膨脹性頁(yè)巖鐵路隧道圍巖大變形機(jī)制及化學(xué)抑制技術(shù)研究

李靖杰，張 馨，孫金山，張湘平，趙志濤，董 千，張 震，胡玲玲

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.江漢大學(xué)精細(xì)爆破國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430023;3.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

泥巖與頁(yè)巖在我國(guó)分布廣泛，當(dāng)其礦物成分中富含黏土礦物時(shí)，其體積會(huì)因水-巖作用而產(chǎn)生一定的膨脹變形，當(dāng)膨脹變形受到約束時(shí)巖石則可產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力[1]。因此，受到膨脹巖水-巖作用產(chǎn)生的“膨脹性圍巖壓力”[2]與膨脹巖崩解、軟化等水理劣化機(jī)制的影響，使得此類膨脹巖隧道工程常發(fā)生圍巖大變形、底鼓、坍塌等工程災(zāi)害。

目前，在膨脹巖隧道工程災(zāi)害防治方面，國(guó)內(nèi)外主流的設(shè)計(jì)方法與施工措施可以歸納為：優(yōu)化斷面形狀[3-4]、增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)[5-7]、施做緩沖夾層[8]、注漿止水加固[9-11]、洞內(nèi)外截排水[12-13]等。根據(jù)作用機(jī)制的不同，可以將這些防治方法分為以“增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，抵抗圍巖膨脹”的被動(dòng)治理方法和“減少水分侵入，抑制圍巖膨脹”的主動(dòng)治理方法。然而，此類傳統(tǒng)的圍巖大變形控制技術(shù)存在治理效果不佳、工藝復(fù)雜、成本高等問(wèn)題。

分析膨脹巖致隧道工程發(fā)生災(zāi)害的特有內(nèi)因，便繞不開膨脹巖中富含的令巖體具有膨脹潛勢(shì)的礦物成分。在頁(yè)巖中常見(jiàn)的膨脹性礦物當(dāng)屬黏土礦物——此類膨脹巖被歸屬于第二類膨脹巖[14]。針對(duì)黏土礦物的膨脹機(jī)制，Prost等[15]指出水是以吸附作用和毛細(xì)凝聚的形式存在于黏土顆粒和團(tuán)聚體之間的，形成的水膜是引起黏土礦物膨脹的原因；賈景超[16]將黏土礦物遇水至飽和的過(guò)程分為結(jié)晶膨脹與長(zhǎng)期膨脹兩個(gè)階段，并發(fā)現(xiàn)浸泡溶液的濃度與黏土水膜的厚度呈負(fù)相關(guān)；Li等[17]根據(jù)蒙脫土陽(yáng)離子交換試驗(yàn)與膨脹試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)離子種類亦可影響?zhàn)ね恋呐蛎浡省Ｖ档米⒁獾氖?，賈景超[16]、Li等[17]以及眾多學(xué)者[18-19]都注意到了黏土礦物的膨脹性受到浸泡液體種類與濃度影響這一現(xiàn)象?；诖耍捎没瘜W(xué)方法抑制巖石膨脹的研究也相繼開展，如Tomislav等[20]采用硅酸鹽溶液抑制頁(yè)巖膨脹取得了良好的效果；Shi等[21]通過(guò)巖石膨脹試驗(yàn)與強(qiáng)度試驗(yàn)證實(shí)了氯化鉀(KCl)溶液不僅可以抑制頁(yè)巖膨脹，而且可以減少頁(yè)巖遇水的軟化效應(yīng)；周輝等[22]對(duì)不同溶液浸泡下的飽和綠泥石片巖開展了力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)飽和氯化鈉(NaCl)溶液對(duì)比蒸餾水能夠起到一定的抑制軟化作用，并結(jié)合巖石雙電層理論分析，很好地佐證了賈景超[16]所提出的細(xì)觀膨脹模型。可見(jiàn)，如果能選用適宜的化學(xué)試劑，采用化學(xué)方法從礦物成分的角度來(lái)抑制巖石膨脹潛勢(shì)，以達(dá)到減少巖石宏觀膨脹、崩解、軟化等水理劣化性質(zhì)和減小支護(hù)結(jié)構(gòu)所受“膨脹性圍巖壓力”的目的，亦不失為一種有效的膨脹巖隧道災(zāi)害防治方法，但是目前針對(duì)此技術(shù)路線的研究在隧道工程領(lǐng)域開展得較少。

