大坂TBM開挖隧洞強膨脹性泥巖組份結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性

尚彥軍 章躍林 孫元春 曲永新 曹小紅

摘? 要：TBM開挖中遇膨脹巖發(fā)生卡機等問題，是制約施工速度和機械安全的重要地質(zhì)因素。針對大阪引水隧洞穿越中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）泥質(zhì)巖時發(fā)生多次卡機，刀盤被掩埋等問題，開展了泥質(zhì)巖粘土礦物組份、微觀結(jié)構(gòu)研究。通過測試粉砂質(zhì)泥巖、泥巖和碳質(zhì)泥巖物理水理指標(biāo)（比表面積、蒙脫石含量、干燥飽和吸水率），評價膨脹程度。據(jù)碳質(zhì)泥巖工程力學(xué)參數(shù)（膨脹力、巖石強度）實驗，得到力學(xué)強度。研究發(fā)現(xiàn)，J2x3～J2x4 3類泥質(zhì)巖中，劈理化碳質(zhì)泥巖為強膨脹巖，膨脹率為9.85%，膨脹力為250 kPa。擠壓構(gòu)造作用下，破劈裂發(fā)育和高蒙脫石含量（34.47%）決定了其強的膨脹特性。重塑樣抗壓強度0.36 MPa，屬極軟巖。基于此，采用二次加固、重型管片等變更設(shè)計方案，工程取得成功。

關(guān)鍵詞：TBM;西山窯組;碳質(zhì)泥巖;膨脹;蒙脫石

膨脹巖屬劣質(zhì)巖，巖層多為薄層和中厚層狀。裂隙發(fā)育，多被灰白、灰綠色等富含蒙脫石物質(zhì)充填[1]。巖石膨脹機理在于陽離子水化使礦物晶體膨脹，雙電層滲透壓使顆粒間膨脹等。2∶1型三層結(jié)構(gòu)型粘土礦物，蒙脫石比表面積是伊利石的10倍， 高嶺石的80倍， 具很強的吸水膨脹特性[2，3]。通常巖石中有效蒙脫石含量小于10%為非膨脹，10%～15%為弱膨脹，15%～25%為中等膨脹，大于25%為強膨脹[4]。膨脹性礦物蒙脫石常以混層形式出現(xiàn)，混層比（蒙脫石占混層礦物總數(shù)百分比）大小決定膨脹程度強弱[5]。來源于南水北調(diào)中線工程潞王墳段淺層強風(fēng)化膨脹巖方塊樣，位于大氣影響急劇帶，其物性指標(biāo)、力學(xué)特性、膨脹特性較客觀地反映了強風(fēng)化膨脹巖基本特性，即飽和快剪內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角都很小[6]。神延線（神木-延安）某淺埋隧道施工中發(fā)現(xiàn)，成洞襯砌距進(jìn)口約27 m處發(fā)生沿隧道縱軸方向長約24 m、寬313 mm裂縫，7天內(nèi)裂縫寬度發(fā)展至517 mm，是由于灰黃色泥巖中含大量蒙脫石所致[7]。宋岳等對引黃工程泥質(zhì)巖研究發(fā)現(xiàn)，中等-強膨脹巖崩解耐久性極差，巖體呈強風(fēng)化狀，遇水極易泥化，地貌上呈負(fù)地形[8]。我國西部擬建21 000 km公路中有近3 300 km路段穿越膨脹土分布區(qū)，如連云港-霍爾果斯國道新疆境內(nèi)有160 km膨脹土段[9]。北疆引水工程第七標(biāo)段泥巖試驗結(jié)果顯示，該區(qū)泥巖達(dá)中膨脹，易造成渠道邊坡淺層滑動[10]。這些淺埋或地表工程已或?qū)⒚媾R膨脹巖土不利影響，給工程帶來破壞乃至重大經(jīng)濟(jì)損失。

