凝灰巖水理性及相應隧洞圍巖失穩防治技術綜述

陳 興 周,張 旭,李 文 新,劉 立 鵬

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院,陜西 西安 710054; 2.新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000; 3.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室,北京 100038)

0 引 言

巖體強度和變形特性受地下水影響顯著,由地下水引起的圍巖強度弱化、持續變形及工程事故在世界各類地下工程中均有報道[1-3]。研究巖石水理特性對于評判由水的作用引發的圍巖失穩并提出針對性支護措施具有重要意義。目前對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。凝灰巖在中國分布廣泛,穿越此類地層的各類隧洞工程較多,然而對其水理特性的研究卻少見。

凝灰巖是一種中酸性火山碎屑巖,由火山噴發的顆粒中較細的火山灰固結成巖,形成原因可包括:火山爆發、火山噴溢、火山巖相產出、呈侵入接觸產出、經變質后的凝灰巖[12]。不同成巖作用使得內部組分結構分為巖屑、晶屑、玻屑3種,碎屑物按物性可分為剛性、半塑性、塑性[13]。組分結構和物性的差異,以及風化、蝕變的影響,使得凝灰巖具有差異明顯的物理力學和水理特性。

一些地區凝灰巖內部結構致密堅硬,具有較高的韌性且組分對水不敏感,地下水的侵蝕作用不明顯,如朱溪水庫工程中凝灰巖在飽和狀態下抗壓強度最高可達240.1 MPa[14];而一些地區凝灰巖遇水表現出軟化[15-16]、泥化[17]、膨脹性[18-20]、甚至崩解性[21-22](見表1)。

表1 凝灰巖不同水理特性及物理力學性質Tab.1 Different hydrological and physical-mechanical properties of tuff

深埋隧洞建造過程中所遭遇凝灰巖一般較為新鮮,但在開挖擾動以及地下水共同作用下,會表現出明顯劣化現象,工程處理不當會給圍巖穩定、支護安全帶來影響[23-24]。對于穿越凝灰巖夾層的水工隧洞,通過分析運行期賦存條件發現,軟弱夾層承載能力較低,加之內外水共同作用,會引起襯砌開裂造成圍巖承受部分內水壓力,接觸面產生分離和滑移區[25],對圍巖穩定產生影響。并且在遭遇膨脹性凝灰巖地層時,圍巖具有一定膨脹性和流變特性,對二次襯砌結構安全和隧洞長期穩定運行產生嚴重影響[26-27]。因此,研究掌握凝灰巖水理特性對于評判由水的作用導致的圍巖失穩風險,并提出針對性支護措施具有重要意義。鑒于此,本文收集整理了國內外凝灰巖相關研究文獻,對其成分、結構及水理特性進行歸納總結,分析水理特性差異原因,并總結凝灰巖地層圍巖主要支護措施,最后對凝灰巖水理特性研究中需進一步研究的內容進行了展望。

1 凝灰巖水理特性

1.1 成分與結構

隨著距離火山口位置的不同,火山灰供給程度不同,造成凝灰巖種類多樣且具有較強的非均質性,導致凝灰質含量和礦物成分差異較大。如圖1所示:臨近火山口地區晶屑含量較高,形成晶屑玻屑凝灰巖;距離火山口越遠,玻屑含量越高,形成玻屑凝灰巖;當距離過遠時,火山灰含量減少以及受陸源碎屑影響形成泥質凝灰巖或凝灰質泥巖以及凝灰質粉砂巖或凝灰質砂礫巖[28-29]。

圖1 凝灰巖巖相平面展布[29]Fig.1 Planar distribution of tuff lithofacies[29]

晶屑玻屑凝灰巖中黏土礦物含量一般為10%～30%,且脫?；a生的黏土礦物易向伊蒙混層轉化;玻屑凝灰巖內部黏土礦物主要是由脫?；饔卯a生,其含量一般小于10%;泥質凝灰巖和凝灰質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,泥質凝灰巖易與水發生反應,水理特性較明顯,而晶屑玻屑和玻屑凝灰巖脫?；^程中容易產生石英,黏土礦物含量較少,水理特性一般不明顯。由表2中部分工程中凝灰巖物理性質可知,成巖礦物多為石英、長石、方解石,所含黏土礦物則多為高嶺石、蒙脫石、伊利石,化學成分主要包含SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO。從成份上分析,這其中石英較難溶于水、且強度較大;長石、長英質和斜長石抗風化能力較差、易受擾動、強度較小;蒙脫石、伊利石、高嶺石不僅水理特性明顯且易受風化侵蝕,因此各組份的占比不同勢必影響凝灰巖的水理特性。