綜上所述，本文依托某典型鐵路隧道工程，在明確工程所處地層鄂西頁(yè)巖的基本特征和分析隧道圍巖大變形問(wèn)題的主要原因的基礎(chǔ)上，研究化學(xué)試劑抑制頁(yè)巖膨脹的可行性，以為隧道圍巖大變形的化學(xué)抑制技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

鄭萬(wàn)高鐵湖北段ZWZQ-6標(biāo)段位于湖北省襄陽(yáng)市南漳縣、?？悼h境內(nèi)，正線起訖里程為DK461+845.429～DK497+645，全長(zhǎng)為35.634 km。該路線位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)一級(jí)構(gòu)造單元北緣，上揚(yáng)子陸塊褶皺帶之神農(nóng)架-荊門臺(tái)褶皺帶內(nèi)，發(fā)育有金斗-鞍子寨倒轉(zhuǎn)背斜，該背斜軸向近東西向，西寬東窄，長(zhǎng)約59 km，受土門斷層錯(cuò)動(dòng)，東段向南位移4 km，線路范圍內(nèi)斷層發(fā)育，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，巖體較為破碎，巖層擠壓嚴(yán)重且局部產(chǎn)狀紊亂。

1.2 隧道及工程災(zāi)害概況

本研究以發(fā)生圍巖大變形的黃家溝隧道為例，該隧道起訖里程為D1K468+230～DK476+237，走向?yàn)镾W232°～256°,全長(zhǎng)為7 827.279 m，最大埋深為422 m，其中淺埋隧道段為D1K471+600～D1K471+750、D1K475+000～ D1K475+150，埋深為30 m。隧道洞身通過(guò)巖層為志留系下統(tǒng)新灘組頁(yè)巖，該頁(yè)巖巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，層狀結(jié)構(gòu)明顯，層間結(jié)合力差，同時(shí)巖體中還夾雜方解石礦脈，整體性差。

在水文地質(zhì)條件方面，黃家溝隧道所處區(qū)域地下水以第四系孔隙潛水和基巖裂隙水為主，隧道圍巖在無(wú)地下水條件下尚具有一定的自穩(wěn)能力，但是在地下水發(fā)育地段，隧道掌子面最大涌水量可達(dá)到800 m3/d，此時(shí)基巖與軟弱夾層遇水軟化現(xiàn)象嚴(yán)重，圍巖自穩(wěn)能力下降明顯，掌子面多次出現(xiàn)失穩(wěn)、頂部巖層坍塌等災(zāi)害，且多次發(fā)生初期支護(hù)噴射混凝土脫落、拱頂鋼架扭曲變形、初期支護(hù)變形侵限等問(wèn)題，如圖1所示。

圖1 黃家溝隧道工程災(zāi)害概況

黃家溝隧道D1K471+665～D1K471+675段，位于淺埋溝谷地段，地質(zhì)剖面圖如圖2所示。黃家溝隧道該淺埋段巖層產(chǎn)狀為N39°W/50°S，并發(fā)育有3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理：①N20°E/75°N、②N50°W/90°、③N60°E/90°。該段采用Vb型復(fù)合式襯砌，施工方法采用爆破開挖，三臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱，并輔以φ42小導(dǎo)管及全環(huán)型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)。隧道建設(shè)過(guò)程中，右側(cè)出現(xiàn)較大面積的初期支護(hù)混凝土崩落、開裂現(xiàn)象，外露出來(lái)的鋼架已有明顯的扭曲變形。經(jīng)量測(cè)發(fā)現(xiàn)，該段D1K471+670處出現(xiàn)凈空侵限問(wèn)題，拱頂下沉累計(jì)最大值為591 mm，水平收斂累計(jì)最大值為610.8mm。

圖2 黃家溝隧道淺埋段地質(zhì)剖面示意圖

2 頁(yè)巖的基本特征與隧道圍巖大變形機(jī)制分析

2.1 頁(yè)巖的水理特征和礦物成分

本研究選取鄭萬(wàn)高鐵湖北段隧道內(nèi)典型的志留系新灘組泥質(zhì)頁(yè)巖作為樣本，對(duì)其基本特征進(jìn)行分析。該頁(yè)巖極破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體中分布有多組方解石礦脈，均勻性極差(圖3)；頁(yè)巖呈薄層狀，層理面定向排列明顯、質(zhì)地光滑且層間結(jié)合力極差。

