新疆淺埋地層泥巖的吸水軟化特性及隧洞支護(hù)對(duì)策研究

張勇，石富坤，王俊偉，張家瑄，盧昊，孫曉明

1.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.北京郵電大學(xué) 后勤處， 北京 100083

輸水隧洞對(duì)解決我國(guó)局部地區(qū)缺水、水庫建設(shè)及民生等問題具有重要的戰(zhàn)略保障作用。水與圍巖相互作用能夠顯著改變圍巖的強(qiáng)度[1-2]，對(duì)于以泥巖為主的輸水隧洞，在隧洞開掘和應(yīng)用期間圍巖遇水軟化現(xiàn)象尤為突出。圍巖強(qiáng)度降低使得隧洞變形大，穩(wěn)定性差，控制難度高，對(duì)隧道施工有嚴(yán)重影響。

國(guó)內(nèi)外專家在軟巖礦物成分、破壞機(jī)制及穩(wěn)定性控制對(duì)策等方面做了大量研究。郭宏云等發(fā)現(xiàn)深埋軟巖隨吸水量增加其強(qiáng)度呈線性減弱，并通過對(duì)巖樣礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)的分析，指出了其強(qiáng)度減弱的主要原因[3]；冒海軍等分析黏土礦物組構(gòu)的差別與水化作用過程之間的關(guān)系，并進(jìn)一步分析圍巖變形破壞的微觀演化過程[4]；潘藝等研究了紅層軟巖的崩解特征，并結(jié)合試驗(yàn)和理論分析揭示了水-軟巖界面的細(xì)觀演化規(guī)律[5]；周翠英等研究紅層軟巖微觀結(jié)構(gòu)特征，并建立了細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，指出水-應(yīng)力作用下軟巖強(qiáng)度減弱的主要原因在于軟巖骨架顆粒間摩擦力的減弱[6]；馮夏庭等研究不同溶液環(huán)境下巖石的微觀破壞行為，揭示了其微觀動(dòng)態(tài)發(fā)展過程[7]；鄧華鋒等開展了自然、干燥及飽和狀態(tài)下紅層軟巖力學(xué)性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)，得出黏聚力及內(nèi)摩擦角與含水率成負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中影響最為顯著的是黏聚力，并指出巖樣破壞的內(nèi)部發(fā)展規(guī)律[8]；柴肇云等研究了泥巖因所含黏土礦物顆粒排列的擇優(yōu)取向進(jìn)而導(dǎo)致其膨脹的各向異性，揭示了泥巖在加卸載作用下脹縮特性的形成機(jī)制[9]；楊永康等針對(duì)厚層泥巖頂板變形破壞機(jī)制進(jìn)行了綜合研究，并提出了此類巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)原則[10]；楊曉杰等針對(duì)大強(qiáng)煤礦深部巷道遇水變形破壞問題，對(duì)不同含水率狀態(tài)下的巖樣進(jìn)行了吸水軟化試驗(yàn)，得出巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度與吸水時(shí)間、含水率呈負(fù)指數(shù)變化[11]；孫曉明等研究了不同應(yīng)力水平狀態(tài)下層狀軟巖底鼓機(jī)理，并指出頂板與底板的相對(duì)強(qiáng)度是影響圍巖穩(wěn)定性重要因素，通過提高薄層軟弱巖層的強(qiáng)度可提高支護(hù)系統(tǒng)的有效性[12]。Wang等針對(duì)深部高應(yīng)力軟巖巷道穩(wěn)定性控制難題，研發(fā)了約束性混凝土高強(qiáng)支護(hù)體系[13]。

