脹巖水－巖耦合作用對(duì)隧洞襯砌變形破壞的機(jī)制及施工設(shè)計(jì)要點(diǎn)三

膨脹巖水－巖耦合作用對(duì)隧洞襯砌變形破壞的機(jī)制分析及施工設(shè)計(jì)要點(diǎn)四川盆地廣布紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等紅色地層（俗稱“紅層”），其特點(diǎn)是巖石質(zhì)地軟弱，遇水易崩解、膨脹。本文以四川省升鐘灌區(qū)左分干渠回龍宮隧洞襯砌的變形破壞為例，研究了隧洞圍巖的膨脹特性。由此出發(fā)分析了該類膨脹圍巖膨脹機(jī)制，提出了水－巖耦合作用的概念，以及巖石環(huán)境對(duì)膨脹影響，在此基礎(chǔ)上述了回龍宮隧洞襯砌變形破壞的原因。最后闡述了膨脹圍巖隧洞的施工、設(shè)計(jì)要點(diǎn)。1.工程概況回龍宮隧洞位于四川省閬中縣境內(nèi)，為升鐘灌區(qū)左分干渠上的一座隧洞，隧洞全長(zhǎng)1155.6m。隧洞于1987年動(dòng)工興建，1992年4月竣工，1994年開(kāi)始通水。斷面型式為城門洞形，隧洞寬2.5m，直墻高2.1m，頂拱為150o圓心角；邊墻、底板、頂拱采用漿砌條石和局部現(xiàn)澆砼襯砌。經(jīng)2002年汛末檢查，頂拱沿漿砌拱石灰縫出現(xiàn)多處開(kāi)裂，部分拱石剪切破壞，甚至壓碎、脫落；邊墻中部出現(xiàn)多處水平裂縫，最寬達(dá)3cm，已出現(xiàn)多處垮塌；底板漿砌條石向上凸起，凸起高最高達(dá)55cm，損壞嚴(yán)重。2.基本地質(zhì)條件概況工程位于四川盆地東北邊緣的丘陵地區(qū)。構(gòu)造上屬川中旋鈕構(gòu)造體系中臺(tái)山半環(huán)狀構(gòu)造的八角場(chǎng)背斜北翼，巖層產(chǎn)狀N55°E/NW<1°；巖體中一般發(fā)育兩組裂隙①N50~70°E/NW<76~81°，②N30~50°W/NE<75~84°。裂面起伏粗糙，見(jiàn)鐵質(zhì)薄膜。據(jù)勘探與施工開(kāi)挖資料，隧洞位于侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組紫紅色粉砂質(zhì)泥巖中，其間夾有灰白色砂巖透鏡體。按水利水電地下工程圍巖分類方案，各段圍巖類別劃分如下：進(jìn)口段（0+000~0+200）：洞頂以上新鮮粉砂質(zhì)泥巖厚度為1.0~1.5倍洞徑，有地下水滲出，圍巖類別屬Ⅴ類。洞身段（0+200~1+075.0）：洞室位于新鮮粉砂質(zhì)泥巖中，無(wú)地下水活動(dòng)，圍巖類別屬Ⅳ類。出口段（1+075.0~1+155.6）：洞頂以上新鮮粉砂質(zhì)泥巖巖體厚度為1.0~2.0倍洞徑，圍巖類別屬Ⅴ類。2.圍巖膨脹特性研究對(duì)組成隧洞的粉砂質(zhì)泥巖的礦物成分、顆粒級(jí)配特點(diǎn)、分散度，物理力學(xué)指標(biāo)及膨脹特性等特性的取樣試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見(jiàn)表1、表2、表3及表4。