胀岩水－岩耦合作用对隧洞衬砌变形破损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尼测试编皱号偏粘土矿倡物含量免（％）笛伊利石信绿泥石订石英滑长石傅方解石疮S01批03滑46孕17拿17搞10甲10怠S01表04盆45绢16答17独10捎12隧洞粉砂质泥岩细料物理实验成果表表2妈编号膀比重敞自由膨科胀量伪界限含答水量办颗粒分禽析（％互）斑土的名村称幸W招l陕W帖p辰I留p帐试验冻方法梅粒鸭读追荡径蓄（桃mm狼）污分散度纽>0.诞05傍0.0唇5晓~衫0.0袭05坊<0.悲005距%坚%恳％鱼粘棍1蚊2.7柿4层35.叔0做31.烂2锹17.腰8承13.岔4嗓加分散津剂卧16.瞧0鞭49.趴5走34.芝5强96.背2深粉质粘炕土趣粘剖2拿2.7脖4桨36.骡0烂31.波8贼17.丸0那14.絮8瑞不加分郑散剂购16.肉0邀50.本8重33.社2隧洞围岩物理力学指标试验成果表表3仅岩性似比重停天然容这重铲含水量业吸水率青孔隙率莲抗压强克度观软化系五数漫干瞧湿炉g/c靠m圈3捉%慎MPa利粉砂质搂泥岩盖2.6急9敲2.3治8辉2.9屯6般6.0漏3维14.慨0怎23.早2静14.屋8趴0.4匙5弱风化粉砂质泥岩膨胀力试验成果表表4扇编号小干密度聚试前押试后饱碑和度充膨胀力蔬含水率霞饱和度麦g/c静m炊3基%腹MPa全5辉－梁1什2.1红65阿7.5糕6轮75.寄0勒100成0.2愿92牌5兔－勒2崇2.3锣26旧4.4服7咬64.川9蚕92.率8嫌0.1赢01殖5英－精3总2.3降76格5.5托1痕91.吹9慰96.白3沃0.0邀73育5鼻－脉4规2.2船43警6.9规1胳81.够4百88.暂3菌0.0汉552.2围岩膨胀特性工程地质评价2.2.1隧洞围岩为粉砂质泥岩，经对其粘土矿物的X射线粉晶衍射测试成果表明，伊利石含量为45～46％，绿泥石含量为16～17％，伊利石、绿泥石总含量达62～63％，它具面－面叠聚的书状结构，为亲水性较强的粘土矿物。因此，隧洞围岩具有膨胀性岩石的物质基础。赶2.2俩.敲2限粉砂质撑泥岩粘篮粒含火量果33.源2液～宁34.锐5病％，分盏散度僚为堤96.搭2帮％，具阿有膨胀别岩的物姐理特征映。截2.2斑.寿3牌膨胀试伞验表明天：粉砂谷质泥岩胸自由膨蒙胀率垃为异3涝5途～谨36.毕2岗％去>25染%仆，膨胀眠力随饱陷和度的醒增大而已增大，旋当饱和吊度达叹到都10监0想％时，轰膨胀力戴达到其棒最大殃值间P螺max燃=0.煌292翼Mpa鸦>0.语1悦5划，按膨福胀岩分民类，它礼属于典晃型膨胀喘岩。甘3旦.篇衬砌破导坏破坏索严重程丙度分级拳据现场蜡勘查，敲按各段盾变形破办坏的严耍重程度敲，将衬甩砌变形秆破坏分荡为以笨下爆4漠类：吧Ⅰ洪类：衬苦砌中几模乎不见孩宏观（取肉眼可极见）性骨的裂缝悦，但推校测应存筋在肉眼涨不易发田觉的微窝裂隙。捕Ⅱ渡类：底套板向上陆隆起，特隆起高煮度学10~善20c蝇m绘，隆起痰中部一否般有张庭开形1.0伪~2.貌0C劳m装的裂缝阶沿轴向嘉延伸，缠裂缝大盯部分位羊于灰浆辫中。边捉墙及顶强拱几乎丸不见宏蚊观性的予裂缝。难Ⅲ疾类：底将板变形碗破坏控较考Ⅱ泥类严重挖，隆起搭高度一冈般愚为瑞24~舌55c谅m流，隆起拘部位处处灰浆与靠条石已嗓脱开，蒸裂缝宽延度尾2.0引~3.肺0C辫m灭，大辽者耐4.0屑~5.顷0C庙m邻；左、豆右边墙连向开始池向内侧材鼓出，披偏离边劈墙帮12.绢0~1瓦5.0托C世m怠，并参在隐1.0值~1.淘3各m晓高处形砖成裂缝瘦，一般忠追踪灰涌浆缝延公伸；同槐时部分督边墙还谢见有条惰石被拉巩裂、剪遗断的现拴象。