軟巖隧道變形失穩(wěn)機(jī)理及處置對(duì)策研究

秦 文 楊緒祥

1 問(wèn)題的提出

長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外從事采礦、水電、隧道工程及巖石力學(xué)理論與實(shí)踐的工作者們,在軟巖理論及支護(hù)與控制方面進(jìn)行了大量的研究,但迄今為止,尚沒(méi)有比較完善的理論與十分有效的手段來(lái)解決這一問(wèn)題[1]。軟巖工程問(wèn)題在隧道行業(yè)表現(xiàn)的更為突出,據(jù)統(tǒng)計(jì),僅在隧道行業(yè),隧道因軟巖膨脹而產(chǎn)生的維護(hù)費(fèi)用高達(dá)5 000萬(wàn)元以上[2]。另外在云南的部分隧道中也遇到了膨脹巖土工程問(wèn)題。本文采用X射線分析、微觀結(jié)構(gòu)掃描、膨脹率等試驗(yàn)對(duì)隧道失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行研究。

2 工程概況

某隧道處于灰?guī)r、碳酸鹽巖及二者接觸帶中,隧道圍巖附近存在大量的灰?guī)r、沉積火山碎屑巖等軟巖,圍巖強(qiáng)度低、易風(fēng)化,在隧道掘進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)垮落、側(cè)幫變形、底板鼓脹等危害,影響隧道的正常施工和運(yùn)營(yíng)。

3 隧道變形嚴(yán)重地段調(diào)查

針對(duì)變形嚴(yán)重的地段開(kāi)展工程地質(zhì)調(diào)查,通過(guò)綜合分析、對(duì)比得出:1)隧道變形是位于斷層破碎帶中;2)變形隧道位于灰?guī)r和碳酸鹽巖的接觸帶或灰?guī)r中,隧道的變形主要是灰?guī)r發(fā)生膨脹造成的;3)隧道變形嚴(yán)重的地點(diǎn),均有不同程度地下水活動(dòng),地下水的活動(dòng)直接影響到支護(hù)的成敗。

4 灰?guī)r膨脹變形試驗(yàn)研究

4.1 灰?guī)r礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)研究[3,4]

1)灰?guī)r礦物X射線檢測(cè)及試驗(yàn)結(jié)果分析。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析,對(duì)隧道不同地段取樣,進(jìn)行X射線衍射分析鑒定。通過(guò)X衍射鑒定分析發(fā)現(xiàn),灰?guī)r中含有膨脹性黏土礦物,從其具體含量可以看出,灰?guī)r中含有大量的膨脹成分,以蒙脫石、高嶺石為主,A2試樣蒙脫石其膨脹量在27%以上。可見(jiàn)隧道的變形破壞是由膨脹礦物作用造成的,由于膨脹礦物是在水的作用下不斷發(fā)生的,因此膨脹變形是有一定時(shí)間的,由于后期形成的膨脹壓力是直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上,其破壞性對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響很大。

2)灰?guī)r的微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析。通過(guò)對(duì)軟巖的微細(xì)結(jié)構(gòu)研究不但可以知道當(dāng)前膨脹性灰?guī)r的微觀結(jié)構(gòu),還可以分析地質(zhì)歷史對(duì)它的影響。對(duì)軟巖進(jìn)行偏光鏡試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。巖石蝕變強(qiáng)烈,原礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造已無(wú)法辨認(rèn),蝕變后的礦物組合主要由顯微隱晶質(zhì)高嶺石、伊利石、鐵泥質(zhì)、少量石英和大量黏土礦物等組成,局部高嶺石、鐵泥質(zhì)相間呈不規(guī)則條紋,構(gòu)成假流動(dòng)構(gòu)造。

4.2 灰?guī)r膨脹變形試驗(yàn)研究

4.2.1 自由膨脹率試驗(yàn)

對(duì)隧道變形嚴(yán)重的地段進(jìn)行膨脹率試驗(yàn),自由膨脹率的計(jì)算公式:

其中,Fs為自由膨脹率;V1為膨脹后的體積;V0為試樣的原體積。

經(jīng)試驗(yàn),膨脹率與粒徑的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2;膨脹率與時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。試驗(yàn)結(jié)果表明:灰?guī)r屬于膨脹性巖體,在水的作用下很快會(huì)發(fā)生一定量的膨脹。在無(wú)擾動(dòng)狀態(tài)下,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),膨脹變化不大。通過(guò)對(duì)不同顆粒粒徑的自由膨脹試驗(yàn)表明,顆粒越小,膨脹量越大。粒徑小于0.5 mm的巖石試樣平均膨脹率為40%,自由膨脹率最大;粒徑在1 mm～2 mm的試樣膨脹率最小,平均只有15%。自由膨脹率的大小和粒徑成反比,自由膨脹率的大小受粒徑的影響很大。

4.2.2 膨脹率與荷載關(guān)系試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)可知:1)灰?guī)r在不同荷載下的膨脹率是不同的;無(wú)荷載狀態(tài)下,膨脹量最大,隨著外荷載的增加,膨脹量逐漸降低;2)在同一含水率和密度狀況下,隨著反復(fù)膨脹次數(shù)的增多,膨脹有逐漸減小的趨勢(shì),但膨脹總會(huì)發(fā)生,不會(huì)為零;3)在含水率一定的狀態(tài)下,隨密度的增大,膨脹變形一般呈變小的趨勢(shì);4)在同一外荷載作用下,初始含水率越小,膨脹量越大,初始含水率越大,阻止膨脹的作用越大;5)在一次浸水膨脹中,初期膨脹速度最快,一般在30 min～60 min內(nèi)已完成基本膨脹,后期雖然有膨脹發(fā)生,但顯現(xiàn)緩慢,初期快速膨脹的時(shí)間一般在30 min內(nèi);6)隨著荷載的增加,膨脹率表現(xiàn)出逐漸減低的趨勢(shì),當(dāng)外荷載增加到某一值后,膨脹變形基本不再發(fā)生。當(dāng)外荷載不足以克服膨脹力時(shí),膨脹變形總會(huì)發(fā)生,只是由于外荷載的存在,使膨脹減弱,但初始膨脹變形仍然很大。

4.2.3 不同含水率狀態(tài)下的膨脹力試驗(yàn)

為研究水含量對(duì)膨脹力的影響,取不同含水率的巖石進(jìn)行了膨脹力的測(cè)定,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。通過(guò)試驗(yàn)可知:隨著含水率的不斷增加,膨脹力逐漸降低;膨脹力隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大,最后趨于穩(wěn)定狀態(tài),一般在2 h～3 h內(nèi),在初始階段膨脹力增長(zhǎng)速度較快,呈非線性狀態(tài);所取樣品試驗(yàn)的最大膨脹力達(dá)1.5 MPa,最小膨脹力僅0.3 MPa。通過(guò)試驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果可知:1)支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)阻力應(yīng)根據(jù)膨脹地壓的大小,作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,過(guò)小的支護(hù)阻力不足以滿足膨脹地壓的控制要求;2)膨脹力與初始含水量密切相關(guān),減少水的影響可以有效的減少支護(hù)外荷載的大小;3)最大膨脹地壓達(dá)到1.5 MPa;4)對(duì)于較大膨脹力的隧道支護(hù),單純依靠外力支護(hù)存在支護(hù)困難和費(fèi)用較高等局限,因此充分發(fā)揮巖體的強(qiáng)度和減少膨脹的顯現(xiàn)是必須考慮的重要措施。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)隧道變形嚴(yán)重的地段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,確定了影響隧道變形的主要因素。對(duì)于該工程隧道可以采用以下措施對(duì)隧道進(jìn)行支護(hù):1)灰?guī)r是客觀存在的,減少水的影響,控制水的滲入,是隧道支護(hù)工程中阻止灰?guī)r變形的主要途徑。2)灰?guī)r在水體的作用下初始膨脹速度較快,一般在30 min～60 min內(nèi)膨脹基本完成;后期膨脹較緩慢,對(duì)灰?guī)r的處理和加固,在隧道開(kāi)挖后允許其發(fā)生一定變形,使內(nèi)部膨脹應(yīng)力得到釋放,待變形穩(wěn)定后再進(jìn)行工程處理。3)在實(shí)際工程中應(yīng)盡可能保持灰?guī)r巖體內(nèi)部的含水狀態(tài)的穩(wěn)定,阻止含水狀態(tài)大的波動(dòng)和變化?？刹捎眉訌?qiáng)密閉工作面的辦法來(lái)避免過(guò)大的濕熱變動(dòng)。

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