胀岩水－岩耦合作用对隧洞衬砌变形破坏的机制及施工设计要点三

膨胀岩水－岩耦合作用对隧洞衬砌变形破坏的机制分析及施工设计要点四川盆地广布紫红色粉砂质泥岩、泥岩等红色地层（俗称“红层”），其特点是岩石质地软弱，遇水易崩解、膨胀。本文以四川省升钟灌区左分干渠回龙宫隧洞衬砌的变形破坏为例，研究了隧洞围岩的膨胀特性。由此出发分析了该类膨胀围岩膨胀机制，提出了水－岩耦合作用的概念，以及岩石环境对膨胀影响，在此基础上述了回龙宫隧洞衬砌变形破坏的原因。最后阐述了膨胀围岩隧洞的施工、设计要点。1.工程概况回龙宫隧洞位于四川省阆中县境内，为升钟灌区左分干渠上的一座隧洞，隧洞全长1155.6m。隧洞于1987年动工兴建，1992年4月竣工，1994年开始通水。断面型式为城门洞形，隧洞宽2.5m，直墙高2.1m，顶拱为150o圆心角；边墙、底板、顶拱采用浆砌条石和局部现浇砼衬砌。经2002年汛末检查，顶拱沿浆砌拱石灰缝出现多处开裂，部分拱石剪切破坏，甚至压碎、脱落；边墙中部出现多处水平裂缝，最宽达3cm，已出现多处垮塌；底板浆砌条石向上凸起，凸起高最高达55cm，损坏严重。2.基本地质条件概况工程位于四川盆地东北边缘的丘陵地区。构造上属川中旋钮构造体系中台山半环状构造的八角场背斜北翼，岩层产状N55°E/NW<1°；岩体中一般发育两组裂隙①N50~70°E/NW<76~81°，②N30~50°W/NE<75~84°。裂面起伏粗糙，见铁质薄膜。据勘探与施工开挖资料，隧洞位于侏罗系上统蓬莱镇组紫红色粉砂质泥岩中，其间夹有灰白色砂岩透镜体。按水利水电地下工程围岩分类方案，各段围岩类别划分如下：进口段（0+000~0+200）：洞顶以上新鲜粉砂质泥岩厚度为1.0~1.5倍洞径，有地下水渗出，围岩类别属Ⅴ类。洞身段（0+200~1+075.0）：洞室位于新鲜粉砂质泥岩中，无地下水活动，围岩类别属Ⅳ类。出口段（1+075.0~1+155.6）：洞顶以上新鲜粉砂质泥岩岩体厚度为1.0~2.0倍洞径，围岩类别属Ⅴ类。2.围岩膨胀特性研究对组成隧洞的粉砂质泥岩的矿物成分、颗粒级配特点、分散度，物理力学指标及膨胀特性等特性的取样试验，试验成果见表1、表2、表3及表4。隧洞粉砂质泥岩粘土矿物成分X射线粉晶衍射测试成果表表1值测试编号扎粘土矿物含量浸（％）其伊利石斧绿泥石躺石英帅长石笼方解石户S0103峡46派17矩17该10染10稻S0104荷45燥16柔17鲁10嗽12隧洞粉砂质泥岩细料物理实验成果表表2着编号葡比重盛自由膨胀量攻界限含水量菌颗粒分析（％载）费土的名称膏W跳l渡W设p蕉I项p漂试验坚方法堵粒滚宜筝径凡（验mm南）攻分散度仅>0.05讽0.05值~揉0.005驰<0.005惠%伸%鱼％蹦粘移1蝴2.74秩35.0寒31.2踩17.8智13.4绪加分散剂萄16.0治49.5欢34.5棍96.2概粉质粘土甩粘涛2宫2.74咳36.0启31.8叙17.0慎14.8辨不加分散剂淹16.0泊50.8丰33.2沫隧洞围岩物理县力学指标试验该成果表表3孔岩性绝比重烫天然容重专含水量震吸水率歌孔隙率奇抗压强度仙软化系数弱干赔湿按g/cm寺3蹦%势MPa卷粉砂质泥岩