圖3 志留系新灘組泥質(zhì)頁(yè)巖

由于該頁(yè)巖的完整性太差無(wú)法制備標(biāo)準(zhǔn)巖樣進(jìn)行單軸強(qiáng)度和彈性參數(shù)等測(cè)試，故為了得到頁(yè)巖的水理特征和礦物成分，將原巖破碎、研磨制成巖塊和巖粉，其中水理試驗(yàn)所用的巖粉依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)為研磨過(guò)0.5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩制成。此外，此巖粉還制作成重塑樣用于開展后續(xù)的巖石線性膨脹率試驗(yàn)和巖心崩解試驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，該頁(yè)巖的水理特征和礦物成分見(jiàn)表1，該頁(yè)巖的X射線衍射(XRD)圖譜見(jiàn)圖4。

圖4 頁(yè)巖的XRD圖譜

由表1可知：

表1 頁(yè)巖的水理特征和礦物成分試驗(yàn)結(jié)果

(1) 該頁(yè)巖的礦物成分以黏土礦物為主，黏土礦物的總含量高達(dá)91.84%，其中伊利石含量為53.21%，綠泥石含量為38.63%。高含量的黏土礦物是使泥質(zhì)巖具備膨脹潛勢(shì)的內(nèi)因之一。已有研究表明[23]，泥質(zhì)巖礦物成分中伊利石含量若達(dá)到20%以上，巖石便具有明顯的吸水膨脹特性。

(2) 該頁(yè)巖的飽和吸水率為22.43%，根據(jù)《巖石與巖體鑒定和描述標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 239—2008)中泥質(zhì)巖膨脹勢(shì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判定，該頁(yè)巖具有弱膨脹勢(shì)。同時(shí)，通過(guò)巖石飽和吸水試驗(yàn)中觀察到，該頁(yè)巖巖塊浸水后崩解現(xiàn)象明顯，液體渾濁，泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，根據(jù)文江泉等[24]提出的巖石崩解判別特征，可以認(rèn)定該頁(yè)巖具有強(qiáng)崩解性。

綜上分析可知，該頁(yè)巖為具有強(qiáng)崩解性的弱膨脹巖。

2.2 頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)

膨脹巖的膨脹性還與其微觀結(jié)構(gòu)存在密切的關(guān)系，因此本研究采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)該頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察。觀察的樣品為干燥狀態(tài)下未打磨的頁(yè)巖巖塊，以保留其斷面的頁(yè)巖初始狀態(tài)(見(jiàn)圖5)，考慮到頁(yè)巖的各向異性，采用平行層理面與垂直層理面的兩個(gè)方向?qū)悠愤M(jìn)行掃描，得到頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像，見(jiàn)圖6和圖7。

圖5 頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖(×1 000倍)

圖6 平行層理面方向頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖(×2 500倍)

圖7 垂直層理面方向頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖(×2 500倍)

通過(guò)分析圖5至圖7可以發(fā)現(xiàn)：巖樣微觀結(jié)構(gòu)為由薄片狀黏土礦物將石英、微斜長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石等粗顆粒膠凝在一起的粗顆粒骨架-黏土膠凝結(jié)構(gòu)，礦物間以面-面接觸為主；巖石微觀結(jié)構(gòu)中存在大量的微裂隙，其寬度在200～2 000 nm左右，為水分子進(jìn)入黏土團(tuán)聚物間與晶胞層間提供了通道，也增加了水-土兩相接觸的相界面面積，導(dǎo)致頁(yè)巖遇水膨脹性與崩解性的進(jìn)一步加劇。需要特別指出的是，在頁(yè)巖這種定向?qū)訝钗⒂^結(jié)構(gòu)下，平行層理面方向存在大量的片層結(jié)構(gòu)的邊緣與斷口(見(jiàn)圖6)，黏土礦物于此處暴露的氫氧根、氧原子，作為“水化活性中心”[25]將會(huì)率先吸附水分子并產(chǎn)生膨脹，同時(shí)這種不均勻膨脹，將會(huì)在邊緣、斷口處產(chǎn)生“楔裂力”。大量的研究表明，頁(yè)巖層理面強(qiáng)度弱于巖石基質(zhì)強(qiáng)度，因此原有層間微裂隙將會(huì)在“楔裂力”的作用下沿層理面方向進(jìn)一步向內(nèi)擴(kuò)展，增加層間膨脹量，降低層間結(jié)合能力，導(dǎo)致頁(yè)巖平行層理面方向的急劇軟化，產(chǎn)生順層滑動(dòng)、溜坍、偏壓等工程災(zāi)害。