巖石掘進(jìn)機（TBM）具快速、安全、作業(yè)環(huán)境好等優(yōu)點，在長隧洞工程施工中常被選用。但其對地質(zhì)地層狀況較敏感，對地質(zhì)（尤其是復(fù)雜）條件適應(yīng)性較差。在埋深變化較大、地質(zhì)條件較隱蔽的TBM施工技術(shù)下，膨脹巖成為工程快速施工和安全運行面臨的重大挑戰(zhàn)和地質(zhì)隱患[11-12]。新疆主力含煤層侏羅系西山窯組（J2x），泥質(zhì)巖變形破壞常給支護(hù)結(jié)構(gòu)帶來影響。全長30.65 km走向NW的大坂隧洞，自隧洞出口向上游掘進(jìn)，開挖采用S-301型雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機（TBM）。開挖直徑6.79 m， 六邊形預(yù)制混凝土管片襯砌，襯砌后內(nèi)徑6.0 m[13]。隧洞位于中侏羅統(tǒng)西山窯組中，上覆基巖厚50～239 m。地層走向與隧洞軸向夾角僅20°。自2007年6月始遇松散破碎V類膨脹性泥巖，TBM前進(jìn)困難，多次卡機，隧洞塌方嚴(yán)重，刀盤被掩埋[12]。對中侏羅統(tǒng)西山窯組第3～4段（J2x3～J2x4）泥巖、碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等3類泥質(zhì)巖開展礦物成分、微結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性研究，認(rèn)為劈理化碳質(zhì)泥巖為強膨脹巖。工程采取變更設(shè)計和二次加固等措施并取得成功。

1? 隧洞地質(zhì)條件

大坂隧洞位于2條NW向的區(qū)域逆斷層之間，1條NNE向斷層指向隧洞軸線中間并止于一條NW向短軸背斜。最大水平主應(yīng)力方向20°。圍巖為中侏羅統(tǒng)西山窯組，可分為4段，由砂巖、砂礫巖、細(xì)砂巖、泥巖等組成。隧洞遇含泥質(zhì)巖較多的第3段（J2x3）和第4段（J2x4）。前者為粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖及碳質(zhì)泥巖，地層走向NWW向，與洞線夾角僅10°～25°，傾向NE向，傾角45°～80°。后者為中厚層泥巖，夾有碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖，含數(shù)條煤線和煤層。地層產(chǎn)狀NE10°～45°，NW∠20°～65°，巖體中層間錯動較普遍，圍巖穩(wěn)定性較差。洞軸線與區(qū)域斷裂走向平行，與短軸背斜軸向平行，與地層走向小角度相交，與最大水平主應(yīng)力近于垂直，這樣的隧洞線布置本身穩(wěn)定性是最不利的，但鑒于地形地貌條件和引水條件的安全保障，只能采用這樣的軸線布設(shè)。因此，層間錯動及泥巖膨脹為制約工程的關(guān)鍵地質(zhì)因素。

2008—2009年現(xiàn)場考察了地質(zhì)條件，包括多條NS向構(gòu)造地貌特點，觀察到深切（溝深10～150 m）溝谷受多條斷層交匯帶影響，巖體破碎。從側(cè)坡巖性看，粉砂質(zhì)泥巖和碳質(zhì)泥巖軟弱破碎，風(fēng)化作用下呈散體積結(jié)構(gòu)（圖1-a）?，F(xiàn)場觀察呈緩坡或負(fù)地形的主要為粉砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖和泥巖等3類泥質(zhì)巖。洞內(nèi)（70+719.77 m）見灰黑色層狀碎裂結(jié)構(gòu)粉砂質(zhì)泥巖、淺灰色粉砂巖，兩者接觸帶上地下水增多。

