濟南地區(qū)盾構(gòu)隧道富水閃長巖物理力學特性試驗研究

劉 浩，徐前衛(wèi)，劉 毅，孫慶文，賀 翔

(1.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250101；2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804)

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市地下工程建設的速度也逐漸加快，其地質(zhì)條件和周邊環(huán)境也越來越復雜，無論是工程規(guī)模還是技術(shù)難度都越來越大，因此加強對巖土體工程性質(zhì)的認識尤為重要[1-3]。以濟南地區(qū)為例，該區(qū)地質(zhì)條件復雜，尤其是較為特殊的富水閃長巖地層，巖體強度離散性大，其工程性質(zhì)對于盾構(gòu)選型、刀盤配置以及盾構(gòu)在上軟下硬復合地層施工具有重要影響[4-8]。

對于巖體而言，其工程性質(zhì)的研究主要包括巖石礦物組成的微觀分析[9-10]和室內(nèi)實驗兩方面。巖石室內(nèi)實驗則主要涉及耐崩解性[11-12]、單軸和三軸壓縮等實驗[13-14]，據(jù)此獲取巖石的物理力學性質(zhì)。 目前，關(guān)于閃長巖工程性質(zhì)的研究，已有一些工程實踐見諸于報道。例如，周恩革[15]通過研究發(fā)現(xiàn)閃長巖強風化帶的物理性質(zhì)非常穩(wěn)定，能有效作為高層建筑的天然地基。但是，鮮見有盾構(gòu)在類似于濟南地區(qū)富水閃長巖地層中進行掘進的案例報道。因此，本文以濟南地鐵R2線長途汽車站在建基坑中鉆芯獲取的不同風化程度閃長巖為研究對象，通過對巖石試樣進行電鏡掃描，觀察分析其微觀結(jié)構(gòu)和礦物組成；利用單軸壓縮實驗獲取巖石的單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比等物理力學參數(shù)，了解巖石單軸壓縮過程的變形特征和破壞類型；借助耐崩解性試驗，計算巖石耐崩解性指數(shù)，分析不同深度巖石的耐崩解性。根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)果，對盾構(gòu)施工可能遇到的問題提出相應解決措施，供施工決策參考。

1 工程概況

1.1 工點概述

濟南軌道交通R2線一期工程貫穿濟南市西部和東部主城區(qū)，連接了西部新城核心區(qū)、老城區(qū)、高新區(qū)、唐冶新城及郭店片區(qū)等重點區(qū)域，是緩解東西向交通壓力、支撐帶狀城市空間拓展的軌道交通骨干線路。擬建的長途汽車站站—生產(chǎn)路站區(qū)間隧道位于濟南市堤口路，線路沿北園大街走行，起點里程CK14+322.036，終點里程CK15+995.628，全長1 673.592 m，采用盾構(gòu)法施工。

1.2 工程地質(zhì)

濟南軌道交通R2線長途汽車站站—生產(chǎn)路站區(qū)間地層自上而下依次由近代人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積(Q4al)粉質(zhì)黏土、黏土，第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)粉質(zhì)黏土及下伏燕山期(δ53)輝長巖、閃長巖等構(gòu)成。第四系最大厚度約5.5 m～13.5 m，生產(chǎn)路站及盾構(gòu)區(qū)間存在卵石夾層，其地質(zhì)縱斷面圖如圖1所示。

圖1 長途汽車站站地質(zhì)縱斷面圖

根據(jù)濟南地鐵R2線的設計方案，盾構(gòu)在掘進過程中，分別會遇到全風化、強風化和中風化閃長巖，部分斷面甚至同時含2～3種風化程度不一的閃長巖。相對于已建及部分在建城市的地層而言，盾構(gòu)在黏土、粉土、砂礫、卵石及花崗巖等各種地層中的掘進技術(shù)已較為成熟，而類似于濟南閃長巖地層的盾構(gòu)掘進案例很少有見報道，且風險性極高，故亟須開展不同風化程度的閃長巖地層盾構(gòu)掘進問題的研究。