上述研究從軟巖礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)、破壞機(jī)制及其圍巖穩(wěn)定性控制對(duì)策等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了大量的有益成果，但對(duì)以泥巖為主的淺埋隧洞圍巖的微觀變形破壞機(jī)制及其圍巖穩(wěn)定性控制機(jī)制方面的研究，尚待深入。結(jié)合上述分析，本文以新疆某輸水隧洞工程為研究背景，采用室內(nèi)試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法，開展泥巖吸水特性、強(qiáng)度軟化、礦物成分分析及SEM電鏡等系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，從泥巖遇水變化規(guī)律入手，深入分析其礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程，揭示泥巖吸水微觀破壞機(jī)制，并提出以控制能量釋放為核心的穩(wěn)定性控制原則。研究成果可為類似條件下工程圍巖的穩(wěn)定性控制提供理論依據(jù)和參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本研究采用深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的深部軟巖水理作用智能測(cè)試系統(tǒng)開展泥巖吸水特性軟化實(shí)驗(yàn)[3，14]。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由樣品放置箱、中央控制系統(tǒng)、電子天平以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)四個(gè)部分組成。該系統(tǒng)可模擬施工環(huán)境，創(chuàng)造出恒溫恒濕的條件，能夠真實(shí)再現(xiàn)隧洞圍巖在施工過程中與水相互作用過程。泥巖水理實(shí)驗(yàn)示意如圖1所示。

圖1 泥巖水理實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Mudstone hydraulic experiment simulation

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工程地質(zhì)條件

該輸水隧洞埋深約60 m，處于弱風(fēng)化—新鮮基巖內(nèi)，為Ⅴ類圍巖；所遇巖層巖性為三疊系泥巖、砂質(zhì)泥巖夾砂礫巖，厚層狀，巖體完整；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試泥巖基本參數(shù)大致為：干密度2.22 g/cm3，飽和密度2.38 g/cm3，天然含水率7.3%；根據(jù)鉆孔壓實(shí)驗(yàn)，泥巖滲透系數(shù)k=7.1×10-6～1.46×10-5，屬微透水層。

1.2.2 礦物組成特征

泥巖巖樣的礦物組成和黏土礦物相對(duì)含量，見表1。

表1 泥巖全巖礦物組成及黏土礦物含量Tab.1 Mineral composition and clay mineral content of mudstone %

實(shí)驗(yàn)測(cè)得泥巖主要由石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、方解石、白云石和黏土礦物組成，其中黏土礦物含量高達(dá)50.3%；黏土礦物中主要成分為蒙脫石，其含量高達(dá)90%，此外有少量的綠泥石、高嶺石和伊利石。因蒙脫石具有極強(qiáng)的吸水特性，尤其是在長(zhǎng)期浸水條件下，若相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計(jì)不合理，將導(dǎo)致工程圍巖出現(xiàn)大變形破壞現(xiàn)象。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

在對(duì)該泥巖樣品礦物組成分析的基礎(chǔ)上，開展不同含水率下巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)及SEM掃描電鏡分析，具體步驟如下：

(1) 現(xiàn)場(chǎng)取樣并蠟封，以便保持現(xiàn)場(chǎng)圍巖的真實(shí)狀態(tài)，取部分原始樣品稱重得m1，烘干24 h后再次稱重m2，獲得泥巖天然含水率w1。

(2) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加工制備不同含水率的標(biāo)準(zhǔn)巖樣(圖2)，并依據(jù)含水率的不同，將樣品分成干燥和含水率10%、7%、9%、8%五組。其中，A組包括A-1、A-2及A-3三個(gè)樣品，B組包括B-1、B-2及B-3三個(gè)樣品，C-1組包括C-1-1、C-1-2及C-1-3三個(gè)樣品，C-2組包括C-2-1、C-2-2及C-2-3三個(gè)樣品，C-3組包括C-3-1、C-3-2及C-3-3三個(gè)樣品，分析現(xiàn)場(chǎng)所取巖樣的礦物組成及其黏土含量。

圖2 不同含水率的泥巖Fig.2 Mudstones with different water contents

(3) 對(duì)泥巖巖樣進(jìn)行泡水實(shí)驗(yàn)，掌握泥巖遇水不同時(shí)間點(diǎn)的物理狀態(tài)；采用單面無壓吸水測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得巖樣飽和含水率w2，以此等差設(shè)計(jì)不同含水率泥巖無壓吸水對(duì)比實(shí)驗(yàn)，總結(jié)泥巖吸水時(shí)間特征。