2.3 膨脹性頁(yè)巖隧道圍巖大變形機(jī)制分析

泥質(zhì)膨脹巖發(fā)生膨脹的3個(gè)主要條件為：膨脹性黏土礦物、水和水遷移的路徑[26]。依托工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、隧道災(zāi)害情況和巖石的室內(nèi)檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)分析可知：

(1) 依托的隧道工程位于頁(yè)巖地層中，該頁(yè)巖中黏土礦物含量很高，因此應(yīng)具有較強(qiáng)的流變性，在地應(yīng)力、水、黏土礦物的共同影響下，隧道圍巖必然不斷發(fā)生流變變形，將導(dǎo)致隧道圍巖收斂變形時(shí)間較長(zhǎng)。

(2) 隧道內(nèi)巖體存在的天然小型褶皺、節(jié)理構(gòu)造以及后期爆破開挖對(duì)巖體造成的人為損傷，使得巖體十分破碎，也導(dǎo)致隧道開挖后圍巖塑性區(qū)范圍較大。加之，隧道圍巖產(chǎn)狀與隧道走向之間夾角較大，局部區(qū)域?yàn)?0°～50°，十分破碎的巖體由于受到重力與地應(yīng)力的影響具有沿結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步發(fā)生滑移的趨勢(shì)，將會(huì)造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的偏壓與臨空面的坍塌。

(3) 爆破開挖與隧道施工將會(huì)對(duì)原巖的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改變。由于隧道所處地層地下水較豐富，輔以巖體內(nèi)人為產(chǎn)生的裂隙和天然裂隙為地下水遷移提供的路徑，使得隧道開挖后地下水沿裂隙向隧道內(nèi)滲流，而噴射混凝土不僅不能有效封堵滲流通道，還會(huì)使地下水沿混凝土與巖石間的接觸界面不斷向隧道其他斷面擴(kuò)散，從而使得地下水的侵蝕區(qū)域不斷擴(kuò)散，泥質(zhì)頁(yè)巖遇水后發(fā)生顯著的膨脹與崩解，初期支護(hù)系統(tǒng)將會(huì)受到顯著的膨脹壓力。

上述分析結(jié)果表明，依托工程隧道施工發(fā)生了圍巖大變形和坍塌等工程災(zāi)害，通過(guò)工程災(zāi)害發(fā)生在有無(wú)地下水發(fā)育地段的區(qū)別可以判定泥質(zhì)膨脹巖發(fā)生膨脹效應(yīng)是導(dǎo)致工程災(zāi)害的重要原因之一，且在發(fā)生圍巖大變形的區(qū)域噴射混凝土、錨桿和鋼拱架的支護(hù)效果不理想。

3 抑制頁(yè)巖膨脹的化學(xué)試劑比選

鑒于依托工程所體現(xiàn)的傳統(tǒng)隧道膨脹變形控制技術(shù)存在經(jīng)濟(jì)性和控制效果不理想的問(wèn)題，其作用機(jī)制層面的局限性集中于傳統(tǒng)方案主要采用被動(dòng)控制的方式，未從根本上改變巖石的膨脹性。因此，本文擬通過(guò)采用化學(xué)方法抑制頁(yè)巖膨脹性進(jìn)而達(dá)到控制隧道圍巖變形的目的。以頁(yè)巖重塑樣作為試驗(yàn)對(duì)象，選擇不同的抑制頁(yè)巖膨脹的化學(xué)試劑開展了巖石線性膨脹率試驗(yàn)與巖心崩解試驗(yàn)。