2 試驗概況

2.1 試件制備及說明

試驗所用巖樣為風化程度不同的閃長巖，取自R2線長途汽車站站在建基坑?？紤]到基坑開挖導致巖石暴露時間長，且?guī)r石容易受到機械設備等施工荷載的影響，所以采取地面上鉆芯的方式以獲得試驗所需的巖樣，根據(jù)前期地質(zhì)勘探情況，取樣深度按40 m考慮。鉆探采用XY-150型工程鉆機，開孔直徑127 mm，終孔直徑108 mm，鉆孔直徑滿足試驗要求。土層及全風化巖層采用泥漿護壁合金鉆頭巖芯管鉆進，回次進尺1.0 m～1.5 m，巖芯采取率不低于90%；強風化、中等風化巖層采用金剛石鉆頭清水正循環(huán)鉆進，回次進尺1.0 m～1.5 m，強風化巖層采取率不低于65%，中等風化巖層采取率不低于80%。

不同試驗采用分類標準不同的巖樣進行。圖2為按照國際巖石力學學會試驗標準方法加工的閃長巖三軸壓縮試驗圓柱體試件，其尺寸為Ф50 mm×100 mm，試件兩端面不平行誤差不大于0.05 mm，沿試件高度，直徑的誤差不大于0.3 mm，端面垂直于試件軸線，最大偏差不大于0.25°。

圖2 巖石加工試件圖

2.2 試驗設備及方法

(1) 巖石掃描電鏡試驗。對強、中風化閃長巖進行電鏡掃描處理，觀察巖石的微觀結(jié)構(gòu)并分析其礦物組成，試驗步驟如下：

① 試驗選取不同深度的巖樣5組，見表1。將各組巖樣加工成邊長約為1 cm的石塊并進行打磨。

② 將石塊放入烘干箱內(nèi)，在設定溫度(105℃～110℃)下烘干后，放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫。

③ 將石塊放入鍍膜機內(nèi)鍍膜。

④ 把石塊放入載物臺并用導電膠將其固定，然后將其裝入機箱。

⑤ 采集不同放大倍數(shù)下的電鏡掃描圖片。

表1 巖石掃描電鏡試驗取樣分組表

(2) 巖石耐崩解循環(huán)試驗。試驗選取不同深度的巖石并分成四組，見表2。每組巖樣各取40 g～60 g的巖塊10塊。

表2 巖石耐崩解循環(huán)試驗取樣分組表

(3) 巖石單軸及三軸壓縮試驗。采用微機控制RLW-1000型巖石三軸流變儀進行試驗。在三軸壓縮試驗中，先施加50 kN的縱向載荷固定試樣，然后緩慢施加圍壓到指定值范圍，穩(wěn)定數(shù)分鐘，使圍壓基本保持恒定且變動范圍不超過指定值的2%后，以0.5 MPa/s的速率加載，直至試件破壞。單軸壓縮試驗不考慮圍壓施加，其余步驟與三軸壓縮試驗相同。

3 巖石電鏡掃描成分檢測試驗

3.1 試驗結(jié)果

(1) 礦物組成。對巖石標本進行觀察，巖石呈灰色。其中淺色礦物含量較多，主要為斜長石、堿性長石，肉眼可見帶狀斜長石、堿性長石，斜長石含量約為60%。另外，含有少量暗色礦物，主要為角閃石、輝石，肉眼可見褐綠色角閃石顆粒，含量約為20%。由電鏡掃描情況可見，巖石含有少量片狀黑云母，可觀察到黑云母出現(xiàn)綠泥石化，如圖3所示。

巖體的主要礦物成分為斜長石、堿性長石、角閃石、輝石和云母礦，巖體主要以硅酸鹽礦物為主，這是隧道圍巖總體較為堅硬的主要原因。另一方面，由于巖體含有大量的斜長石、云母等礦物，使得定向性的板塊狀結(jié)構(gòu)發(fā)育，各向異性明顯，容易在受力時發(fā)生層間變形錯動、剝離或潰曲破壞，而綠泥石富集成膜時會降低巖體強度，遇水軟化后導致結(jié)構(gòu)面強度顯著減弱，結(jié)構(gòu)劣化時更為明顯。