(4) 計(jì)算各巖樣達(dá)到設(shè)定含水率時(shí)所需的吸水量，使巖樣吸水至預(yù)定含水率，密封保存一段時(shí)間，以確保水分在巖塊中均勻擴(kuò)散，隨后對(duì)巖樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，研究并分析巖樣在不同含水率下力學(xué)強(qiáng)度的變化情況。

(5) 開展不同吸水率下巖樣電鏡掃描實(shí)驗(yàn)，分析泥巖吸水軟化微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

通過上述實(shí)驗(yàn)研究，為后續(xù)系統(tǒng)深入的分析泥巖吸水軟化微觀破壞機(jī)制奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 巖樣泡水實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將制備好的巖樣完全浸入水中，以便詳細(xì)觀測(cè)巖樣不同時(shí)間段的宏觀變化特征。巖樣浸入水中1 min時(shí)，其表面出現(xiàn)一條裂紋，10 min后巖樣四周出現(xiàn)裂紋，相鄰裂紋出現(xiàn)貫通并發(fā)展成裂縫；20 min時(shí)裂縫繼續(xù)發(fā)展并導(dǎo)致巖樣中部分塊體出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，有離體趨勢(shì)；60 min時(shí)出現(xiàn)大小塊體同時(shí)剝落現(xiàn)象，巖樣整體已經(jīng)完全破壞；經(jīng)歷20 h浸泡后，巖樣中剝落的大塊體逐步變成小塊體，小塊體變成粉末狀。其變化情況如圖3所示。

圖3 巖樣浸水不同時(shí)間變化情況Fig.3 Variation of rock sample immersion in different time

考慮到泥巖中黏土含量達(dá)到了礦物組成的一半左右，且黏土礦物主要由蒙脫石組成，而蒙脫石的吸水能力極強(qiáng)，在吸水后泥巖會(huì)發(fā)生膨脹，導(dǎo)致泥巖顆粒之間逐漸分離，形成裂縫。隨著浸泡時(shí)間的增加，泥巖的骨架強(qiáng)度由于黏土的膨脹分離而降低，出現(xiàn)塊體剝落現(xiàn)象，最終引起巖樣整體破壞。

2.2 泥巖吸水特征實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過開展泥巖巖樣飽和吸水實(shí)驗(yàn)，并對(duì)泥巖吸水量隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行擬合(圖4)，根據(jù)擬合曲線，可將泥巖飽和吸水特征曲線用如下函數(shù)表示：

Qt=A1e(-x/t1)+A2e(-x/t2)+Q0

(1)

圖4 巖樣飽和吸水特征曲線Fig.4 Saturated water absorption characteristic curve of rock sample

式中，Q0、Qt分別為泥巖初始含水量、泥巖吸水量，g；t為時(shí)間，h；A1、A2、t1、t2均為常量。

通過對(duì)泥巖吸水量-時(shí)間曲線擬合，依據(jù)曲線斜率及吸水量增速的大小進(jìn)行分析，可將曲線劃分為三個(gè)階段。

第Ⅰ階段：急速吸水階段。曲線斜率近似于無窮大，此階段所需時(shí)間大約為2 h，吸水量約占總吸水量的67%。

第Ⅱ階段：減速吸水階段。曲線斜率逐漸變緩，此階段所需時(shí)間最長(zhǎng)，約為6 h，吸水量約占總吸水量的17%。

第Ⅲ階段：勻速吸收階段，曲線斜率逐步趨于穩(wěn)定。此階段吸水量約占總吸水量的16%，所需時(shí)間約為42 h，隨著時(shí)間的增加其吸水量將逐漸趨于飽和。