大坂隧洞2#支洞、S77+200采集6個巖樣（DB1～DB6），S70+834采集3個巖樣（DB7～DB9）。這些樣品采自不同隧洞，由3類泥質(zhì)巖組成，基本代表大坂隧洞最不利泥質(zhì)巖變形破壞洞段（表1）。樣品包裝無擾動運至實驗室，室內(nèi)對樣品進(jìn)行原狀樣觀察描述和進(jìn)一步分類，分別開展相關(guān)實驗測試（圖2）。

2? 泥質(zhì)巖礦物組份及微結(jié)構(gòu)

采用掃描電子顯微鏡、X-射線衍射儀等，分步驟測得泥質(zhì)巖結(jié)構(gòu)組份、物理化學(xué)特性及膨脹性指標(biāo)。

2.1? 微結(jié)構(gòu)

微結(jié)構(gòu)采用掃描電鏡分析技術(shù)（SEM）。SEM用聚焦很細(xì)的電子束照射被檢測試樣表面，利用二次電子或背散射電子等進(jìn)行形貌觀察。本次微結(jié)構(gòu)在德國LEO1450VP掃描電子顯微鏡上進(jìn)行。通過SEM觀察巖石表面微觀結(jié)構(gòu)，一方面可與礦物成分檢測結(jié)果對比分析，另一方面可深入了解不同巖石間微結(jié)構(gòu)差異。SEM結(jié)果表明（圖3），大坂隧洞泥質(zhì)巖微結(jié)構(gòu)形態(tài)差異較大。碳質(zhì)泥巖和泥巖由于粘粒含量較高，粘土礦物特征不明顯。粉砂質(zhì)泥巖在高倍鏡下可清晰看到不規(guī)則彎曲片狀的蒙脫石礦物附著在顆粒表面，常構(gòu)成雜亂分布的彎曲褶皺片狀或“花朵”狀集合體（圖3中b2和b4）。鱗片狀或彎曲片狀的伊利石在泥巖中較常見（圖3-b）。伊-蒙混層礦物的堆垛結(jié)構(gòu)在碳質(zhì)泥巖中可見（圖3中a3和a4）。碳質(zhì)泥巖中見蜂窩狀有機質(zhì)C（圖3中a1和a2）。粉砂質(zhì)泥巖中粒狀結(jié)構(gòu)較明顯，可見大量石英和伊-蒙混層礦物（圖3-c）。

2.2? 粘土礦物組份

巖石礦物成分定量分析采用X-射線衍射全自動測試技術(shù)進(jìn)行。定量分析大坂隧洞泥質(zhì)巖中各類礦物，尤其是粘土成分和含量，對掌握巖石膨脹變形機制具重要意義。儀器采用日本理學(xué)電機株式會社D/MAX-2400型X-射線衍射光譜儀。具體測試方法參見文獻(xiàn)[14]。由表2和圖4可知，第一期泥質(zhì)巖樣品混層比均大于60%，粘土礦物總量均超過70%。第二期3類泥質(zhì)巖無論是混層比，還是粘土礦物總量都小很多，這與膨脹勢判別試驗、膨脹率、膨脹力測試結(jié)果基本一致。由此可見，第二期樣品顯示弱膨脹性、非膨脹性，主要是巖塊完整性、膠結(jié)程度等比第一期試驗樣品好，根本原因還是巖樣中膨脹性粘土礦物含量較低。

3? 泥質(zhì)巖膨脹性

對大坂隧洞02支洞、S77+200、S70+834等采集的粉砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖和泥巖進(jìn)行常規(guī)室內(nèi)試驗和膨脹性測試，初步確定3類泥質(zhì)巖物理水理性質(zhì)和膨脹性。

3.1? 物理及水理特性

測試指標(biāo)包括含水量、（天然、干）容重、巖塊干燥飽和吸水率、巖粉吸水率、膠結(jié)物成分（有機質(zhì)、CaCO3）、膠結(jié)系數(shù)、崩解和膨脹勢判別等（表3）。