隧洞粉砂質(zhì)泥巖粘土礦物成分X射線粉晶衍射測(cè)試成果表表1值測(cè)試編號(hào)扎粘土礦物含量浸（％）其伊利石斧綠泥石躺石英帥長(zhǎng)石籠方解石戶S0103峽46派17矩17該10染10稻S0104荷45燥16柔17魯10嗽12隧洞粉砂質(zhì)泥巖細(xì)料物理實(shí)驗(yàn)成果表表2著編號(hào)葡比重盛自由膨脹量攻界限含水量菌顆粒分析（％載）費(fèi)土的名稱膏W跳l渡W設(shè)p蕉I項(xiàng)p漂試驗(yàn)堅(jiān)方法堵粒滾宜箏徑凡（驗(yàn)mm南）攻分散度僅>0.05諷0.05值~揉0.005馳<0.005惠%伸%魚(yú)％蹦粘移1蝴2.74秩35.0寒31.2踩17.8智13.4緒加分散劑萄16.0治49.5歡34.5棍96.2概粉質(zhì)粘土甩粘濤2宮2.74咳36.0啟31.8敘17.0慎14.8辨不加分散劑淹16.0泊50.8豐33.2沫隧洞圍巖物理縣力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)該成果表表3孔巖性絕比重燙天然容重專含水量震吸水率歌孔隙率奇抗壓強(qiáng)度仙軟化系數(shù)弱干賠濕按g/cm寺3蹦%勢(shì)MPa卷粉砂質(zhì)泥巖促2.69輸2.38嗚2.96鞏6.03下14.0戚23.2慈14.8腎0.45別弱風(fēng)化粉砂質(zhì)劫泥巖膨脹力試眾驗(yàn)成果表表4飼編號(hào)冊(cè)干密度軋?jiān)嚽八卧嚭箫柡投仁呐蛎浟浜室罪柡投阮峠/cm波3桃%漂MPa尿5狀－姻1棕2.165銳7.56欺75.0功100奴0.292爛5以－出2燒2.326晝4.47伐64.9痰92.8口0.101候5夠－瓦3炎2.376擁5.51仰91.9違96.3伴0.073途5蛾－僚4駐2.243程6.91青81.4飾88.3嗎0.055委2.史2恩圍巖膨脹特性意工程地質(zhì)評(píng)價(jià)麥拒隧洞圍巖為粉供砂質(zhì)泥巖，經(jīng)病對(duì)其粘土礦物比的貝X慌射線粉晶衍射校測(cè)試成果表明傳，伊利石含量演為瓣4誓5繼～抖4辣6的％，綠泥石含畝量瓶為哈1亭6望～慮1責(zé)7枝％，伊利石、位綠泥石總含量串達(dá)慎6畜2漢～柳6晨3市％，它具面－竟面疊聚的書(shū)狀抱結(jié)構(gòu)，為親水屬性較強(qiáng)的粘土握礦物。因此，奴隧洞圍巖具有廊膨脹性巖石的旬物質(zhì)基礎(chǔ)。微盞粉砂質(zhì)泥巖粘礙粒含譯量漆33.觸2嫁～喬34.事5葬％，分散度救為察96.柜2漿％，具有膨脹幟巖的物理特征尿。停蓬膨脹試驗(yàn)表明士：粉砂質(zhì)泥巖匯自由膨脹率丈為聞3錘5傳～描36.構(gòu)2納％緩>25先%掛，膨脹力隨飽昏和度的增大而半增大，當(dāng)飽和僻度達(dá)航到赤10碗0銹％時(shí)，膨脹力疫達(dá)到其最大張值堪P討max然=0.292益Mpa>0.躬1竄5竟，按膨脹巖分棟類，它屬于典煉型膨脹巖。充3待.吃襯砌破壞破壞肚嚴(yán)重程度分級(jí)疲據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，鹽按各段變形破總壞的嚴(yán)重程度恰，將襯砌變形浴破壞分為以校下例4準(zhǔn)類：靜Ⅰ滑類：襯砌中幾膊乎不見(jiàn)宏觀（棄肉眼可見(jiàn)）性寨的裂縫，但推映測(cè)應(yīng)存在肉眼薯不易發(fā)覺(jué)的微慶裂隙。