2.3 強(qiáng)度軟化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為進(jìn)一步確定不同吸水狀態(tài)下泥巖強(qiáng)度衰減特性，分別開展了含水率為7%(天然狀態(tài))、8%、9%、10%(飽和含水率)下的力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究。選取12個(gè)原始質(zhì)量相同的標(biāo)準(zhǔn)泥巖樣品，加入不同質(zhì)量的水，使其達(dá)到設(shè)定含水率，對(duì)巖樣進(jìn)行密封保存5 h，最后開展單軸抗壓實(shí)驗(yàn)，巖樣在不同含水率下的破壞狀態(tài)及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 不同含水率下巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of rock samples with different water content

從圖中可以看出，不同含水率條件下的泥巖樣品應(yīng)力應(yīng)變曲線有較大不同，含水率越高，泥巖達(dá)到同樣變形效果所需的應(yīng)力就越小。具體來說，泥巖樣品含水率為7%時(shí)，變形所需最大應(yīng)力為12 MPa；泥巖樣品含水率為8%時(shí)，變形所需最大應(yīng)力為4 MPa；泥巖樣品含水率為9%時(shí)，變形所需最大應(yīng)力為1.4 MPa；泥巖樣品含水率為10%時(shí)，變形所需最大應(yīng)力為0.9 MPa。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在同一含水率條件下，泥巖達(dá)到變形所需應(yīng)力也有明顯不同，這是因泥巖中親水礦物分布不均，導(dǎo)致泥巖骨架強(qiáng)度下降程度不一致。

對(duì)不同含水率下巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度軟化百分比計(jì)算，形成強(qiáng)度軟化百分比曲線；對(duì)曲線進(jìn)行玻爾茲曼預(yù)測(cè)函數(shù)擬合，擬合曲線如圖6所示。

圖6 強(qiáng)度軟化百分比曲線及玻爾茲曼擬合Fig.6 Strength softening percentage curve and boltzmann fitting

泥巖吸水后強(qiáng)度迅速降低，從干燥狀態(tài)到飽和狀態(tài)的過程中，泥巖的強(qiáng)度并非呈現(xiàn)線性變化。通過對(duì)玻爾茲曼預(yù)測(cè)函數(shù)擬合曲線分析可知：

(1) 巖樣由干燥狀態(tài)吸水至飽和狀態(tài)，可分為強(qiáng)度無損態(tài)、急速軟化態(tài)和軟化休止態(tài)三種狀態(tài)。

(2) 巖樣從干燥狀態(tài)至含水率6%，巖樣強(qiáng)度降低10%，說明在該階段水對(duì)泥巖的強(qiáng)度軟化影響很小，為強(qiáng)度無損階段；巖樣含水率從6%上升至9%，巖樣的強(qiáng)度下降88%，下降幅度極大，稱為急速軟化階段；當(dāng)含水率超過9%后，進(jìn)入軟巖休止階段，巖樣強(qiáng)度沒有明顯變化。

(3) 自然狀態(tài)下的泥巖含水率為7%，處于急速軟化階段。為減少施工中圍巖大變形，需針對(duì)該隧洞圍巖選取橫阻效果好的材料進(jìn)行支護(hù)。

表3 巖樣壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of rock sample compression

3 泥巖吸水軟化微觀破壞機(jī)制

3.1 SEM掃描電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為深入分析不同吸水率下泥巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，現(xiàn)采用LINK-ISIS型能譜儀對(duì)實(shí)驗(yàn)巖樣進(jìn)行SEM掃描實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)含水率為7%、8%、9%和10%的巖樣進(jìn)行1 000倍和5 000倍電鏡掃描，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 不同含水率的泥巖掃描電鏡結(jié)果(1 000倍)Fig.7 Scanning electron microscopy results of mudstones with different water contents (1 000 times)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

(1) 自然狀態(tài)下巖樣主要由黏土礦物、石英和鈉長(zhǎng)石以顆粒分布的形式組成，整體比較平整，顆粒間膠結(jié)密實(shí)，有少量裂隙但發(fā)育不明顯，結(jié)構(gòu)完整性程度高。

