凝灰?guī)r水理性及相應(yīng)隧洞圍巖失穩(wěn)防治技術(shù)綜述

陳 興 周,張 旭,李 文 新,劉 立 鵬

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,陜西 西安 710054; 2.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000; 3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038)

0 引 言

巖體強(qiáng)度和變形特性受地下水影響顯著,由地下水引起的圍巖強(qiáng)度弱化、持續(xù)變形及工程事故在世界各類地下工程中均有報(bào)道[1-3]。研究巖石水理特性對(duì)于評(píng)判由水的作用引發(fā)的圍巖失穩(wěn)并提出針對(duì)性支護(hù)措施具有重要意義。目前對(duì)巖石的水理特性研究多集中在砂巖[4-9]、泥巖[10]、花崗巖[11]等巖類。凝灰?guī)r在中國(guó)分布廣泛,穿越此類地層的各類隧洞工程較多,然而對(duì)其水理特性的研究卻少見。

凝灰?guī)r是一種中酸性火山碎屑巖,由火山噴發(fā)的顆粒中較細(xì)的火山灰固結(jié)成巖,形成原因可包括:火山爆發(fā)、火山噴溢、火山巖相產(chǎn)出、呈侵入接觸產(chǎn)出、經(jīng)變質(zhì)后的凝灰?guī)r[12]。不同成巖作用使得內(nèi)部組分結(jié)構(gòu)分為巖屑、晶屑、玻屑3種,碎屑物按物性可分為剛性、半塑性、塑性[13]。組分結(jié)構(gòu)和物性的差異,以及風(fēng)化、蝕變的影響,使得凝灰?guī)r具有差異明顯的物理力學(xué)和水理特性。

一些地區(qū)凝灰?guī)r內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬,具有較高的韌性且組分對(duì)水不敏感,地下水的侵蝕作用不明顯,如朱溪水庫(kù)工程中凝灰?guī)r在飽和狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)240.1 MPa[14];而一些地區(qū)凝灰?guī)r遇水表現(xiàn)出軟化[15-16]、泥化[17]、膨脹性[18-20]、甚至崩解性[21-22](見表1)。

表1 凝灰?guī)r不同水理特性及物理力學(xué)性質(zhì)Tab.1 Different hydrological and physical-mechanical properties of tuff

深埋隧洞建造過(guò)程中所遭遇凝灰?guī)r一般較為新鮮,但在開挖擾動(dòng)以及地下水共同作用下,會(huì)表現(xiàn)出明顯劣化現(xiàn)象,工程處理不當(dāng)會(huì)給圍巖穩(wěn)定、支護(hù)安全帶來(lái)影響[23-24]。對(duì)于穿越凝灰?guī)r夾層的水工隧洞,通過(guò)分析運(yùn)行期賦存條件發(fā)現(xiàn),軟弱夾層承載能力較低,加之內(nèi)外水共同作用,會(huì)引起襯砌開裂造成圍巖承受部分內(nèi)水壓力,接觸面產(chǎn)生分離和滑移區(qū)[25],對(duì)圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生影響。并且在遭遇膨脹性凝灰?guī)r地層時(shí),圍巖具有一定膨脹性和流變特性,對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)安全和隧洞長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響[26-27]。因此,研究掌握凝灰?guī)r水理特性對(duì)于評(píng)判由水的作用導(dǎo)致的圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),并提出針對(duì)性支護(hù)措施具有重要意義。鑒于此,本文收集整理了國(guó)內(nèi)外凝灰?guī)r相關(guān)研究文獻(xiàn),對(duì)其成分、結(jié)構(gòu)及水理特性進(jìn)行歸納總結(jié),分析水理特性差異原因,并總結(jié)凝灰?guī)r地層圍巖主要支護(hù)措施,最后對(duì)凝灰?guī)r水理特性研究中需進(jìn)一步研究的內(nèi)容進(jìn)行了展望。

1 凝灰?guī)r水理特性

1.1 成分與結(jié)構(gòu)

隨著距離火山口位置的不同,火山灰供給程度不同,造成凝灰?guī)r種類多樣且具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性,導(dǎo)致凝灰質(zhì)含量和礦物成分差異較大。如圖1所示:臨近火山口地區(qū)晶屑含量較高,形成晶屑玻屑凝灰?guī)r;距離火山口越遠(yuǎn),玻屑含量越高,形成玻屑凝灰?guī)r;當(dāng)距離過(guò)遠(yuǎn)時(shí),火山灰含量減少以及受陸源碎屑影響形成泥質(zhì)凝灰?guī)r或凝灰質(zhì)泥巖以及凝灰質(zhì)粉砂巖或凝灰質(zhì)砂礫巖[28-29]。