吉Ⅳ股类：底糠板、边为墙破坏把情况恶与咏Ⅲ夜类基本贫相当，叼但条石度被拉裂恐、剪断大的现象睛较多些趴。且偶践见有边杂墙衬砌箱垮塌的堤现象。俗顶拱拱斤石被压喜碎、拉宪裂，顶饿拱的整累体性不僚同程度发地遭到津破坏，代失去了肃拱的作锋用。秤显然，贝衬砌变撒形破坏庙的严重避程度录从雁Ⅰ项类虎到徐Ⅳ诞类是增雹大的。抵隧洞衬还砌变形罚破坏的嚼分段情染况见普表甲5伏衬砌变予形破坏狱分段情爆况一览扶表表5过分段桩姿号劫0+0川00~泊0+2堵50烧0+2头50~诉0+3庆14盏0+3惩14~幸0+5蚀88隔0+5灵88~瞎0+8鼠71.枝5铃0+8帆71.嗓5~1承+07塞1亦1+0爆71~吩1+1录55.婶6室破坏类妖别浪Ⅰ顶Ⅱ愤Ⅲ晌Ⅳ药Ⅲ赶Ⅰ由破坏程拌度评价淹轻微遗一般糠较严重沫严重库较严重签轻微袍表筝5盖表明，株破坏严然重的班（陈Ⅳ哄类）段咱次位于脑隧洞的铁中部，傻由此向斗进、出亿口两个减方向破氧坏程度吐为较严叶重各（烧Ⅲ舌类）、旅一般浮（雀Ⅱ测类）、冰轻微械（见Ⅰ衔类）。胸4耍.昂隧洞衬昂砌变形扬破坏机庆制分析组4.查1狗隧洞围宋岩的膨菠胀是衬巷砌变形旷破坏的用基本条炒件聪在工程肯上的膨朽胀岩是减指在卸听荷条件难下，由艰于水与慎岩石的礼物理化乔学作用玩导致含逃水量的照增高、摄体积膨南胀的岩润石。幕回龙宫杨隧洞为核一灌溉代输水隧辫洞，其谈运行方垄式为每刻年冰3粮～旨8毫月分隧割洞输水嫁，骂9怪月至次茶年猛2皇月底隧廉洞则停摩止运行谊。同时径在输水雁期间，魄按灌溉胡需要不女同时段夫甚至每虏日还存纳在输水楼、停水馆变化。佳隧洞运墙行过程睬的这种弓干、湿仙循环对或粉砂质蔽泥岩的型膨胀提毯供了外蔽部条件取。同时辨水位的球变化也假是对隧傲洞衬砌差及其围赞岩的加篮荷、卸慨荷过程篇。掌围岩作岸用于衬逃砌的膨题胀力即徐为导致炮其变形处破坏的折主要原辨因之一扮。暮4.1撞.悦1晓围岩膨遥胀机制串由于隧趣洞围岩道的矿物理成分以笛伊利石及（拥K<1颈Al越2[(城Si,欠Al)不4O1姐0(O虑H)2豪.nH川2O京]抽）与绿豆泥石（扁（日Mg,爷F植e相）受5剖(姨Al,取Si萍3扎O丽10财)(O申H)艰8岗）为主冤，它们窗对水具毙有较强壁的吸附恶作用。呈这类岩邮石的膨式胀力主姜要来源鬼于岩石舱中孔隙捉与裂隙晕对水的模吸附产指生穷的高“宽楔裂压称力呆”皇。现场透取粉砂弱质泥岩饭作崩解聋试验，套当岩块艳试样置山于水中签后，可膛以看到眉试样开涉始出现干大小不奸等的裂登隙，然故后随着探裂隙的影发展崩数解成大优小不同库的碎块展，这种剂碎块往臣往难以悔进一步刺分散，吊浸泡的廉水也常雪常是清墙澈的。羽我们称铺这类崩痒解练为茧“亮楔裂性初崩闲解滴”虹。这与闹含蒙脱类石为主雄的粘土嗽岩浸水狼后开始闷吸水膨蔽胀并有情鳞片状剩碎屑物虫崩落、欢分散使惰浸泡水耍发生浑顷浊的机通理是不醉同的，在后者的潜崩解可垒称病作术“膝分散型洗或彭胀能型崩傻解并”歉。违我们知嚷道，隧虹洞围岩六中是存扇在孔隙般与裂隙误的。孔傍隙形成副于成岩万过程；棚而裂隙顺则有两昼类欧：秀①耳岩石中需原有构善造、风丸化裂隙投，裳②滋施工开途挖过程晨中的爆算破裂隙穿松弛圈巾内的松遮弛裂隙兵。据试晶验资料红组成隧为洞粉砂工质泥岩浮的孔隙章率（包渣括孔隙妈和案第欧①桶种裂隙找）增为清14.反0呈％，这疑是比较乏高的，样这其中寇还不包谷括放第沾②洞种裂隙筒。随粉砂质晃泥岩中蜡的孔隙阶与裂隙变表面是兴其岩石初结构体练系中那的忘“挺水简—每岩相界殖面懂”他的主要狠部分，景它具有端较大的呢表面能该，与水捞接触时丈能强烈语地吸附等水分子俯。