圖3 部分巖樣電鏡掃描圖(片狀云母及綠泥石化)

(2) 微觀結(jié)構(gòu)。圖4是部分巖樣電鏡掃描結(jié)果，可以看出巖石普遍呈塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較緊密，礦物具有一定方向性，不同深度巖樣風化程度不同。

圖4 部分巖樣電鏡掃描圖(塊狀結(jié)構(gòu)及微裂隙)

提高放大倍數(shù)可以看到風化閃長巖微裂隙較為發(fā)育，寬度為3 μm～15 μm，部分裂隙之間具有連通性，少量微裂縫中石英充填。微結(jié)構(gòu)面的存在大大降低了巖石的強度，由于巖石中這些缺陷的存在，當其受力時，在微孔或微裂隙末端，易造成應力集中，使裂隙可能沿末端繼續(xù)擴展，導致巖石在比完全無缺陷時所能承受的拉應力或壓應力低的多的應力值的作用下破壞。

3.2 結(jié)果分析

圖5是在同等放大1 000倍的前提下不同深度閃長巖掃描電鏡的結(jié)果。A1強風化閃長巖比較破碎，并且風化比較明顯，微裂隙發(fā)育，微裂隙寬度為3 μm～10 μm，裂隙之間具有連通性，少量微裂縫中石英充填；A2中風化閃長巖比較破碎，并且風化比較明顯，微裂隙發(fā)育，微裂隙寬度為3 μm～10 μm，裂隙之間具有連通性，樣品存在少量孔隙；A3中風化閃長巖礦物具有一定向性，巖石比較破碎并且風化比較明顯，微裂隙發(fā)育明顯，微裂隙寬度為5 μm～15 μm，裂隙之間具有一定連通性；A4中風化閃長巖，結(jié)構(gòu)緊密，巖石風化比較明顯，少量微裂隙發(fā)育，微裂隙寬度為5 μm～10 μm，裂隙之間連通性較差；A5中風化閃長巖結(jié)構(gòu)緊密，風化程度較低，長石晶體具有一定向性，少量微裂隙發(fā)育，微裂隙寬度為3 μm～10 μm，裂隙連通性較差?？梢钥闯?，A4、A5中風化閃長巖巖樣裂隙發(fā)育程度相較而言明顯不如A1、A2和A3巖樣，且A2和A3中風化閃長巖巖樣裂隙發(fā)育最為明顯，這說明巖樣裂隙發(fā)育程度在不同深度上存在差異，間接說明了閃長巖的強度具有變異性和隨機性，其與巖樣深度和風化程度相關(guān)性較小。

圖5 不同深度閃長巖試樣放大1 000倍電鏡掃描結(jié)果

4 巖石耐崩解循環(huán)試驗

4.1 試驗結(jié)果

將4組巖樣每次標準循環(huán)下的殘留顆粒質(zhì)量進行統(tǒng)計，如表3所示。

表3 巖樣每次標準循環(huán)下的殘留顆粒質(zhì)量統(tǒng)計表

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)表3統(tǒng)計結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在經(jīng)歷8次標準循環(huán)后，B1巖樣由最初的517.2 g降至309.3 g，質(zhì)量減少40.2%；B2巖樣由最初的561.5 g降至404.6 g，質(zhì)量減少27.9%；B3巖樣由最初的558.3 g降至409.7 g，質(zhì)量減少26.6%； B4巖樣由最初的528.2 g降至490.2 g，質(zhì)量減少7.2%。

繪制各組巖樣經(jīng)歷不同循環(huán)次數(shù)時崩解殘留物質(zhì)量變化曲線及循環(huán)2次和8次的質(zhì)量損失率直方圖，如圖6所示。