促2.69输2.38呜2.96巩6.03下14.0戚23.2慈14.8肾0.45别弱风化粉砂质劫泥岩膨胀力试众验成果表表4饲编号册干密度轧试前宋试后饱和度誓膨胀力冷含水率易饱和度颠g/cm波3桃%漂MPa尿5状－姻1棕2.165锐7.56欺75.0功100奴0.292烂5以－出2烧2.326昼4.47伐64.9痰92.8口0.101候5够－瓦3炎2.376拥5.51仰91.9违96.3伴0.073途5蛾－僚4驻2.243程6.91青81.4饰88.3吗0.055委2.史2恩围岩膨胀特性意工程地质评价麦拒隧洞围岩为粉供砂质泥岩，经病对其粘土矿物比的贝X慌射线粉晶衍射校测试成果表明传，伊利石含量演为瓣4誓5继～抖4辣6的％，绿泥石含亩量瓶为哈1亭6望～虑1责7枝％，伊利石、位绿泥石总含量串达慎6畜2汉～柳6晨3市％，它具面－竟面叠聚的书状抱结构，为亲水属性较强的粘土握矿物。因此，奴隧洞围岩具有廊膨胀性岩石的旬物质基础。微盏粉砂质泥岩粘碍粒含译量漆33.触2嫁～乔34.事5葬％，分散度救为察96.柜2浆％，具有膨胀帜岩的物理特征尿。停蓬膨胀试验表明士：粉砂质泥岩汇自由膨胀率丈为闻3锤5传～描36.构2纳％缓>25先%挂，膨胀力随饱昏和度的增大而半增大，当饱和僻度达航到赤10碗0锈％时，膨胀力疫达到其最大张值堪P讨max然=0.292益Mpa>0.躬1窜5竟，按膨胀岩分栋类，它属于典炼型膨胀岩。充3待.吃衬砌破坏破坏肚严重程度分级疲据现场勘查，盐按各段变形破总坏的严重程度恰，将衬砌变形浴破坏分为以校下例4准类：静Ⅰ滑类：衬砌中几膊乎不见宏观（弃肉眼可见）性寨的裂缝，但推映测应存在肉眼薯不易发觉的微庆裂隙。甜Ⅱ您类：底板向上浓隆起，隆起高蛛度挺10~琴20cm土，隆起中部一艇般有张扩开兽1.0~授2.0Cm户的裂缝沿轴向式延伸，裂缝大抛部分位于灰浆仁中。边墙及顶怕拱几乎不见宏姐观性的裂缝。汁Ⅲ蚊类：底板变形愉破坏芽较谜Ⅱ绍类严重，隆起往高度一般异为锋24~叛55cm偿，隆起部位处剃灰浆与条石已属脱开，裂缝宽勒度荷2.0~书3.0Cm灶，大礼者蒜4.0~灾5.0Cm橡；左、右边墙杀向开始向内侧争鼓出，偏离边斜墙桐12.0~泪15.0Cm江，并追在袭1.0~盖1.3m拖高处形成裂缝笑，一般追踪灰棚浆缝延伸；同链时部分边墙还馅见有条石被拉坡裂、剪断的现拾象。租Ⅳ描类：底板、边食墙破坏情况秒与致Ⅲ童类基本相当，册但条石被拉裂室、剪断的现象林较多些。且偶顺见有边墙衬砌姨垮塌的现象。该顶拱拱石被压咽碎、拉裂，顶您拱的整体性不跑同程度地遭到旅破坏，失去了汇拱的作用。膏显然，衬砌变晶形破坏的严重煌程度我从稼Ⅰ化类渗到命Ⅳ驾类是增大的。明隧洞衬砌变形浩破坏的分段情密况见扩表待5未衬砌变形破坏都分段情况一览毁表表5楼分段桩号插0+000~忆0+250防0+250~扫0+314拴0+314~兄0+588校0+588~熔0+871.轮5概0+871.究5~1+07棕1西1+071~类1+155.革6习破坏类别条Ⅰ抱Ⅱ推Ⅲ虎Ⅳ产Ⅲ透Ⅰ狗破坏程度评价扔轻微水一般墓较严重裹严重屿较严重高轻微双表携5栋表明，破坏严跌重的尖（谋Ⅳ鄙类）段次位于睁隧洞的中部，坏由此向进、出票口两个方向破倦坏程度为较严糠重狮（论Ⅲ五类）、一般部（铺Ⅱ肥类）、轻微丑（递Ⅰ嫂类）。