吸附拘将使其饥表面能愧减小，锋减小的弄表面能禽一部分绝以湿润猪热的形城式逸散焰，另一烤部分则努转化为造促使岩井石丸“丑水徐—轨岩相界镇面承”腥增大的刚力学破桃坏能，爽即前疗述裂“纺楔裂压西力航”阶，终“盐水很—与岩相界运面劲”卸的增大傍必将导肃致岩石炒体积的纵膨胀和吸崩解，赛以及由姥此产生辈的膨胀辈力；岩索石的膨邮胀和崩秒解将产凶生新塔的毒“圣水拢—航岩相界测面油”披，从而拿形成新翁的却“鄙楔裂压遣力金”肢。这种项逐渐放外大的累阴进性膨含胀、崩很解作用汉就是以兔伊利石挽为主要轧矿物成清分的粘哀土岩的教膨胀机镰制。我不们把导辟致岩石衬膨胀的恒水与岩丈石间逐待渐放大莲的累进储性膨胀久、崩解恩作用定买义为水蚁－岩耦税合作用殊。蒙4.1削.框2卸膨胀力捕与岩石煎环境挣据有关紫资料：阁岩石的稍最大膨炕胀力与倦环境湿透度的变花化密切匠相关铺，泪S.L秩.Hv锹an径g难等通过是侧向约浙束实验想得出了怒最大膨暑胀力与筑相对湿叨度涛R病H计及湿度而变化指怪数敌I肝RH痛的关系炭模型：触P承max写2旋+1.垂473炊I荷RH闪+0.阅013敞2IR夹H因2区-0.卵014蹈5RH稼×I炭RH杜+0.片959抄4边是中旷，猫P赏max躁为最大仍膨胀压萍力，单理位荡：蒜Mp涌a讯。钉即，最技大膨胀料压力与切湿度变件化指秘数星I联RH些呈平方单关系变炭化，由著此表明欣，膨胀势压力对窑湿度的紧变化是唐十分敏鹊感的。疮如前所愧述，隧斧洞运行锣过程中随的干、看湿循环慢无凝将房产生较咐大的湿斤度变化烛，这就澡极可能歪使粉砂惑质泥岩验达到其解最大膨衬胀力。更据试验状成果，骡回龙宫含隧洞最铺大膨胀董力羊P勇max板=0.滤292冬MP晨a袜。赶膨胀岩片在干、阿湿循环嘱作用下己的膨胀宣与收缩未是一个恼可逆过棚程，可府表示如宽下：骆反复的诸干湿循盐环导致侄了岩石精的反复真膨胀与典收缩，矛相当于扬给隧洞举衬砌的详反复加捆荷与卸袄荷。慢4.1喂.能3耽围岩膨注胀导致伏隧洞衬沃砌变形妖破坏的扶机制终隧洞衬床砌材料链为犯10殊0制＃浆砌含条石，傲一般地疫讲，灰毕浆与条午石的热士胀特性朱能是不漂同的。介环境温隆度与湿快度的变疮化，将铜首先导哈致沿灰船浆与条性石的薄祖弱部分删产生裂克纹。隧上洞水正建是从这皱种裂纹覆首先渗税入到衬沃砌背后圆的围岩堤孔隙与败裂隙中鸽，由此退为岩石摊的膨胀钉提供了隐外部条抬件，而志岩石的馆膨胀力丘反作用吓于衬砌粱上使得蛙条石灰闻浆间的资裂纹进败一步扩育展。这耀样水的逼入渗与修岩石的旦膨胀作察用就形休成了另痛一种逐宰渐放大虎的耦合肾作用，梅直至导选致衬砌说的开裂铅与破坏汪。馆4.油2米岩石蠕俭变对衬触砌的变纵形破坏挽作用任隧洞埋枝深较大逝，一般去为军60~梁100勤m坟，中部喇达捞170献m梢，围岩英自重应份力较大珍；而组穴成隧洞向围岩的知粉砂质杜泥岩湿触抗压强肾度势为窃14.贩8Mp粉a握,啄软化系存数旺0.4惧5总，属软锋岩。软谣岩围岩宣在较大油自重应驶力下必席然产生袋蠕变收纽敛。围肯岩的蠕它变收敛叉也将导街致岩石危形成新同的裂隙辩与坐“鸦水－岩在相界泼面为”凯，由此壮导致岩牢石的进同一步膨捞胀岩石越的蠕变技收敛与逼膨胀变律形相互处叠加形躺成了第连三种逐债渐放大粗的耦合乞作用。通这种作眠用加剧胸了衬砌振的变形亭与破坏抛。陈4.游3物隧洞衬按砌变形圆破蒙水－岩洁耦合作榆用是岩指石膨胀深、崩解伙的机制进，隧洞裂水沿衬挨砌裂纹桂入渗与镇岩石的系膨胀所百形成的震逐渐放稻大的耦趟合作用吗最终导远致了浆围砌条石瓣的开裂洁与破坏院；粘土趣岩软岩式的蠕变找收敛与袍膨胀变段形相互脆叠加的棋耦合作茅用加剧香了衬砌绩的开裂魔与破坏引。衔现场勘赚察可以肯看出隧跨洞衬砌肃的变形君破坏顺底序如下慕：首先丧是底板反中开裂弯并向上旷鼓起，脆其次是阅边墙中娃部的开迟裂并向演内鼓起旦，最