甜Ⅱ您類：底板向上濃隆起，隆起高蛛度挺10~琴20cm土，隆起中部一艇般有張擴(kuò)開(kāi)獸1.0~授2.0Cm戶的裂縫沿軸向式延伸，裂縫大拋部分位于灰漿仁中。邊墻及頂怕拱幾乎不見(jiàn)宏姐觀性的裂縫。汁Ⅲ蚊類：底板變形愉破壞芽較謎Ⅱ紹類嚴(yán)重，隆起往高度一般異為鋒24~叛55cm償，隆起部位處剃灰漿與條石已屬脫開(kāi)，裂縫寬勒度荷2.0~書(shū)3.0Cm灶，大禮者蒜4.0~災(zāi)5.0Cm橡；左、右邊墻殺向開(kāi)始向內(nèi)側(cè)爭(zhēng)鼓出，偏離邊斜墻桐12.0~淚15.0Cm江，并追在襲1.0~蓋1.3m拖高處形成裂縫笑，一般追蹤灰棚漿縫延伸；同鏈時(shí)部分邊墻還餡見(jiàn)有條石被拉坡裂、剪斷的現(xiàn)拾象。租Ⅳ描類：底板、邊食墻破壞情況秒與致Ⅲ童類基本相當(dāng)，冊(cè)但條石被拉裂室、剪斷的現(xiàn)象林較多些。且偶順見(jiàn)有邊墻襯砌姨垮塌的現(xiàn)象。該頂拱拱石被壓咽碎、拉裂，頂您拱的整體性不跑同程度地遭到旅破壞，失去了匯拱的作用。膏顯然，襯砌變晶形破壞的嚴(yán)重煌程度我從稼Ⅰ化類滲到命Ⅳ駕類是增大的。明隧洞襯砌變形浩破壞的分段情密況見(jiàn)擴(kuò)表待5未襯砌變形破壞都分段情況一覽毀表表5樓分段樁號(hào)插0+000~憶0+250防0+250~掃0+314拴0+314~兄0+588校0+588~熔0+871.輪5概0+871.究5~1+07棕1西1+071~類1+155.革6習(xí)破壞類別條Ⅰ抱Ⅱ推Ⅲ虎Ⅳ產(chǎn)Ⅲ透Ⅰ狗破壞程度評(píng)價(jià)扔輕微水一般墓較嚴(yán)重裹嚴(yán)重嶼較嚴(yán)重高輕微雙表攜5棟表明，破壞嚴(yán)跌重的尖（謀Ⅳ鄙類）段次位于睜隧洞的中部，壞由此向進(jìn)、出票口兩個(gè)方向破倦壞程度為較嚴(yán)糠重獅（論Ⅲ五類）、一般部（鋪Ⅱ肥類）、輕微丑（遞Ⅰ嫂類）。鍛4濱.脅隧洞襯砌變形劣破壞機(jī)制分析關(guān)4.掉1混隧洞圍巖的膨艱脹是襯砌變形歌破壞的基本條退件般在工程上的膨聲脹巖是指在卸臭荷條件下，由勤于水與巖石的瓶物理化學(xué)作用灑導(dǎo)致含水量的釘增高、體積膨擾脹的巖石。弓回龍宮隧洞為巴一灌溉輸水隧掩洞，其運(yùn)行方拾式為每注年銷3善～挪8柴月分隧洞輸水腳，利9砍月至次乓年伶2瞇月底隧洞則停土止運(yùn)行。同時(shí)售在輸水期間，參按灌溉需要不繞同時(shí)段甚至每狹日還存在輸水霸、停水變化。崗隧洞運(yùn)行過(guò)程蜓的這種干、濕停循環(huán)對(duì)粉砂質(zhì)外泥巖的膨脹提言供了外部條件役。同時(shí)水位的草變化也是對(duì)隧瑞洞襯砌及其圍得巖的加荷、卸粘荷過(guò)程。在圍巖作用于襯袋砌的膨脹力即旨為導(dǎo)致其變形磁破壞的主要原壓因之一。萍擾圍巖膨脹機(jī)制襲由于隧洞圍巖距的礦物成分以沫伊利石凳（執(zhí)K<1Al腐2[(Si,柱Al)4O1膀0(OH)2旋.nH2O撞]可）與綠泥石（否（真Mg,F遣e蜜）依5雄(危Al,Si蛋3案O古10稍)(OH)巾8瞇）為主，它們鑄對(duì)水具有較強(qiáng)伍的吸附作用。誰(shuí)這類巖石的膨誕脹力主要來(lái)源幼于巖石中孔隙年與裂隙對(duì)水的嘉吸附產(chǎn)生途的產(chǎn)“浸楔裂壓晨力話”氧?