3.2? 膨脹指標(biāo)及膨脹級別

膨脹性判別通過巖塊干燥飽和吸水率指標(biāo)進(jìn)行，具體包括巖塊浸水崩解試驗和巖塊干燥飽和吸水率試驗兩部分。從表3可見，泥巖（DB8）、粉砂質(zhì)泥巖（DB9）屬非膨脹巖，試驗發(fā)現(xiàn)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖對水極敏感，浸水0.5～1.0 h全崩解成0.5～10 mm碎屑物，顆粒分層解體，逐級變小。碳質(zhì)泥巖DB7混層較小，屬弱膨脹。

據(jù)有關(guān)規(guī)定[1]，泥質(zhì)巖膨脹性判定采用不規(guī)則巖塊干燥飽和吸水率指標(biāo)（巖塊在105℃～110℃烘干12 h冷卻后，在蒸餾水中浸泡（飽和）24 h條件下所吸附的非重力水的質(zhì)量百分比）。當(dāng)巖塊干燥飽和吸水率大于100%時為劇膨脹，50%～100%時為強膨脹，20%～50%為弱膨脹，10%～20%為微膨脹，小于10%為非膨脹。還有些指標(biāo)用于輔助判別[15]。由表3可知，2008年采集的樣品（DB1～6）全具膨脹性，其中碳質(zhì)泥巖膨脹最嚴(yán)重，DB6達(dá)強膨脹，泥巖和粉砂質(zhì)泥巖次之。2009年采集的樣品（DB7～9）僅碳質(zhì)泥巖具弱膨脹，泥巖和粉砂質(zhì)泥巖遇水發(fā)生崩解，干燥飽和吸水率小于10%，屬非膨脹巖。DB1-DB6巖樣蒙脫石含量均在19%以上，巖塊干燥飽和吸水率均大于35%，全具膨脹性，其中碳質(zhì)泥巖最嚴(yán)重，泥巖次之，粉砂質(zhì)泥巖膨脹性相對最弱（表3）。膨脹率與膨脹力試驗是在巖石判定為膨脹巖之后，定量分析巖石膨脹性大小的試驗手段之一?，F(xiàn)場采集的大塊樣品，在實驗室內(nèi)切制成直徑61.8 mm，高20 mm的圓柱狀試件，置于不銹鋼環(huán)刀中，在GDG-4S型高壓固結(jié)儀上進(jìn)行膨脹率及膨脹力試驗。詳細(xì)試驗原理與操作步驟參見文獻(xiàn)[16]。試驗采樣位置及地質(zhì)特征見表1、圖2。大坂隧洞除S70+834～836處泥巖（DB8）和粉砂質(zhì)泥巖（DB9）為非膨脹性巖石外，其余均具不同程度膨脹。一期采集的6塊巖樣中有3塊采來自02#支洞，考慮到本次試驗主要是針對主洞圍巖膨脹性變形，所以，這里只對主隧洞S77+200處采集的DB4、DB5、DB6巖樣進(jìn)行試驗（表4）。

圖5是S77+200處3種泥質(zhì)巖在不同荷載下膨脹率關(guān)系曲線。從圖中可見，膨脹率隨載荷增加總體呈指數(shù)型下降。無荷載時膨脹率最大，增大至25 kPa時膨脹率基本完成90%以上。3類巖中碳質(zhì)泥巖（黑色，鱗片狀，軟弱易碎）膨脹率最高，粉砂質(zhì)泥巖（灰黑色，硬塊狀，層面有白色結(jié)晶物）最低。

圖6是S70+834處碳質(zhì)泥巖DB7自由膨脹率-時間關(guān)系曲線、膨脹力-時間關(guān)系曲線。圖6-（a）中原狀樣膨脹率最高且達(dá)最大膨脹率所經(jīng)歷的時間長，重塑風(fēng)干樣膨脹率較低且短時間內(nèi)即可達(dá)最大膨脹率。重塑樣烘干后樣品（對比樣）膨脹率有所增加，介于前兩者之間，這預(yù)示著原狀樣微裂隙多，比表面積大，吸水后膨脹率可逐漸增加到最大。重塑（長時間）風(fēng)干樣結(jié)構(gòu)相對較均勻密實，膨脹率很小。重塑（24 h）烘干樣含水率近乎為0，吸水膨脹性變大。