(2) 在對(duì)巖樣放大1 000倍下，可見巖樣中顆粒單元間的裂隙發(fā)育；隨著含水率的增加，巖樣內(nèi)部橫向裂隙和豎向裂隙不斷發(fā)育，當(dāng)一定范圍的裂隙橫縱向發(fā)育相連通后，顆粒間的相互作用明顯減弱，整體結(jié)構(gòu)不再平整而呈現(xiàn)塊狀分離。

(3) 對(duì)巖樣放大5 000倍，自然狀態(tài)下巖樣中分布的蒙脫石顆粒多呈現(xiàn)片狀、絮狀結(jié)構(gòu)，相鄰顆粒間存在接觸應(yīng)力[12]；隨著含水率的增加，顆粒間接觸應(yīng)力逐漸減弱誘發(fā)巖樣中黏粒的流失，導(dǎo)致巖樣孔隙發(fā)育，逐步擴(kuò)展成微小裂隙；相鄰孔隙貫通后形成大的孔隙，最終導(dǎo)致巖樣出現(xiàn)塊狀分離。

由此可見，該隧洞圍巖因大量蒙脫石顆粒的存在，吸水膨脹后，易造成顆粒間接觸應(yīng)力較小、黏粒流失，導(dǎo)致內(nèi)部裂隙及裂縫的發(fā)育并擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致塊狀體的剝落，其結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞，工程表現(xiàn)為圍巖表面的鼓起、開裂及脫落，若支護(hù)材料及支護(hù)技術(shù)不妥，將誘發(fā)圍巖的大變形破壞。

3.2 微觀破壞機(jī)制

通過對(duì)上述一系列的隧洞圍巖室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析，結(jié)合軟巖工程力學(xué)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，在不考慮支護(hù)工況的條件下，可將該隧洞圍巖的破壞機(jī)制總結(jié)如下：

(1) 以蒙脫石為主的黏土礦物含量高。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得黏土礦物含量最高可達(dá)50.3%，且蒙脫石占90%，使得圍巖易吸水膨脹，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生撕裂，原有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)遭到破壞。且水-巖相互作用后，原礦物溶蝕，新礦物產(chǎn)生，削弱了黏土顆粒間的力學(xué)聯(lián)系，造成了巖石內(nèi)部的化學(xué)損傷，這種損傷是泥巖吸水軟化的主要原因之一。

(2) 含水率增加導(dǎo)致泥巖結(jié)構(gòu)的變形破壞。干燥狀態(tài)下泥巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)致密、顆粒單元較大的特點(diǎn)；隨著含水率的增加，其內(nèi)部首先是微裂隙的發(fā)育擴(kuò)展，形成較大的裂縫，隨后原有裂縫的貫通及新生裂隙的不斷發(fā)展，最終形成較大的孔洞，進(jìn)而造成了顆粒間塊體的剝落，表現(xiàn)為巖樣大小不一的塊體剝落，完整性遭受破壞。

(3) 孔隙水的運(yùn)移與礦物流失。已有研究表明[3]，泥巖吸水后結(jié)構(gòu)內(nèi)孔隙充水，泥巖中的礦物顆粒在水的作用下一部分遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的礦物，一部分在通道中、在水動(dòng)力的帶動(dòng)下發(fā)生運(yùn)移。這造成了新孔隙的產(chǎn)生和老孔隙的堵塞，進(jìn)而使得泥巖原穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生改變。這是泥巖前期吸水速率極高、后期吸水速率下降的主要原因。同時(shí)，這種運(yùn)移使得原來密實(shí)、平整的結(jié)構(gòu)變得松散，致使泥巖的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

4 軟化特征及控制對(duì)策

以上述泥巖吸水系列實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，獲得隧道泥巖力學(xué)變形機(jī)制，結(jié)合軟巖工程力學(xué)[15]及相關(guān)圍巖穩(wěn)定性控制理論，針對(duì)以泥巖為主的隧洞圍巖，建議在施工期間采取如下措施：