表2 不同地區典型凝灰巖物理性質Tab.2 Physical properties of typical tuff in different regions

凝灰巖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,在成巖過程中由于顆粒接觸面不均勻而形成;次生孔隙包含脫玻化孔、溶蝕孔和有機質孔,其主要孔隙為脫?；?。凝灰巖內部的石英和長石等礦物由玻璃質脫玻形成,脫玻過程中體積變小[32],因此凝灰巖內部會分布由脫?；a生的孔隙,長石等礦物受溶蝕而生成溶蝕孔,相互貫通則會形成溶蝕縫。此外,還存在收縮縫、層間縫、構造縫[29,33]等?？p隙的存在會導致礦物成分更易于與水發生物化反應,而使得水理特性發生變化。

1.2 軟化性

一些凝灰巖在干燥條件下抗壓強度較高,但在遇水后強度降低明顯,如表2中蒼嶺隧道凝灰巖軟化系數低至0.18,同時巖石的變形特性也發生變化。郭麗娜[38]等測試了凝灰巖在天然、干燥和飽水3種狀態下的物理力學參數(見表3),結果表明含水率越大,同一種凝灰巖的彈性模量越小、泊松比越大。

表3 不同含水狀態下凝灰巖力學及變形參數Tab.3 Mechanical and deformation parameters of tuff in different aqueous states

含水率會影響黏土礦物與孔隙結構[39],進而使得凝灰巖軟化性變化。三維數字圖像技術(3D-DIC)研究結果表明[40],含水率越高,凝灰巖孔隙壓力越高,導致巖樣強度、彈性模量降低,延性特征逐漸明顯。凝灰巖加壓吸濕過程核磁共振研究結果表明[41],在浸泡48 h后,凝灰巖內部黏土水化產生新裂隙,原生裂隙連通,孔隙增大,滲透性增強,裂隙周圍礦物顆粒脫落,進而引起孔隙率增加,結構疏松,力學和變形性能減弱。

1.3 膨脹性

凝灰巖存在親水礦物,水分子進入后會產生膨脹力,引起內部應力不均而造成巖體結構不穩定。表4列舉了中國部分隧洞工程中具有膨脹性凝灰巖的物理特性,結合前人研究成果,引起凝灰巖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巖物理性質Tab.4 Physical properties of expansile tuff in different tunnel engineerings

(1) 力學作用。凝灰巖內部存在片狀結構,吸水過程中片狀結構發生卷曲變形,各片間距增大,形成微孔隙,使得水分進一步滲入巖體內部,表現出遇水膨脹[42]。

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

(3) 化學作用。蒙脫石、伊利石、高嶺石等親水性黏土礦物與水發生化學反應,使水分子吸附在顆粒表面,生成水合結晶物,造成凝灰巖體積變大[44]。

1.4 崩解性

崩解性是指巖石由于水的作用而喪失結構和強度的現象。崩解性測試分為測試崩解率、崩解速度以及測試干濕循環下耐崩解指數Isn(小于30%時,耐崩解性極差)兩種。表5列舉了部分凝灰巖崩解性測試結果。由表可知,凝灰巖的耐崩解性極差,易于喪失結構性。從微細觀角度分析,引起凝灰巖崩解主要存在以下3種原因:

表5 凝灰巖崩解性測試Tab.5 Tuff disintegrability test

(1) 黏土礦物水化反應。內部黏土礦物與水發生水化反應,被水弱化而導致崩解[50]。

(2) 易溶礦物水解。在較大的毛管壓力作用下,水由裂縫、孔隙快速進入凝灰巖內部,繼而進入凝灰巖微層片結構,引起可溶物質快速溶解[51-53]。

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

2 凝灰巖地層隧洞災害防治技術

凝灰巖具有軟化性、膨脹性和崩解性等水理特性,在此類地層中建造隧洞時會面臨圍巖大變形、掌子面溜塌、初支拱架開裂等諸多工程問題[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]等的隧洞災害,多由凝灰巖遇水后軟化、膨脹崩解造成。已有凝灰巖地層災害防治工作,主要從軟巖治理以及阻水、隔水等角度開展。

2.1 支護措施

從支護角度來說,目前主要采用預留圍巖變形、開挖工序調整以及優化支護參數3種措施來應對凝灰巖隧洞可能存在的圍巖失穩問題。

(1) 優化圍巖預留變形量。預留適當的變形量有助于圍巖釋放部分地應力,減小支護結構所承擔的荷載。在施工過程中,需根據水對凝灰巖的弱化程度、引起圍巖大變形的等級來確定預留變形量值[49],并在施工過程中加強對圍巖變形的監測,動態調整不同洞段的圍巖預留變形量。

(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列舉了不同凝灰巖隧洞工程中的施工方法。由表可知:針對凝灰巖洞段的開挖工序與常規軟巖、斷層破碎帶洞段等基本一致,即并不單純為新奧法或新意法,而是根據圍巖的表征,將兩種方法有機結合,以起到既能釋放圍巖形變應力又有效控制圍巖松散壓力的目的。如表中三聯隧道,采用三臺階預留核心土法和加臨時仰拱法以及雙側壁導坑法,控制由凝灰巖遇水作用而引發的大變形,相比于全斷面開挖雖工序復雜,但對于圍巖變形可有效控制,并能夠一定程度提升掌子面的穩定性。