圖1 凝灰?guī)r巖相平面展布[29]Fig.1 Planar distribution of tuff lithofacies[29]

晶屑玻屑凝灰?guī)r中黏土礦物含量一般為10%～30%,且脫?；a(chǎn)生的黏土礦物易向伊蒙混層轉(zhuǎn)化;玻屑凝灰?guī)r內(nèi)部黏土礦物主要是由脫?；饔卯a(chǎn)生,其含量一般小于10%;泥質(zhì)凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)粉砂巖由于陸源碎屑的影響,黏土礦物含量較高,往往大于15%[30]。一般黏土礦物含量越高,巖石親水性越強(qiáng),泥質(zhì)凝灰?guī)r易與水發(fā)生反應(yīng),水理特性較明顯,而晶屑玻屑和玻屑凝灰?guī)r脫?；^(guò)程中容易產(chǎn)生石英,黏土礦物含量較少,水理特性一般不明顯。由表2中部分工程中凝灰?guī)r物理性質(zhì)可知,成巖礦物多為石英、長(zhǎng)石、方解石,所含黏土礦物則多為高嶺石、蒙脫石、伊利石,化學(xué)成分主要包含SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO。從成份上分析,這其中石英較難溶于水、且強(qiáng)度較大;長(zhǎng)石、長(zhǎng)英質(zhì)和斜長(zhǎng)石抗風(fēng)化能力較差、易受擾動(dòng)、強(qiáng)度較小;蒙脫石、伊利石、高嶺石不僅水理特性明顯且易受風(fēng)化侵蝕,因此各組份的占比不同勢(shì)必影響凝灰?guī)r的水理特性。

表2 不同地區(qū)典型凝灰?guī)r物理性質(zhì)Tab.2 Physical properties of typical tuff in different regions

凝灰?guī)r中孔隙可劃分為原生孔隙、次生孔隙和裂縫3種[31-32]。原生孔隙主要是顆?；蚓Яｉg孔,在成巖過(guò)程中由于顆粒接觸面不均勻而形成;次生孔隙包含脫?；?、溶蝕孔和有機(jī)質(zhì)孔,其主要孔隙為脫?；?。凝灰?guī)r內(nèi)部的石英和長(zhǎng)石等礦物由玻璃質(zhì)脫玻形成,脫玻過(guò)程中體積變小[32],因此凝灰?guī)r內(nèi)部會(huì)分布由脫?；a(chǎn)生的孔隙,長(zhǎng)石等礦物受溶蝕而生成溶蝕孔,相互貫通則會(huì)形成溶蝕縫。此外,還存在收縮縫、層間縫、構(gòu)造縫[29,33]等?？p隙的存在會(huì)導(dǎo)致礦物成分更易于與水發(fā)生物化反應(yīng),而使得水理特性發(fā)生變化。

1.2 軟化性

一些凝灰?guī)r在干燥條件下抗壓強(qiáng)度較高,但在遇水后強(qiáng)度降低明顯,如表2中蒼嶺隧道凝灰?guī)r軟化系數(shù)低至0.18,同時(shí)巖石的變形特性也發(fā)生變化。郭麗娜[38]等測(cè)試了凝灰?guī)r在天然、干燥和飽水3種狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)(見表3),結(jié)果表明含水率越大,同一種凝灰?guī)r的彈性模量越小、泊松比越大。

表3 不同含水狀態(tài)下凝灰?guī)r力學(xué)及變形參數(shù)Tab.3 Mechanical and deformation parameters of tuff in different aqueous states

含水率會(huì)影響?zhàn)ね恋V物與孔隙結(jié)構(gòu)[39],進(jìn)而使得凝灰?guī)r軟化性變化。三維數(shù)字圖像技術(shù)(3D-DIC)研究結(jié)果表明[40],含水率越高,凝灰?guī)r孔隙壓力越高,導(dǎo)致巖樣強(qiáng)度、彈性模量降低,延性特征逐漸明顯。凝灰?guī)r加壓吸濕過(guò)程核磁共振研究結(jié)果表明[41],在浸泡48 h后,凝灰?guī)r內(nèi)部黏土水化產(chǎn)生新裂隙,原生裂隙連通,孔隙增大,滲透性增強(qiáng),裂隙周圍礦物顆粒脫落,進(jìn)而引起孔隙率增加,結(jié)構(gòu)疏松,力學(xué)和變形性能減弱。