從圖6-（b）可見，原狀樣膨脹力不是最大，最大者為重塑樣烘干后（相當(dāng)于圖6-（a）中對比樣），重塑樣風(fēng)干后一般膨脹力會變小，只有t6出現(xiàn)異常。說明原狀樣具一定含水率和天然膨脹，測得的膨脹力為剩余部分，重塑烘干樣含水率近乎為0，膨脹勢變高，膨脹力最大。t6樣品風(fēng)干時間較長，在3個重塑風(fēng)干樣中含水量最低，結(jié)果異常高些。

需說明的是，現(xiàn)場巖體與圓柱狀試驗樣品中結(jié)構(gòu)面存在顯著差異。由于泥質(zhì)巖大多存在劈理，尤其是碳質(zhì)泥巖中劈理較發(fā)育，樣品制備極困難，現(xiàn)場難以取到完整大塊原狀樣。能制備好較完整的圓柱狀樣品劈理密度和規(guī)模都遠(yuǎn)小于現(xiàn)場觀察到的最不利情況。實際測得的容重值普遍較小，使膨脹力偏小。制樣過程中，個別試件局部沿劈理有小塊片脫落留下細(xì)小空洞，致使原狀樣實測膨脹力偏小?？紤]到試驗過程中客觀存在的誤差，泥質(zhì)巖原位膨脹率、膨脹力應(yīng)比室內(nèi)試驗值大。

4? 巖石強度

大坂隧洞兩次采集的碳質(zhì)泥巖樣品較破碎，且遇水崩解明顯，所以進(jìn)行單軸壓縮和三軸剪切試驗要求的標(biāo)準(zhǔn)樣，難以用鉆機等電動設(shè)備制取?？紤]到碳質(zhì)泥巖是制約大坂隧洞圍巖穩(wěn)定的主要巖石類型，采集的碳質(zhì)泥巖中相當(dāng)多的地段由于鱗片狀節(jié)理極發(fā)育，現(xiàn)場判斷其屬極軟巖，可在室內(nèi)通過重塑樣代替原狀樣進(jìn)行相關(guān)力學(xué)試驗。重塑樣制取主要考慮兩個方面： ①應(yīng)與原巖密度接近，本次試驗的碳質(zhì)泥巖，重塑密度采用2.4 g/cm3;②含水率應(yīng)與原狀樣相近，重塑樣含水率控制在4%～6%。重塑樣在自制巖樣重塑儀上制取。

選擇S70+834處碳質(zhì)泥巖（DB7）重塑樣進(jìn)行單軸、三軸壓縮試驗，測得巖石力學(xué)參數(shù)。實驗結(jié)果顯示，碳質(zhì)泥巖DB7平均單軸抗壓強度0.36 MPa，屬極軟巖。彈性模量34.62 MPa，泊松比0.26。三軸壓縮試驗表明，該碳質(zhì)泥巖抗剪能力較差，內(nèi)聚力0.12 MPa，內(nèi)摩擦角為22.7°。碳質(zhì)泥巖除遇水崩解外，力學(xué)實驗中為單條裂縫或X型裂縫的剪張破壞（圖7），即天然巖塊受壓時多遷就巖體內(nèi)隱蔽裂隙剪切破壞。第二期采集樣品中，泥巖（DB8）、粉砂質(zhì)泥巖（DB9）屬非膨脹巖，試驗過程中發(fā)現(xiàn)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖對水極敏感，巖塊浸入水中0.5～1 h全部崩解成0.5～10 mm的碎屑物，顆粒分層解體，逐級變?。ū?）。