3.1 化學(xué)試劑的選取與試驗(yàn)方案

3.1.1 化學(xué)試劑的選取

使用化學(xué)方法抑制頁(yè)巖膨脹性方面的研究在石油鉆井領(lǐng)域已經(jīng)取得了諸多成果，這些化學(xué)試劑主要是從作用于頁(yè)巖、抑制頁(yè)巖膨脹和作用于泥餅、提高泥餅質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面入手來(lái)保持頁(yè)巖的穩(wěn)定性。結(jié)合隧道施工條件，本文主要以前者的作用機(jī)制為標(biāo)準(zhǔn)選取了以下化學(xué)試劑：①無(wú)機(jī)化學(xué)試劑，包括氯化鉀(KCl)[21]、碳酸鉀(K2CO3)[27]、硅酸鉀(K2SiO3)[20]、硅酸鈉(Na2SiO3)[20]；②有機(jī)化學(xué)試劑，包括磺化瀝青粉(FT-1)[28]、聚丙烯酸鉀(K-PAM)[29]、聚陰離子纖維素鉀鹽(K-PAC)[29]、聚乙烯醇(PVA 1788)低黏度型[30]、聚乙二醇(PEG)2000[31]。

根據(jù)上述文獻(xiàn)成果將所有化學(xué)試劑統(tǒng)一配制成5%KCl、5% K2CO3、5% K2SiO3、5% Na2SiO3、5% FT-1(濁液)、5%PVA 1788、5% PEG 2000、0.5%K-PAM、0.5%K-PAC溶液。

3.1.2 試驗(yàn)方案

不同化學(xué)試劑對(duì)頁(yè)巖的膨脹性抑制效果與崩解性抑制效果，分別采用巖石線性膨脹率試驗(yàn)與巖心崩解試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了確保重塑樣與原巖盡可能相似，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的重塑樣密度為2.5 g/cm3，與原巖密度(2.4 g/cm3)接近且形狀穩(wěn)定。具體的試驗(yàn)方案如下：

(1) 巖石線性膨脹率試驗(yàn)：首先稱取10 g于105℃下烘干12 h并冷卻的頁(yè)巖巖粉，置入內(nèi)徑為26 mm的測(cè)筒中，使用ZYP-40TS型壓片機(jī)豎向施加40 MPa壓力，持續(xù)時(shí)間為5 min，得到重塑樣，并測(cè)定筒中重塑樣的初始高度；然后使用NP-01型常溫常壓智能膨脹量測(cè)定儀，對(duì)浸沒(méi)于各種化學(xué)試劑中重塑樣的實(shí)時(shí)膨脹量進(jìn)行記錄，記錄頻率設(shè)置為10 s，記錄時(shí)間為24 h，當(dāng)6 h內(nèi)重塑樣膨脹量的變化量小于0.1 mm時(shí)，即認(rèn)為膨脹穩(wěn)定，可以終止試驗(yàn)。對(duì)每種化學(xué)試劑進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，計(jì)算3組試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值。

(2) 巖心崩解試驗(yàn)：首先稱取10 g風(fēng)干頁(yè)巖巖粉置于模具中，使用ZYP-40TS型壓片機(jī)及配套模具豎向施加40 MPa壓力，持續(xù)時(shí)間為5 min，得到直徑為26 mm、厚(7.5±0.2) mm的圓柱型人造巖心，并將其在105℃下烘干12 h后冷卻，得到干燥巖心；然后將干燥巖心放入裝有100 mL化學(xué)試劑對(duì)巖心的培養(yǎng)皿中，分別在浸泡5 min、30 min、180 min、1 440 min時(shí)拍照，觀察不同化學(xué)試劑對(duì)巖心的崩解性抑制效果。針對(duì)不透明試劑，在指定時(shí)間，用針管緩慢抽出試劑后拍照觀察。

3.2 不同化學(xué)試劑對(duì)頁(yè)巖膨脹性的抑制效果

不同化學(xué)試劑對(duì)頁(yè)巖試樣的線性膨脹率時(shí)程曲線和最終膨脹率結(jié)果，見(jiàn)圖8和表2。

圖8 不同化學(xué)試劑對(duì)頁(yè)巖試樣的線性膨脹率時(shí)程曲線

由圖8和表2可知：

表2 不同化學(xué)試劑對(duì)頁(yè)巖試樣的線性膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

(1) 所選用的化學(xué)試劑中除了PEG 2000外，其余化學(xué)試劑對(duì)頁(yè)巖的膨脹性均具有不同程度的抑制效果，其中：有機(jī)化學(xué)試劑中，5%FT-1(濁液)對(duì)頁(yè)巖的膨脹性抑制效果最好；無(wú)機(jī)鹽類化學(xué)試劑中，5%K2SiO3溶液對(duì)頁(yè)巖的膨脹性抑制效果最好。