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

(3) 優化支護參數。凝灰巖隧洞圍巖失穩主要與水相關,為防止凝灰巖遇水膨脹、強度進一步降低,針對凝灰巖圍巖洞段首先需要盡量做到及時封閉圍巖,減少圍巖在空氣中暴露時間[64]。當施工每循環尺寸過大時,初期支護不能夠及時封閉,巖體遇水或潮濕空氣自承載力降低,使得支護結構承受因圍巖大變形而產生的擠壓力、松散壓力以及膨脹力,進而支護強度不足造成塑性區擴展甚至支護結構破壞,對此工程中采用錨、網、噴協同防護,并根據水巖之間反應程度,采用深孔錨桿、減小錨桿間距等針對性措施,并結合巖體情況采用早高強噴射混凝土和大剛度鋼拱架等協同支護(見表7)。對于具體工程支護參數,可結合實際情況、巖體水理特性、現場表征以及監測量值并借助工程經驗與數值仿真等手段綜合確定。

表7 不同水理特性凝灰巖隧洞支護措施Tab.7 Support measures for tuff tunnels with different water-physical characteristics

2.2 加固措施

超前小導管和管棚可以有效提升松散巖體的整體性和穩定性,對軟弱巖體起到加固作用,是地下隧洞工程中針對破碎、軟弱巖體進行加固的常用方式。采用灌漿加固時,對于膨脹崩解性強的凝灰巖地層,當圍巖遇到漿液中的水時,加固效果可能適得其反,需鑒定其礦物成分和微觀結構后,有針對性地在灌漿液中加入適當的鹽溶液或改性劑[36,66-68],從而抑制凝灰巖與水發生的各種物化反應,使凝灰巖變得穩定而達到加固圍巖的效果。

2.3 隔水措施

由于凝灰巖具有遇水膨脹、崩解等特性,降低水體對巖體的作用或提高礦物成分抗水性,也可降低圍巖發生災害的風險。工程中所采用的水性滲透結晶型防水材料、聚脲基復合防滲材料、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,同時又能防止隧洞出現滲漏而引發失穩問題(見表8)。

表8 隧洞工程防水措施應用Tab.8 Application of waterproof measures for tunnel engineering

3 研究展望

(1) 進一步研究微細觀測試技術,探究凝灰巖滲流、力學和化學耦合過程;定量評價軟化、膨脹損傷,研究膨脹力的發展與計算等理論;構建軟化、膨脹、崩解損傷本構模型。

(2) 凝灰巖與水相互作用過程中,部分黏土礦物中的成分與水發生反應,激發并加劇膨脹性與崩解性進而影響隨后的強度、變形,考慮現有測試對于巖樣的進一步損傷及不同巖樣隨機性差異,后續研究中需要考慮采用無損測試的方式,提出新的參量來表征整個水理反應過程中屬性的變化。

(3) 由于取樣等過程中會對凝灰巖結構造成不同程度的損傷,進而對測試的結果產生不利影響,特別是親水礦物較多情況下,這一影響將進一步放大。建議后續研究中引入損傷概念,考慮取樣等過程對于凝灰巖的損傷并開發無損取樣技術,以降低這一影響。

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

(5) 目前隧洞防水主要依靠混凝土和其他行業的防水材料,后續需考慮針對凝灰巖不同水理特性研究凝灰巖隧洞所需的實用、耐久、高效的防水材料。

4 結 論

本文對凝灰巖水理特性研究現狀進行了綜述,總結了凝灰巖組分與結構的差異以及水的作用機制,歸納了防治措施,并對后續研究方向提出了建議,主要結論如下:

(1) 凝灰巖可分為玻屑凝灰巖、晶屑玻屑凝灰巖、泥質凝灰巖以及凝灰質粉砂巖。由于成巖及風化侵蝕等作用,凝灰巖礦物成分以及孔隙結構差異性明顯,進而造成軟化性、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,凝灰巖的水理特性差異越明顯。

(2) 力學作用、物理作用、化學作用是造成凝灰巖膨脹的主要原因,而易溶礦物水解、黏土礦物水化反應、離子交換作用可引起凝灰巖原有結構性的喪失進而崩解。

(3) 穿越凝灰巖地層的隧洞施工和災害防治技術應結合凝灰巖不同礦物成分、不同水理特性做出相應調整,包括調整施工方法、改進支護參數、增加有效的隔水措施3個方面?？紤]到凝灰巖敏感的水理特性,建議后續可加強凝灰巖與水作用機制理論、新的表征變量、無損取樣技術以及新型灌漿材料等的研究,并探究凝灰巖加固處理后的長期性能演化特征。