圖8-（a），（b）分別是DB7重塑樣軸壓σ1～圍壓σ3關(guān)系圖和強度包絡(luò)線。由圖8-（a）可知，σ1=2.2529σ3+0.3552，即圍壓和軸壓呈線性正相關(guān)。

5? 隧洞變形問題及對策

由初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告可知1，大坂隧洞中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）泥巖、粉砂質(zhì)泥巖完整性系數(shù)（Kv）為0.18～0.67，如取泥巖和粉砂質(zhì)泥巖的完整性系數(shù)平均值0.425，兩者均屬較破碎巖。泥質(zhì)巖體縱波速度Vp為1 770～3 120 m/s。據(jù)國內(nèi)外圍巖分級研究成果，S70+834段圍巖整體呈Ⅳ級，局部碳質(zhì)泥巖集中圍巖為Ⅴ級。由于圍巖具膨脹性，發(fā)生了局部高地應(yīng)力擠壓大變形等問題，先后發(fā)生多次TBM被困現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。管片支護(hù)半年后頂管片多處產(chǎn)生裂縫，對隧洞安全極不利?；诖?，現(xiàn)場采取新型化灌材料，通過管棚注漿技術(shù)加固塌方圍巖，重型管片增大抗力等變更設(shè)計措施，較好地保障了引水隧洞TBM施工順利進(jìn)行。

6? 結(jié)論

大坂隧道侏羅系泥質(zhì)巖具不同程度膨脹性，碳質(zhì)泥巖膨脹性尤明顯。膨脹性強的粘土礦物蒙脫石的存在和含量，決定膨脹巖判斷的準(zhǔn)確性。天然狀態(tài)下碳質(zhì)泥巖為極軟巖，泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為軟巖。

S77+200處泥質(zhì)巖存在不同程度膨脹，個別樣品達(dá)強膨脹。膨脹性一方面由于富含蒙脫石及混層礦物等造成，另一方面與巖石結(jié)構(gòu)有關(guān)。鱗片狀破劈理發(fā)育的泥質(zhì)巖膨脹性高于節(jié)理相對不發(fā)育的巖石。

S70+384～386段僅碳質(zhì)泥巖具微膨脹，另兩種泥質(zhì)巖雖遇水發(fā)生崩解，但都屬非膨脹巖。該泥巖、粉砂質(zhì)泥巖遇水崩解現(xiàn)象明顯，天然巖塊受壓時沿隱蔽裂隙剪切破壞。結(jié)合前期鉆孔聲波測試結(jié)果，認(rèn)為該段圍巖整體呈Ⅳ級，局部碳質(zhì)泥巖集中處圍巖為Ⅴ級。碳質(zhì)泥質(zhì)DB7重塑樣壓縮試驗表明，單軸抗壓強度為0.36 MPa，屬極軟巖。三軸壓縮試驗得知碳質(zhì)泥巖內(nèi)聚力為0.12 MPa，內(nèi)摩擦角為22.7°。

S70+384～386段與S77+200段巖性雖基本一致，但巖體完整性、粘土礦物含量、膠結(jié)程度有很大差異。這是導(dǎo)致兩處巖石膨脹變形差異的根本原因。試驗結(jié)果表明，S70+384～386段巖石狀況好于S77+200段。膨脹率和膨脹力測試結(jié)果為變更設(shè)計和二次加固提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]? ? 建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院.巖石與巖體鑒定和描述標(biāo)準(zhǔn)（CECS239：2008）[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[2]? ? 唐大雄，劉佑榮，張文峰，等.工程巖土學(xué)（第二版）[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[3]? ? 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范（GB 50112-2013）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4]? ? 顧寶和，曲永新，彭濤.劣質(zhì)巖（問題巖）的類型及其工程特性[J].工程勘察，2006，（1）：1-7.

[5]? ? 曲永新，張永雙，馮玉勇，等.中國膨脹土粘土礦物組成的定量研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2002，10（增刊）：416-423.