(2) 頁(yè)巖試樣的線性膨脹率時(shí)程曲線呈現(xiàn)出明顯的三個(gè)階段[見(jiàn)圖8(b)]，即加速膨脹階段、減速膨脹階段和緩慢變形階段[19]。圖8(a)為從圖8(b)中截取的前2 h頁(yè)巖的線性膨脹率時(shí)程曲線，如圖8(a)所示，大部分頁(yè)巖試樣在前20 min的線性膨脹率增加劇烈， 該時(shí)間段頁(yè)巖試樣所產(chǎn)生的線性膨脹率普遍占到24 h頁(yè)巖試樣線性膨脹率的70%以上，為膨脹潛勢(shì)的快速釋放階段。在有機(jī)化學(xué)試劑中，F(xiàn)T-1、K-PAM和K-PAC 3種化學(xué)試劑展現(xiàn)出顯著地降低前期頁(yè)巖線性膨脹率的效果，三者前20 min的頁(yè)巖線性膨脹率相較24 h頁(yè)巖線性膨脹率占比均在33%以下，其作用效果減緩了頁(yè)巖膨脹潛勢(shì)的釋放；同時(shí)，這3種化學(xué)試劑對(duì)頁(yè)巖的膨脹性也具有良好的抑制效果，其24 h頁(yè)巖線性膨脹率分別只有蒸餾水浸泡下24 h頁(yè)巖線性膨脹率的42.41%、64.58%、61.04%。在無(wú)機(jī)鹽類化學(xué)試劑中，K2SiO3和Na2SiO32種化學(xué)試劑對(duì)頁(yè)巖的膨脹性具有較好的抑制效果，其24 h頁(yè)巖線性膨脹率分別只有蒸餾水浸泡下24 h頁(yè)巖線性膨脹率的50.31%和57.69%，且在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的情況下，K2SiO3的抑制效果比Na2SiO3高7.38%，這是因?yàn)殁涬x子具有比鈉離子更小的水化能和更好的同黏土礦物結(jié)合的能力[32-34]，使得鉀離子抑制黏土礦物膨脹性的效果更好。

但值得注意的是，化學(xué)試劑FT-1對(duì)頁(yè)巖雖然具有良好的膨脹抑制效果，但是其在0～24 h時(shí)段內(nèi)不能使頁(yè)巖試樣膨脹率穩(wěn)定。將試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)至48 h，24～48 h時(shí)段頁(yè)巖試樣的線性膨脹率增長(zhǎng)量為1.19%，膨脹速率明顯下降但依然無(wú)法達(dá)到頁(yè)巖試樣膨脹率穩(wěn)定；而化學(xué)試劑K2SiO3則未出現(xiàn)此種現(xiàn)象。

3.3 不同化學(xué)試劑對(duì)巖心崩解性的抑制效果

巖心崩解性是膨脹巖的重要特征之一。將人工巖心分別浸泡在不同化學(xué)試劑中24 h，得到的人造巖心崩解試驗(yàn)結(jié)果照片，見(jiàn)圖9。

圖9 不同化學(xué)試劑對(duì)人造巖心崩解試驗(yàn)結(jié)果照片(24 h)

由圖9可以看出：在所選化學(xué)試劑中，K-PAM和K-PAC對(duì)人造巖心的崩解性抑制效果最好，巖心浸泡24 h后依然保持完整；K2SiO3和Na2SiO3對(duì)于人造巖心的崩解性也具有良好的抑制效果，巖心浸泡24 h后上端面邊緣出現(xiàn)明顯的環(huán)向裂縫，裂縫深入巖心內(nèi)部但并未貫穿，巖心得以保持整體形態(tài)，并未完全崩解。而在巖石線性膨脹率試驗(yàn)中對(duì)頁(yè)巖膨脹性抑制效率最高的化學(xué)試劑是FT-1，但其對(duì)于巖心崩解性的抑制效果有限。造成該現(xiàn)象的原因應(yīng)該從試驗(yàn)情況與試劑作用機(jī)制兩個(gè)方面進(jìn)行討論：