圖6 殘留塊體形態(tài)變化曲線及質(zhì)量損失率直方圖

由圖6可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，4組巖樣殘留物質(zhì)量逐漸減小，其中B1和B4巖樣殘留物質(zhì)量隨循環(huán)次數(shù)增加呈近似線性關(guān)系降低，其崩解質(zhì)量損失相對均勻。B1巖樣質(zhì)量減小幅度明顯大于其他巖樣，B4巖樣質(zhì)量減小幅度最小，說明風化程度與巖石耐崩解性相關(guān)。

定量分析閃長巖的耐崩解性，采用巖石二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)反映巖石抵抗軟化和崩解的能力。其計算公式如下：

(1)

式中：Id2為巖石二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)，%；ms為原試件烘干質(zhì)量，g；mr為殘留試件烘干質(zhì)量，g。

巖石耐久性劃分見表4，將經(jīng)計算所得各組巖樣二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)匯總至表5?？梢钥闯觯珺1、B2、B3巖樣均為高耐久性，B4巖樣為極高耐久性。其中，B1巖樣的耐崩解性相對較差，這說明閃長巖風化程度越高，其耐崩解性越差。但就總體而言，盾構(gòu)在強風化、中風化閃長巖地層中正常掘進時，考慮到巖石耐久性程度較高，故可以忽略其遇水崩解的不利影響，亦即巖石滲透性不發(fā)生明顯變化。

表4 巖石耐久性劃分表

表5 各組巖樣二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)匯總表

5 巖石三軸壓縮試驗及單軸壓縮試驗

5.1 單軸壓縮試驗結(jié)果

經(jīng)整理計算，試驗數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。可以看出，對于不同深度的6組巖樣，其軟化系數(shù)、吸水率差距不大，而其彈性模量、泊松比差異很大，同時與深度并無明顯相關(guān)性，空間變異性較大。不僅如此，除了D1巖樣外，其余5組巖樣單軸極限抗壓強度均為15 MPa～20 MPa，巖體自上而下并未因風化程度的不同而呈現(xiàn)強度逐漸增加的趨勢，這說明淺層的全風化、強風化閃長巖地層可能存在球狀風化、軟硬不均現(xiàn)象。因此，在盾構(gòu)施工中不僅應注意襯砌所受圍巖壓力的變化，更要注意球狀風化、軟硬不均對刀盤切削巖體的影響，表現(xiàn)為刀具磨損嚴重、刀盤偏磨等現(xiàn)象。

5.2 三軸壓縮試驗結(jié)果

經(jīng)整理計算，巖石三軸試驗結(jié)果匯總至表7。對于不同深度的7組巖樣，在自然含水狀態(tài)下，其密度存在一定差異。針對中風化閃長巖，側(cè)向壓力2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa下巖石的平均最大主應力分別為22.995 MPa、49.320 MPa、70.620 MPa、81.540 MPa，根據(jù)以上數(shù)據(jù)所繪制莫爾圓如圖7所示，可得中風化閃長巖的黏聚力為0.861 MPa，內(nèi)摩擦角為55.11°。由此可見，中風化閃長巖具有較高的抗剪切強度，這就要求盾構(gòu)刀盤、刀具須具有較高的抗沖切能力。

表6 巖石單軸試驗結(jié)果匯總表

表7 巖石三軸試驗結(jié)果匯總表

圖7 莫爾圓應力參數(shù)曲線圖

6 結(jié) 論

(1) 巖體主要以硅酸鹽礦物為主，這是中風化、微風化閃長巖總體較為堅硬的主要原因，故在配置刀盤刀具時應考慮具有足夠的抗沖擊性和耐磨性。

(2) 由于斜長石、云母、綠泥石等礦物的存在，使得巖體易發(fā)生層間變形錯動，剝離或潰曲破壞，故在全風化、強風化閃長巖中掘進時，尤其要注意盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)的問題。

(3) 閃長巖強度自上而下并未因風化程度的不同而逐漸增加，即閃長巖地層存在球狀風化、軟硬不均現(xiàn)象。因此，在盾構(gòu)施工中要注意刀具磨損嚴重、刀盤偏磨等不利情況的發(fā)生。