锻4滨.胁隧洞衬砌变形劣破坏机制分析关4.掉1混隧洞围岩的膨艰胀是衬砌变形歌破坏的基本条退件般在工程上的膨声胀岩是指在卸臭荷条件下，由勤于水与岩石的瓶物理化学作用洒导致含水量的钉增高、体积膨扰胀的岩石。弓回龙宫隧洞为巴一灌溉输水隧掩洞，其运行方拾式为每注年销3善～挪8柴月分隧洞输水脚，利9砍月至次乓年伶2眯月底隧洞则停土止运行。同时售在输水期间，参按灌溉需要不绕同时段甚至每狭日还存在输水霸、停水变化。岗隧洞运行过程蜓的这种干、湿停循环对粉砂质外泥岩的膨胀提言供了外部条件役。同时水位的草变化也是对隧瑞洞衬砌及其围得岩的加荷、卸粘荷过程。在围岩作用于衬袋砌的膨胀力即旨为导致其变形磁破坏的主要原压因之一。萍扰围岩膨胀机制袭由于隧洞围岩距的矿物成分以沫伊利石凳（执K<1Al腐2[(Si,柱Al)4O1膀0(OH)2旋.nH2O撞]可）与绿泥石（否（真Mg,F遣e蜜）依5雄(危Al,Si蛋3案O古10稍)(OH)巾8眯）为主，它们铸对水具有较强伍的吸附作用。谁这类岩石的膨诞胀力主要来源幼于岩石中孔隙年与裂隙对水的嘉吸附产生途的产“浸楔裂压晨力话”氧。现场取粉砂妹质泥岩作崩解病试验，当岩块洞试样置于水中成后，可以看到丸试样开始出现悲大小不等的裂速隙，然后随着铲裂隙的发展崩胀解成大小不同础的碎块，这种零碎块往往难以辰进一步分散，剪浸泡的水也常长常是清澈的。浮我们称这类崩雷解咸为息“单楔裂性崩场解亡”秆。这与含蒙脱续石为主的粘土耐岩浸水后开始柴吸水膨胀并有蜜鳞片状碎屑物炼崩落、分散使派浸泡水发生浑棵浊的机理是不舱同的，后者的危崩解可称渔作庆“纠分散型或彭胀羡型崩蛮解般”巩。尾我们知道，隧层洞围岩中是存楚在孔隙与裂隙冈的。孔隙形成鹿于成岩过程；箱而裂隙则有两宅类宗：德①娇岩石中原有构凳造、风化裂隙龙，就②虾施工开挖过程杏中的爆破裂隙疾松弛圈内的松牵弛裂隙。据试欺验资料组成隧昨洞粉砂质泥岩凳的孔隙率（包激括孔隙和获第千①档种裂隙）驻为她14.储0息％，这是比较傻高的，这其中混还不包括呈第这②潜种裂隙。潜粉砂质泥岩中衔的孔隙与裂隙盟表面是其岩石菠结构体系中振的倍“满水腾—团岩相界鼠面叨”果的主要部分，端它具有较大的惯表面能，与水抚接触时能强烈近地吸附水分子拐。吸附将使其组表面能减小，烘减小的表面能善一部分以湿润介热的形式逸散违，另一部分则还转化为促使岩可石芝“勇水欣—耻岩相界雕面欢”宽增大的力学破监坏能，即前适述泛“箩楔裂压回力国”蚂，章“午水伸—斥岩相界窝面龄”这的增大必将导累致岩石体积的得膨胀和崩解，废以及由此产生残的膨胀力；岩鹊石的膨胀和崩绍解将产生新是的棒“掘水杰—廉岩相界愚面芦”杂，从而形成新附的悄“乓楔裂压戴力螺”弹。这种逐渐放制大的累进性膨玉胀、崩解作用浪就是以伊利石吗为主要矿物成预分的粘土岩的老膨胀机制。我谋们把导致岩石慎膨胀的水与岩姓石间逐渐放大将的累进性膨胀采、崩解作用定兰义为水－岩耦民合作用。并导膨胀力与岩石丹环境狡据有关资料：列岩石的最大膨贤胀力与环境湿名度的变化密切察相关们，伐妙an鱼g驶等通过侧向约仓束实验得出了狸最大膨胀力与狼相对湿违度恶R血H乡及湿度变化指躲数锡I杆RH筑的关系模型：拥P肤max付=0.068俱6RH-0.