1.3 膨脹性

凝灰?guī)r存在親水礦物,水分子進(jìn)入后會(huì)產(chǎn)生膨脹力,引起內(nèi)部應(yīng)力不均而造成巖體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。表4列舉了中國(guó)部分隧洞工程中具有膨脹性凝灰?guī)r的物理特性,結(jié)合前人研究成果,引起凝灰?guī)r膨脹的原因可初步歸納為以下3方面:

表4 不同隧洞工程膨脹性凝灰?guī)r物理性質(zhì)Tab.4 Physical properties of expansile tuff in different tunnel engineerings

(1) 力學(xué)作用。凝灰?guī)r內(nèi)部存在片狀結(jié)構(gòu),吸水過(guò)程中片狀結(jié)構(gòu)發(fā)生卷曲變形,各片間距增大,形成微孔隙,使得水分進(jìn)一步滲入巖體內(nèi)部,表現(xiàn)出遇水膨脹[42]。

(2) 物理作用。顆粒表面分布的離子形成靜電場(chǎng)將水分子吸附于顆粒表面形成強(qiáng)、弱結(jié)合水,使顆粒產(chǎn)生水化膜吸附層,引起顆粒間隙變大,宏觀上表現(xiàn)為凝灰?guī)r吸水膨脹[43]。

(3) 化學(xué)作用。蒙脫石、伊利石、高嶺石等親水性黏土礦物與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使水分子吸附在顆粒表面,生成水合結(jié)晶物,造成凝灰?guī)r體積變大[44]。

1.4 崩解性

崩解性是指巖石由于水的作用而喪失結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的現(xiàn)象。崩解性測(cè)試分為測(cè)試崩解率、崩解速度以及測(cè)試干濕循環(huán)下耐崩解指數(shù)Isn(小于30%時(shí),耐崩解性極差)兩種。表5列舉了部分凝灰?guī)r崩解性測(cè)試結(jié)果。由表可知,凝灰?guī)r的耐崩解性極差,易于喪失結(jié)構(gòu)性。從微細(xì)觀角度分析,引起凝灰?guī)r崩解主要存在以下3種原因:

表5 凝灰?guī)r崩解性測(cè)試Tab.5 Tuff disintegrability test

(1) 黏土礦物水化反應(yīng)。內(nèi)部黏土礦物與水發(fā)生水化反應(yīng),被水弱化而導(dǎo)致崩解[50]。

(2) 易溶礦物水解。在較大的毛管壓力作用下,水由裂縫、孔隙快速進(jìn)入凝灰?guī)r內(nèi)部,繼而進(jìn)入凝灰?guī)r微層片結(jié)構(gòu),引起可溶物質(zhì)快速溶解[51-53]。

(3) 離子交換作用及其礦物溶解。凝灰?guī)r中大量存在的鈉長(zhǎng)石發(fā)生蝕變生成可溶性鹽,析出Ca2+、K+、Mg2+,從而導(dǎo)致鈉長(zhǎng)石溶解[54-55]。

2 凝灰?guī)r地層隧洞災(zāi)害防治技術(shù)

凝灰?guī)r具有軟化性、膨脹性和崩解性等水理特性,在此類地層中建造隧洞時(shí)會(huì)面臨圍巖大變形、掌子面溜塌、初支拱架開裂等諸多工程問(wèn)題[56-58]。譬如米拉山隧道[59]、禾洛山隧道[60]、以色列卡邁爾隧道[61]等的隧洞災(zāi)害,多由凝灰?guī)r遇水后軟化、膨脹崩解造成。已有凝灰?guī)r地層災(zāi)害防治工作,主要從軟巖治理以及阻水、隔水等角度開展。

2.1 支護(hù)措施

從支護(hù)角度來(lái)說(shuō),目前主要采用預(yù)留圍巖變形、開挖工序調(diào)整以及優(yōu)化支護(hù)參數(shù)3種措施來(lái)應(yīng)對(duì)凝灰?guī)r隧洞可能存在的圍巖失穩(wěn)問(wèn)題。