，F(xiàn)場(chǎng)取粉砂妹質(zhì)泥巖作崩解病試驗(yàn)，當(dāng)巖塊洞試樣置于水中成后，可以看到丸試樣開(kāi)始出現(xiàn)悲大小不等的裂速隙，然后隨著鏟裂隙的發(fā)展崩脹解成大小不同礎(chǔ)的碎塊，這種零碎塊往往難以辰進(jìn)一步分散，剪浸泡的水也常長(zhǎng)常是清澈的。浮我們稱這類崩雷解咸為息“單楔裂性崩場(chǎng)解亡”稈。這與含蒙脫續(xù)石為主的粘土耐巖浸水后開(kāi)始柴吸水膨脹并有蜜鱗片狀碎屑物煉崩落、分散使派浸泡水發(fā)生渾棵濁的機(jī)理是不艙同的，后者的危崩解可稱漁作慶“糾分散型或彭脹羨型崩蠻解般”鞏。尾我們知道，隧層洞圍巖中是存楚在孔隙與裂隙岡的。孔隙形成鹿于成巖過(guò)程；箱而裂隙則有兩宅類宗：德①嬌巖石中原有構(gòu)凳造、風(fēng)化裂隙龍，就②蝦施工開(kāi)挖過(guò)程杏中的爆破裂隙疾松弛圈內(nèi)的松牽弛裂隙。據(jù)試欺驗(yàn)資料組成隧昨洞粉砂質(zhì)泥巖凳的孔隙率（包激括孔隙和獲第千①檔種裂隙）駐為她14.儲(chǔ)0息％，這是比較傻高的，這其中混還不包括呈第這②潛種裂隙。潛粉砂質(zhì)泥巖中銜的孔隙與裂隙盟表面是其巖石菠結(jié)構(gòu)體系中振的倍“滿水騰—團(tuán)巖相界鼠面叨”果的主要部分，端它具有較大的慣表面能，與水撫接觸時(shí)能強(qiáng)烈近地吸附水分子拐。吸附將使其組表面能減小，烘減小的表面能善一部分以濕潤(rùn)介熱的形式逸散違，另一部分則還轉(zhuǎn)化為促使巖可石芝“勇水欣—恥巖相界雕面歡”寬增大的力學(xué)破監(jiān)壞能，即前適述泛“籮楔裂壓回力國(guó)”螞，章“午水伸—斥巖相界窩面齡”這的增大必將導(dǎo)累致巖石體積的得膨脹和崩解，廢以及由此產(chǎn)生殘的膨脹力；巖鵲石的膨脹和崩紹解將產(chǎn)生新是的棒“掘水杰—廉巖相界愚面蘆”雜，從而形成新附的悄“乓楔裂壓戴力螺”彈。這種逐漸放制大的累進(jìn)性膨玉脹、崩解作用浪就是以伊利石嗎為主要礦物成預(yù)分的粘土巖的老膨脹機(jī)制。我謀們把導(dǎo)致巖石慎膨脹的水與巖姓石間逐漸放大將的累進(jìn)性膨脹采、崩解作用定蘭義為水－巖耦民合作用。并導(dǎo)膨脹力與巖石丹環(huán)境狡據(jù)有關(guān)資料：列巖石的最大膨賢脹力與環(huán)境濕名度的變化密切察相關(guān)們，伐妙an魚(yú)g駛等通過(guò)側(cè)向約倉(cāng)束實(shí)驗(yàn)得出了貍最大膨脹力與狼相對(duì)濕違度惡R血H鄉(xiāng)及濕度變化指躲數(shù)錫I桿RH筑的關(guān)系模型：擁P膚max付=0.068俱6RH-0.砍008RH餓2蹲+1.473時(shí)I亮RH階+0.013奏2IRH贏2蛋-0.014描5RH×I四RH戶+0.959攪4皂是中桿，殃P(guān)謝max獎(jiǎng)為最大膨脹壓我力，單位蛾：握Mp喜a湊。進(jìn)即，最大膨脹晴壓力與濕度變名化指升數(shù)陶I丑RH票呈平方關(guān)系變晴化，由此表明森，膨脹壓力對(duì)椅濕度的變化是活十分敏感的。瘡如前所述，隧槳洞運(yùn)行過(guò)程中凱的干、濕循環(huán)橋無(wú)凝將產(chǎn)生較括大的濕度變化傾，這就極可能晚使粉砂質(zhì)泥巖節(jié)達(dá)到其最大膨控脹力。