砍008RH饿2蹲+1.473时I亮RH阶+0.013奏2IRH赢2蛋-0.014描5RH×I四RH户+0.959搅4皂是中杆，殃P谢max奖为最大膨胀压我力，单位蛾：握Mp喜a凑。进即，最大膨胀晴压力与湿度变名化指升数陶I丑RH票呈平方关系变晴化，由此表明森，膨胀压力对椅湿度的变化是活十分敏感的。疮如前所述，隧桨洞运行过程中凯的干、湿循环桥无凝将产生较括大的湿度变化倾，这就极可能晚使粉砂质泥岩节达到其最大膨控胀力。据试验管成果，回龙宫遗隧洞最大膨胀火力周P发max及=0.292团MP冰a位。滨膨胀岩在干、鸽湿循环作用下迷的膨胀与收缩址是一个可逆过园程，可表示如室下：莫反复的干湿循悲环导致了岩石逝的反复膨胀与诉收缩，相当于甚给隧洞衬砌的鹿反复加荷与卸宗荷。碎颂围岩烈膨胀点导致隧洞衬砌发变形破坏的机套制蔑堤隧洞衬砌材料商为鞭10默0俊＃浆砌条石，边一般地讲，灰乔浆与条石的热让胀特性能是不夸同的。环境温声度与湿度的变蛋化，将首先导察致沿灰浆与条径石的薄弱部分柴产生裂纹。隧旷洞水正是从这荡种裂纹首先渗商入到衬砌背后攀的围岩孔隙与退裂隙中，由此桨为岩石的膨胀音提供了外部条气件，而岩石的梅膨胀力反作用皮于衬砌上使得叔条石灰浆间的血裂纹进一步扩北展。这样水的砌入渗与岩石的耻膨胀作用就形附成了另一种逐谁渐放大的耦合裂作用，直至导芒致衬砌的开裂迈与破坏。抖4.误2枯岩石蠕变对衬怪砌的变形破坏往作用跨隧洞埋深较大仓，一般乳为奇60~逝100m裕，中部达鹅170m私，围岩自重应锈力较大；而组忍成隧洞围岩的弯粉砂质泥岩湿挥抗压强度斥为投14.8Mp尘a龟,镇软化系执数佩0.4容5僵，属软岩。软驱岩围岩在较大尝自重应力下必众然产生蠕变收拴敛。围岩的蠕屯变收敛也将导江致岩石形成新续的裂隙肚与采“迈水－岩相界毫面吉”仅，由此导致岩辛石的进一步膨巴胀岩石的蠕变寄收敛与膨胀变错形相互叠加形闯成了第三种逐冬渐放大的耦合盐作用。这种作丧用加剧了衬砌封的变形与破坏团。摄4.助3斧隧洞衬砌变形术破予水－岩耦合作榨用是岩石膨胀哗、崩解的机制蜻，隧洞水沿衬办砌裂纹入渗与盒岩石的膨胀所碧形成的逐渐放迫大的耦合作用再最终导致了浆难砌条石的开裂勾与破坏；粘土汁岩软岩的蠕变弦收敛与膨胀变芬形相互叠加的倘耦合作用加剧保了衬砌的开裂旺与破坏。届现场勘察可以厨看出隧洞衬砌冬的变形破坏顺查序如下：首先态是底板中开裂飘并向上鼓起，亡其次是边墙中热部的开裂并向渴内鼓起，最后折导致顶拱拱座陪失去支撑而开樱裂。狂5在.这膨胀围岩隧洞腿设计、施工要驻点。奇据上述围岩膨谅胀对衬砌的破镰坏机理，可得美出膨胀围岩隧搅洞的设计与施峰工要点矮5.课1罚施工开挖过程葡中应及时封闭女衬砌，以减轻支或避免围岩的累风化、风干，吉特别是围岩湿筒度条件及含水厌量的变化。施滩工方法应采用刷浅眼多循环开饼挖方案，优先丝选用光面爆破滚坏。施工时应锡处理好地下水桑的引排、尽量狼减少对围岩的厘浸泡。滔5.观2祸施工过程中对取超挖部分的回弃填应选用块（世卵）石混凝土备或浆砌块石等累非膨胀材料；抹禁止使用膨胀雁岩围岩的母岩