng)驗公式參數(shù)取值

得出在變加速時期壓縮蠕變位移量(ε)與時間的關系式(t)為：

式中各參數(shù)取值見表13。

表13 變加速時經(jīng)驗公式參數(shù)取值

壓縮蠕變分級變形—時間關系模擬曲線見圖3。

圖3 壓縮蠕變分級變形—時間關系模擬曲線

5.2 剪切流變特性

圖4為利用Boltzmann線性疊加原理處理后的分別加載剪切蠕變曲線，圖5為等時應力—應變曲線，圖6為剪切蠕變速率與時間關系曲線。

圖4 分級加載剪切蠕變圖

圖5 等時應力—應變曲線

圖6 剪切蠕變速率與時間關系曲線

通過剪切流變成果圖分析，可以得出以下現(xiàn)象：①位移—剪切強度曲線為非直線，說明飽水泥巖剪切流變是非線性的。②隨著剪切蠕變位移增長，剪切強度速率先增大后減小，飽水泥巖的強度介于非泥巖流變長期強度與泥土長期強度之間。③隨著時間的增大，位移—剪切強度曲線后期越來越靠近水平線，說明飽水泥巖的非線性是隨著時間變強的。④時間—速率圖近似為“桶”狀，左側(cè)曲線表明，前期剪切蠕變量陡增；中間曲線平緩，表明剪切蠕變中間蠕變量不變或緩慢變化；右側(cè)曲線表明，剪切蠕變后期蠕變量陡增，直至試樣破壞。

6 紅層軟巖隧洞存在的工程地質(zhì)問題

6.1 軟巖大變形問題

紅層軟巖隧洞圍巖巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，強度低，屬軟巖；圍巖膨脹性不大，但崩解性強，部分區(qū)段富含地下水，主要為基巖裂隙水和孔隙水，巖體遇水極易軟化，呈現(xiàn)出強烈的崩解性；圍巖的可塑性高，巖體在高地應力的作用下會發(fā)生不可逆的變形:巖體的流變性顯著，巖石的本構關系時間效應明顯。軟巖大變形一般埋深效應明顯，變形量大，變形持續(xù)時間長，徑向變形特征明顯，主要表現(xiàn)為拱頂下沉、邊墻內(nèi)擠、洞底隆起，對隧洞結構穩(wěn)定影響較大。隧洞開挖后應力重分布，紅層軟巖因其巖體強度低圍巖受拉或受壓易產(chǎn)生塑性區(qū)，導致圍巖和支護結構發(fā)生變形，隨著塑性區(qū)擴大，圍巖變形加劇，侵入隧洞凈空，不得不進行二次擴挖；甚至變形太大使支護失去效用，形成塌方等地質(zhì)災害。

6.2 圍巖穩(wěn)定問題

由于軟巖中泥質(zhì)礦物成分和結構面決定了軟巖的力學特性，顯示出可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性的特點，從而導致軟巖隧洞圍巖的破壞形式主要有:塑性擠壓流動破壞、剪切流動破壞、塊體滑動和塌落、層狀巖體的彎曲折斷、碎裂巖體的松動解脫、剪切破壞及塑性變形、潮解膨脹破壞等。

6.3 處理措施建議

隧洞斷面形狀要盡量與圍巖壓力分布適應，宜采用圓形、橢圓形或馬蹄形等曲線形斷面。在不使圍巖發(fā)生有害松散變形的前提下，容許圍巖發(fā)生較大的變形，以充分發(fā)揮圍巖的自承作用，減少支護抗力，使噴錨支護達到經(jīng)濟合理，安全可靠的要求。因此，設計斷面尺寸必須在開挖凈空輪廓的基礎上，預留圍巖周邊相對位移變形量。支護設計要遵循重視監(jiān)控量測、分期支護、先柔后剛的指導思想。初期支護應采用既具有一定柔性又能快速實施的噴錨支護，包括可縮式鋼拱架，使圍巖塑性區(qū)得到一定的發(fā)展，以完成適度的巖體應力釋放和卸壓作用，二次支護的作用是承受長期蠕變階段的圍巖壓力，以保證洞室圍巖的長期穩(wěn)定，可采用網(wǎng)噴、鋼拱架噴混凝土或現(xiàn)澆、預制塊鋼筋混凝土復合結構。

7 結論

滇中紅層以河、湖相沉積為主，喜山運動強烈褶皺造山后，則以湖泊、沼澤相為主，含煤、石膏和鹽巖等。滇中紅層軟巖通常具有以下特性：①抗剪、抗壓強度低，抗滑和承載能力差，泥巖濕抗壓強度平均值為9～11MPa，部分為5MPa左右；②變形模量小，易產(chǎn)生較大的變形，濕彈性模量E50平均值為10GPa左右；③透水性弱、親水性強，遇水易軟化，失水易崩解，軟化系數(shù)一般為0.4～0.7，以弱膨脹—中等膨脹為主，局部具有強膨脹性；④流變效應明顯，長期強度一般為單軸抗壓強度的70%。

在紅層軟巖中開挖深埋長隧洞工程勢必會遇到各種復雜的工程地質(zhì)問題，較為突出的工程地質(zhì)問題主要表現(xiàn)為圍巖穩(wěn)定問題和軟巖大變形問題，在設計及施工過程中應結合滇中紅層軟巖特殊的工程地質(zhì)特性，提出科學、合理的工程處理措施及建議，為確保滇中引水工程經(jīng)濟安全地施工及運行提供重要的理論指導和技術支撐。