(1) 優(yōu)化圍巖預(yù)留變形量。預(yù)留適當(dāng)?shù)淖冃瘟坑兄趪鷰r釋放部分地應(yīng)力,減小支護(hù)結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的荷載。在施工過(guò)程中,需根據(jù)水對(duì)凝灰?guī)r的弱化程度、引起圍巖大變形的等級(jí)來(lái)確定預(yù)留變形量值[49],并在施工過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)圍巖變形的監(jiān)測(cè),動(dòng)態(tài)調(diào)整不同洞段的圍巖預(yù)留變形量。

(2) 合適的開挖工序。目前地下隧洞工程主要施工理念為新奧法和新意法,表6列舉了不同凝灰?guī)r隧洞工程中的施工方法。由表可知:針對(duì)凝灰?guī)r洞段的開挖工序與常規(guī)軟巖、斷層破碎帶洞段等基本一致,即并不單純?yōu)樾聤W法或新意法,而是根據(jù)圍巖的表征,將兩種方法有機(jī)結(jié)合,以起到既能釋放圍巖形變應(yīng)力又有效控制圍巖松散壓力的目的。如表中三聯(lián)隧道,采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法和加臨時(shí)仰拱法以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,控制由凝灰?guī)r遇水作用而引發(fā)的大變形,相比于全斷面開挖雖工序復(fù)雜,但對(duì)于圍巖變形可有效控制,并能夠一定程度提升掌子面的穩(wěn)定性。

表6 不同水理特性凝灰?guī)r隧道施工方法Tab.6 Construction methods of tuff tunnels with different water-physical characteristics

(3) 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。凝灰?guī)r隧洞圍巖失穩(wěn)主要與水相關(guān),為防止凝灰?guī)r遇水膨脹、強(qiáng)度進(jìn)一步降低,針對(duì)凝灰?guī)r圍巖洞段首先需要盡量做到及時(shí)封閉圍巖,減少圍巖在空氣中暴露時(shí)間[64]。當(dāng)施工每循環(huán)尺寸過(guò)大時(shí),初期支護(hù)不能夠及時(shí)封閉,巖體遇水或潮濕空氣自承載力降低,使得支護(hù)結(jié)構(gòu)承受因圍巖大變形而產(chǎn)生的擠壓力、松散壓力以及膨脹力,進(jìn)而支護(hù)強(qiáng)度不足造成塑性區(qū)擴(kuò)展甚至支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞,對(duì)此工程中采用錨、網(wǎng)、噴協(xié)同防護(hù),并根據(jù)水巖之間反應(yīng)程度,采用深孔錨桿、減小錨桿間距等針對(duì)性措施,并結(jié)合巖體情況采用早高強(qiáng)噴射混凝土和大剛度鋼拱架等協(xié)同支護(hù)(見表7)。對(duì)于具體工程支護(hù)參數(shù),可結(jié)合實(shí)際情況、巖體水理特性、現(xiàn)場(chǎng)表征以及監(jiān)測(cè)量值并借助工程經(jīng)驗(yàn)與數(shù)值仿真等手段綜合確定。

表7 不同水理特性凝灰?guī)r隧洞支護(hù)措施Tab.7 Support measures for tuff tunnels with different water-physical characteristics

2.2 加固措施

超前小導(dǎo)管和管棚可以有效提升松散巖體的整體性和穩(wěn)定性,對(duì)軟弱巖體起到加固作用,是地下隧洞工程中針對(duì)破碎、軟弱巖體進(jìn)行加固的常用方式。采用灌漿加固時(shí),對(duì)于膨脹崩解性強(qiáng)的凝灰?guī)r地層,當(dāng)圍巖遇到漿液中的水時(shí),加固效果可能適得其反,需鑒定其礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)后,有針對(duì)性地在灌漿液中加入適當(dāng)?shù)柠}溶液或改性劑[36,66-68],從而抑制凝灰?guī)r與水發(fā)生的各種物化反應(yīng),使凝灰?guī)r變得穩(wěn)定而達(dá)到加固圍巖的效果。

2.3 隔水措施

由于凝灰?guī)r具有遇水膨脹、崩解等特性,降低水體對(duì)巖體的作用或提高礦物成分抗水性,也可降低圍巖發(fā)生災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。工程中所采用的水性滲透結(jié)晶型防水材料、聚脲基復(fù)合防滲材料、聚合物噴膜防水材料、乙烯基防水材料、高分子防水卷材等防水材料,既可以阻斷水與圍巖的接觸途徑,同時(shí)又能防止隧洞出現(xiàn)滲漏而引發(fā)失穩(wěn)問(wèn)題(見表8)。