(1) 巖心崩解試驗(yàn)中的試樣與巖石線性膨脹率試驗(yàn)中的試樣所處的邊界條件不同。巖心崩解試驗(yàn)中的試樣并不似巖石線性膨脹率試驗(yàn)中的試樣那般受到側(cè)向約束，其處于自由膨脹狀態(tài)。因此，若要保持試樣整體穩(wěn)定，所選用的化學(xué)試劑除了需要對(duì)頁(yè)巖具有良好的膨脹性抑制效果外，其還應(yīng)具有一定的黏結(jié)作用。在常溫下，硅酸鹽可以在頁(yè)巖表面產(chǎn)生無(wú)機(jī)聚合物[20]以起到黏結(jié)作用，而K-PAM和K-PAC兩類聚合物鉀鹽通過(guò)其聚合陰離子上大量的羥基(—OH)與黏土礦物之間的氫鍵[35]亦能提供良好的黏結(jié)作用。

(2) 化學(xué)試劑FT-1以通過(guò)封堵頁(yè)巖孔隙為機(jī)制來(lái)抑制頁(yè)巖膨脹。此封堵作用能夠很好地減緩水分子侵入頁(yè)巖內(nèi)部，減緩水-巖反應(yīng)，這一點(diǎn)已經(jīng)在巖石線性膨脹率試驗(yàn)中得到了體現(xiàn)。但是，化學(xué)試劑FT-1對(duì)于頁(yè)巖的黏結(jié)作用卻十分有限，這是因?yàn)闉r青類化學(xué)試劑的黏結(jié)效果與溫度和應(yīng)力環(huán)境有很大的關(guān)系，當(dāng)溫度到達(dá)軟化點(diǎn)附近時(shí)，F(xiàn)T-1可以獲得更好的黏結(jié)與封堵效果，但是試驗(yàn)溫度并未達(dá)到軟化溫度，從而導(dǎo)致其在巖心崩解性抑制效果方面的表現(xiàn)不佳。

4 結(jié) 論

本文以典型的圍巖大變形隧道工程為背景，分析了鄂西頁(yè)巖的基本特征，揭示了隧道圍巖大變形問(wèn)題的主要原因，研究了化學(xué)試劑抑制頁(yè)巖膨脹的可行性，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 鄭萬(wàn)高鐵湖北段志留系新灘組泥質(zhì)頁(yè)巖中富含伊利石和綠泥石，具有顯著的膨脹性和崩解性，屬?gòu)?qiáng)崩解性弱膨脹巖；隧道所處地層節(jié)理、裂隙與地下水較發(fā)育，頁(yè)巖遇水后發(fā)生了顯著的膨脹與崩解；巖體受構(gòu)造作用的影響顯著，存在較高的構(gòu)造應(yīng)力，隧道圍巖發(fā)生了塑性變形和流變變形。上述因素導(dǎo)致該隧道工程局部路段發(fā)生了圍巖大變形，初期支護(hù)受損等問(wèn)題。

(2) 除5%PEG 2000化學(xué)試劑外，配置的其余化學(xué)試劑均可不同程度地抑制頁(yè)巖的膨脹性，5%磺化瀝青粉(FT-1)濁液和5%硅酸鉀(K2SiO3)溶液對(duì)頁(yè)巖膨脹性具有較好的抑制效果，其中FT-1濁液可以有效減緩頁(yè)巖膨脹潛勢(shì)的釋放，但是頁(yè)巖膨脹穩(wěn)定時(shí)間也顯著延長(zhǎng)。

(3) 配置的部分化學(xué)試劑也可抑制頁(yè)巖崩解性，其中聚丙烯酸鉀(K-PAM)和聚陰離子纖維素鉀鹽(K-PAC)對(duì)頁(yè)巖的崩解性具有良好的抑制效果，K2SiO3和Na2SiO3的抑制效果次之，F(xiàn)T-1對(duì)頁(yè)巖的崩解性抑制效果有限。

實(shí)際隧道工程建設(shè)過(guò)程中，影響隧道圍巖大變形產(chǎn)生的因素很多，本文主要從隧道圍巖遇水膨脹的角度出發(fā)進(jìn)行了研究，同時(shí)隧道施工方法、支護(hù)方案和支護(hù)時(shí)間等都會(huì)對(duì)隧道圍巖變形產(chǎn)生較大的影響，因此分析多因素耦合作用下隧道圍巖大變形機(jī)制也將是下一步工作的研究重點(diǎn);此外，各種化學(xué)試劑在實(shí)際隧道工程環(huán)境中的穩(wěn)定性與適配性，也需要進(jìn)一步的研究。