(1) 確定工程軟巖類型及變形力學(xué)機(jī)制。軟巖工程難治理的根本原因在于其軟巖類型的復(fù)雜性，故確定工程軟巖的類型是解決該問題的首要問題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，本文所用到的巖芯為砂質(zhì)泥巖夾砂礫巖，巖層為三疊系泥巖，圍巖分類Ⅴ類；根據(jù)泥巖不同含水率下的強(qiáng)度軟化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，獲得泥巖變形力學(xué)機(jī)制。通過掃描電鏡進(jìn)一步分析泥巖吸水后微觀破壞情況，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究提供依據(jù)。

(2) 根據(jù)軟化特征確定穩(wěn)定性控制對(duì)策。治理工程軟巖大變形問題的關(guān)鍵是確定其軟化力學(xué)機(jī)制[15-16]。根據(jù)泥巖變形力學(xué)機(jī)制，明確該隧道泥巖的變形具有顯著的、非線性大變形的特征，在泥巖含水率小于6%時(shí)，強(qiáng)度軟化不明顯；當(dāng)含水率從6%上升到9%時(shí)，泥巖強(qiáng)度急速軟化；當(dāng)含水率超過9%時(shí)，強(qiáng)度軟化處于休止?fàn)顟B(tài)?；谀鄮r強(qiáng)度軟化非線性規(guī)律，確定在隧道斷面開挖后應(yīng)及時(shí)噴漿封閉圍巖，以提高預(yù)應(yīng)力、控制圍巖前期變形；隨后采用支護(hù)材料對(duì)隧道進(jìn)行支護(hù)，既能釋放圍巖中強(qiáng)度軟化集聚的變形能量，又可保證圍巖整體的穩(wěn)定性。

(3) 選取具有高恒阻、大變形的支護(hù)材料。在噴漿封閉圍巖的基礎(chǔ)上，需要采用支護(hù)效果顯著的材料，防止隧道泥巖出現(xiàn)軟巖大變形問題。目前，常規(guī)支護(hù)還是以小變形、低預(yù)應(yīng)力為主，現(xiàn)有的高預(yù)應(yīng)力材料盡管解決了預(yù)應(yīng)力低的問題，但其變形量減小且變形與其支護(hù)阻力成正相關(guān)，這就使得支護(hù)體系易積聚能量，往往造成圍巖局部首先發(fā)生破壞，進(jìn)而引起整體的支護(hù)失效，這對(duì)于隧道泥巖施工是極其不利的。因此，在隧道施工過程中，建議采用具有恒阻、大變形及高預(yù)應(yīng)力等特性的支護(hù)材料，如恒阻大變形錨桿/索、讓壓管或讓壓環(huán)等支護(hù)構(gòu)件[17-21]。

5 結(jié) 論

(1) 該輸水隧洞泥巖黏土礦物成分高，最大可達(dá)50.3%，且蒙脫石含量高達(dá)90%，極易吸水軟化，高含量的黏土礦物成分與水相互作用是泥巖強(qiáng)度軟化的根本原因之一。

(2) 泥巖的吸水過程可分為三個(gè)階段：急速吸水階段、非直線狀態(tài)的減速吸水階段、勻速吸水階段；采用玻爾茲曼預(yù)測(cè)函數(shù)對(duì)其吸水后強(qiáng)度變化過程進(jìn)行擬合可分為三種狀態(tài)：強(qiáng)度無損態(tài)、急速軟化態(tài)、軟化休止態(tài)，并得出其吸水軟化分界點(diǎn)為含水率6%。

(3) 泥巖中蒙脫石的含量高，隨含水率的增加巖樣中的蒙脫石吸水膨脹，降低巖樣的骨架強(qiáng)度，其內(nèi)部將經(jīng)歷微裂隙發(fā)育、發(fā)展及貫通的破壞過程，這是隧洞發(fā)生微觀變形破壞的主要原因。