[6]? ? 徐晗，黃斌，何曉民.膨脹巖工程特性試驗研究[J].水利學(xué)報，2007，增刊（1）：716-722.

[7]? ? 姚鐵軍，王海珍.隧道襯砌裂拱機理分析及整治[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，2001，14（3）：51-54.

[8]? ? 宋岳，徐建閩.萬家寨引黃入晉工程泥質(zhì)膨脹巖工程地質(zhì)研究[J].水利水電工程設(shè)計，2001，20（1）： 30-33.

[9]? ? 楊和平，曲永新，鄭健龍，等.中國西部公路建設(shè)中膨脹土工程地質(zhì)問題的初步研究[J].長沙交通學(xué)院學(xué)報，2003，19（1）：19-24.

[10]? 汪海濤.膨脹巖的膨脹特性與工程治理研究[J].資源環(huán)境與工程，2011，25（5）：503-506.

[11]? 范以田，章躍林，王彥峽，等.雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機在大坂隧洞軟硬巖工程中的應(yīng)用研究[J].土工基礎(chǔ)，2009，23（6）：8-11.

[12]? 范以田，王曉全，陳艷會，等.大坂泥巖隧洞TBM脫困綜合技術(shù)方案[J].土工基礎(chǔ)，2010，24（2）：24-26，30.

[13]? 羅志鑫.大坂隧洞TBM施工在某沖溝不良地質(zhì)洞段的處理措施[J].水利建設(shè)與管理，2008，（12）：13-15.

[14]? 石油地質(zhì)勘探專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法（SY/T5163-2010）[S].國家能源局發(fā)布，2010.

[15]? 孫元春，尚彥軍，曲永新.投影尋蹤模型在膨脹巖判別與分級中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2010，31（8）：2570-2574.

[16]? 長江水利委員會長江科學(xué)院.中華人民共和國水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：水利水電工程巖石試驗規(guī)程（SL264-2001）[S].北京：中國水利水電出版社，2001.

Geological Cause and Mechanical Characteristics of Intensively Swelling Carbonaceous Mudstone in TBM Tunnelling in Daban

Shang Yanjun1，2，Zhang Yuelin3，Sun Yuanchun4，Qu Yongxin1，Cao Xiaohong5

（1.Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences， Beijing，100029，China;2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049;3.China Water Resources Beifang Investigation， Design and Research Co. Ltd.，Tianjin，300222，China;4.China Railway Design Corporation， Tianjin 300308， China;5. Xinjiang Key Lab of Geohazard Prevention（Xinjiang Institute of Engineering）， Urumqi，Xinjiang，830023，China）

Abstract：In the process of TBM excavation， there are some problems， such as machine jamming and so on， which become the important geological factors that restrict the construction speed and mechanical safety. In order to solve the problems of multiple jamming and cutterhead burying during the passage of Daban diversion tunnel through the argillaceous rocks of Xishanyao Group of Middle Jurassic system（J2x）， the research on clay mineral composition and microstructure of swelling rock in this section was carried out. The swelling degree of silty mudstone， mudstone and carbonaceous mudstone is evaluated by testing the expansion indexes （specific surface area， montmorillonite content， dry saturated water absorption rate， etc.）.And the mechanical strength characteristics of carbonaceous mudstone are obtained by the mechanical tests of engineering mechanical parameters （swelling rate， remolded sample strength）. The results show that among the three types of argillaceous rocks in J2x3 ～ J2x4， the cleaved carbonaceous mudstone is a strong swelling rock with an expansion rate of 9.85% and an expansion force of 250 kPa. The compressive strength of remolded sample is 0.36 MPa， which belongs to very soft rock. The development of fracture and the high content of montmorillonite （34.47%） under the tectonic action determine its strong expansion characteristics. Based on this， the design of secondary reinforcement and heavy segment were adopted， and the project became successful.

Key words：Tunnelling Boring Machine （TBM）; Xishanyao Group; Carbonaceous mudstone; Swelling; Montmorillonite.