據(jù)試驗(yàn)管成果，回龍宮遺隧洞最大膨脹火力周P發(fā)max及=0.292團(tuán)MP冰a位。濱膨脹巖在干、鴿濕循環(huán)作用下迷的膨脹與收縮址是一個(gè)可逆過(guò)園程，可表示如室下：莫反復(fù)的干濕循悲環(huán)導(dǎo)致了巖石逝的反復(fù)膨脹與訴收縮，相當(dāng)于甚給隧洞襯砌的鹿反復(fù)加荷與卸宗荷。碎頌圍巖烈膨脹點(diǎn)導(dǎo)致隧洞襯砌發(fā)變形破壞的機(jī)套制蔑堤隧洞襯砌材料商為鞭10默0俊＃漿砌條石，邊一般地講，灰喬漿與條石的熱讓脹特性能是不夸同的。環(huán)境溫聲度與濕度的變蛋化，將首先導(dǎo)察致沿灰漿與條徑石的薄弱部分柴產(chǎn)生裂紋。隧曠洞水正是從這蕩種裂紋首先滲商入到襯砌背后攀的圍巖孔隙與退裂隙中，由此槳為巖石的膨脹音提供了外部條氣件，而巖石的梅膨脹力反作用皮于襯砌上使得叔條石灰漿間的血裂紋進(jìn)一步擴(kuò)北展。這樣水的砌入滲與巖石的恥膨脹作用就形附成了另一種逐誰(shuí)漸放大的耦合裂作用，直至導(dǎo)芒致襯砌的開(kāi)裂邁與破壞。抖4.誤2枯巖石蠕變對(duì)襯怪砌的變形破壞往作用跨隧洞埋深較大倉(cāng)，一般乳為奇60~逝100m裕，中部達(dá)鵝170m私，圍巖自重應(yīng)銹力較大；而組忍成隧洞圍巖的彎粉砂質(zhì)泥巖濕揮抗壓強(qiáng)度斥為投14.8Mp塵a龜,鎮(zhèn)軟化系執(zhí)數(shù)佩0.4容5僵，屬軟巖。軟驅(qū)巖圍巖在較大嘗自重應(yīng)力下必眾然產(chǎn)生蠕變收拴斂。圍巖的蠕屯變收斂也將導(dǎo)江致巖石形成新續(xù)的裂隙肚與采“邁水－巖相界毫面吉”僅，由此導(dǎo)致巖辛石的進(jìn)一步膨巴脹巖石的蠕變寄收斂與膨脹變錯(cuò)形相互疊加形闖成了第三種逐冬漸放大的耦合鹽作用。這種作喪用加劇了襯砌封的變形與破壞團(tuán)。攝4.助3斧隧洞襯砌變形術(shù)破予水－巖耦合作榨用是巖石膨脹嘩、崩解的機(jī)制蜻，隧洞水沿襯辦砌裂紋入滲與盒巖石的膨脹所碧形成的逐漸放迫大的耦合作用再最終導(dǎo)致了漿難砌條石的開(kāi)裂勾與破壞；粘土汁巖軟巖的蠕變弦收斂與膨脹變芬形相互疊加的倘耦合作用加劇保了襯砌的開(kāi)裂旺與破壞。屆現(xiàn)場(chǎng)勘察可以廚看出隧洞襯砌冬的變形破壞順查序如下：首先態(tài)是底板中開(kāi)裂飄并向上鼓起，亡其次是邊墻中熱部的開(kāi)裂并向渴內(nèi)鼓起，最后折導(dǎo)致頂拱拱座陪失去支撐而開(kāi)櫻裂?？?在.這膨脹圍巖隧洞腿設(shè)計(jì)、施工要駐點(diǎn)。奇據(jù)上述圍巖膨諒脹對(duì)襯砌的破鐮壞機(jī)理，可得美出膨脹圍巖隧攪洞的設(shè)計(jì)與施峰工要點(diǎn)矮5.課1罰施工開(kāi)挖過(guò)程葡中應(yīng)及時(shí)封閉女襯砌，以減輕支或避免圍巖的累風(fēng)化、風(fēng)干，吉特別是圍巖濕筒度條件及含水厭量的變化。施灘工方法應(yīng)采用刷淺眼多循環(huán)開(kāi)餅挖方案，優(yōu)先絲選用光面爆破滾壞。施工時(shí)應(yīng)錫處理好地下水桑的引排、盡量狼減少對(duì)圍巖的厘浸泡。滔5.觀2禍?zhǔn)┕み^(guò)程中對(duì)取超挖部分的回棄填應(yīng)選用塊（世卵）石混凝土備或漿砌塊石等累非膨脹材料；抹禁止使用膨脹雁巖圍巖的母巖