表8 隧洞工程防水措施應(yīng)用Tab.8 Application of waterproof measures for tunnel engineering

3 研究展望

(1) 進(jìn)一步研究微細(xì)觀測(cè)試技術(shù),探究凝灰?guī)r滲流、力學(xué)和化學(xué)耦合過(guò)程;定量評(píng)價(jià)軟化、膨脹損傷,研究膨脹力的發(fā)展與計(jì)算等理論;構(gòu)建軟化、膨脹、崩解損傷本構(gòu)模型。

(2) 凝灰?guī)r與水相互作用過(guò)程中,部分黏土礦物中的成分與水發(fā)生反應(yīng),激發(fā)并加劇膨脹性與崩解性進(jìn)而影響隨后的強(qiáng)度、變形,考慮現(xiàn)有測(cè)試對(duì)于巖樣的進(jìn)一步損傷及不同巖樣隨機(jī)性差異,后續(xù)研究中需要考慮采用無(wú)損測(cè)試的方式,提出新的參量來(lái)表征整個(gè)水理反應(yīng)過(guò)程中屬性的變化。

(3) 由于取樣等過(guò)程中會(huì)對(duì)凝灰?guī)r結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷,進(jìn)而對(duì)測(cè)試的結(jié)果產(chǎn)生不利影響,特別是親水礦物較多情況下,這一影響將進(jìn)一步放大。建議后續(xù)研究中引入損傷概念,考慮取樣等過(guò)程對(duì)于凝灰?guī)r的損傷并開發(fā)無(wú)損取樣技術(shù),以降低這一影響。

(4) 目前多采用灌漿等手段對(duì)凝灰?guī)r洞段進(jìn)行加固處理或作為隔水堵水層,加固處理層將長(zhǎng)期承受高水力梯度的作用,其長(zhǎng)期滲透穩(wěn)定性以及力學(xué)性能演化并沒有引起足夠的重視。建議開展凝灰?guī)r加固處理層在高水力梯度作用下長(zhǎng)期滲透穩(wěn)定性、強(qiáng)度與變形等屬性的研究,為工程長(zhǎng)期安全論證提供依據(jù)。

(5) 目前隧洞防水主要依靠混凝土和其他行業(yè)的防水材料,后續(xù)需考慮針對(duì)凝灰?guī)r不同水理特性研究凝灰?guī)r隧洞所需的實(shí)用、耐久、高效的防水材料。

4 結(jié) 論

本文對(duì)凝灰?guī)r水理特性研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,總結(jié)了凝灰?guī)r組分與結(jié)構(gòu)的差異以及水的作用機(jī)制,歸納了防治措施,并對(duì)后續(xù)研究方向提出了建議,主要結(jié)論如下:

(1) 凝灰?guī)r可分為玻屑凝灰?guī)r、晶屑玻屑凝灰?guī)r、泥質(zhì)凝灰?guī)r以及凝灰質(zhì)粉砂巖。由于成巖及風(fēng)化侵蝕等作用,凝灰?guī)r礦物成分以及孔隙結(jié)構(gòu)差異性明顯,進(jìn)而造成軟化性、膨脹性和崩解性等水理特性不同,其中蒙脫石、伊利石、高嶺石含量越多,凝灰?guī)r的水理特性差異越明顯。

(2) 力學(xué)作用、物理作用、化學(xué)作用是造成凝灰?guī)r膨脹的主要原因,而易溶礦物水解、黏土礦物水化反應(yīng)、離子交換作用可引起凝灰?guī)r原有結(jié)構(gòu)性的喪失進(jìn)而崩解。

(3) 穿越凝灰?guī)r地層的隧洞施工和災(zāi)害防治技術(shù)應(yīng)結(jié)合凝灰?guī)r不同礦物成分、不同水理特性做出相應(yīng)調(diào)整,包括調(diào)整施工方法、改進(jìn)支護(hù)參數(shù)、增加有效的隔水措施3個(gè)方面?？紤]到凝灰?guī)r敏感的水理特性,建議后續(xù)可加強(qiáng)凝灰?guī)r與水作用機(jī)制理論、新的表征變量、無(wú)損取樣技術(shù)以及新型灌漿材料等的研究,并探究凝灰?guī)r加固處理后的長(zhǎng)期性能演化特征。