陈 兴 周,张 旭,李 文 新,刘 立 鹏

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院,陕西 西安 710054; 2.新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000; 3.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038)

0 引 言

岩体强度和变形特性受地下水影响显著,由地下水引起的围岩强度弱化、持续变形及工程事故在世界各类地下工程中均有报道[1-3]。研究岩石水理特性对于评判由水的作用引发的围岩失稳并提出针对性支护措施具有重要意义。目前对岩石的水理特性研究多集中在砂岩[4-9]、泥岩[10]、花岗岩[11]等岩类。凝灰岩在中国分布广泛,穿越此类地层的各类隧洞工程较多,然而对其水理特性的研究却少见。

凝灰岩是一种中酸性火山碎屑岩,由火山喷发的颗粒中较细的火山灰固结成岩,形成原因可包括:火山爆发、火山喷溢、火山岩相产出、呈侵入接触产出、经变质后的凝灰岩[12]。不同成岩作用使得内部组分结构分为岩屑、晶屑、玻屑3种,碎屑物按物性可分为刚性、半塑性、塑性[13]。组分结构和物性的差异,以及风化、蚀变的影响,使得凝灰岩具有差异明显的物理力学和水理特性。

一些地区凝灰岩内部结构致密坚硬,具有较高的韧性且组分对水不敏感,地下水的侵蚀作用不明显,如朱溪水库工程中凝灰岩在饱和状态下抗压强度最高可达240.1 MPa[14];而一些地区凝灰岩遇水表现出软化[15-16]、泥化[17]、膨胀性[18-20]、甚至崩解性[21-22](见表1)。

表1 凝灰岩不同水理特性及物理力学性质Tab.1 Different hydrological and physical-mechanical properties of tuff

深埋隧洞建造过程中所遭遇凝灰岩一般较为新鲜,但在开挖扰动以及地下水共同作用下,会表现出明显劣化现象,工程处理不当会给围岩稳定、支护安全带来影响[23-24]。对于穿越凝灰岩夹层的水工隧洞,通过分析运行期赋存条件发现,软弱夹层承载能力较低,加之内外水共同作用,会引起衬砌开裂造成围岩承受部分内水压力,接触面产生分离和滑移区[25],对围岩稳定产生影响。并且在遭遇膨胀性凝灰岩地层时,围岩具有一定膨胀性和流变特性,对二次衬砌结构安全和隧洞长期稳定运行产生严重影响[26-27]。因此,研究掌握凝灰岩水理特性对于评判由水的作用导致的围岩失稳风险,并提出针对性支护措施具有重要意义。鉴于此,本文收集整理了国内外凝灰岩相关研究文献,对其成分、结构及水理特性进行归纳总结,分析水理特性差异原因,并总结凝灰岩地层围岩主要支护措施,最后对凝灰岩水理特性研究中需进一步研究的内容进行了展望。

1 凝灰岩水理特性

1.1 成分与结构

随着距离火山口位置的不同,火山灰供给程度不同,造成凝灰岩种类多样且具有较强的非均质性,导致凝灰质含量和矿物成分差异较大。如图1所示:临近火山口地区晶屑含量较高,形成晶屑玻屑凝灰岩;距离火山口越远,玻屑含量越高,形成玻屑凝灰岩;当距离过远时,火山灰含量减少以及受陆源碎屑影响形成泥质凝灰岩或凝灰质泥岩以及凝灰质粉砂岩或凝灰质砂砾岩[28-29]。

图1 凝灰岩岩相平面展布[29]Fig.1 Planar distribution of tuff lithofacies[29]

晶屑玻屑凝灰岩中黏土矿物含量一般为10%～30%,且脱玻化产生的黏土矿物易向伊蒙混层转化;玻屑凝灰岩内部黏土矿物主要是由脱玻化作用产生,其含量一般小于10%;泥质凝灰岩和凝灰质粉砂岩由于陆源碎屑的影响,黏土矿物含量较高,往往大于15%[30]。一般黏土矿物含量越高,岩石亲水性越强,泥质凝灰岩易与水发生反应,水理特性较明显,而晶屑玻屑和玻屑凝灰岩脱玻化过程中容易产生石英,黏土矿物含量较少,水理特性一般不明显。由表2中部分工程中凝灰岩物理性质可知,成岩矿物多为石英、长石、方解石,所含黏土矿物则多为高岭石、蒙脱石、伊利石,化学成分主要包含SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO。从成份上分析,这其中石英较难溶于水、且强度较大;长石、长英质和斜长石抗风化能力较差、易受扰动、强度较小;蒙脱石、伊利石、高岭石不仅水理特性明显且易受风化侵蚀,因此各组份的占比不同势必影响凝灰岩的水理特性。

表2 不同地区典型凝灰岩物理性质Tab.2 Physical properties of typical tuff in different regions

凝灰岩中孔隙可划分为原生孔隙、次生孔隙和裂缝3种[31-32]。原生孔隙主要是颗粒或晶粒间孔,在成岩过程中由于颗粒接触面不均匀而形成;次生孔隙包含脱玻化孔、溶蚀孔和有机质孔,其主要孔隙为脱玻化孔。凝灰岩内部的石英和长石等矿物由玻璃质脱玻形成,脱玻过程中体积变小[32],因此凝灰岩内部会分布由脱玻化而产生的孔隙,长石等矿物受溶蚀而生成溶蚀孔,相互贯通则会形成溶蚀缝。此外,还存在收缩缝、层间缝、构造缝[29,33]等。缝隙的存在会导致矿物成分更易于与水发生物化反应,而使得水理特性发生变化。

1.2 软化性

一些凝灰岩在干燥条件下抗压强度较高,但在遇水后强度降低明显,如表2中苍岭隧道凝灰岩软化系数低至0.18,同时岩石的变形特性也发生变化。郭丽娜[38]等测试了凝灰岩在天然、干燥和饱水3种状态下的物理力学参数(见表3),结果表明含水率越大,同一种凝灰岩的弹性模量越小、泊松比越大。

表3 不同含水状态下凝灰岩力学及变形参数Tab.3 Mechanical and deformation parameters of tuff in different aqueous states

含水率会影响黏土矿物与孔隙结构[39],进而使得凝灰岩软化性变化。三维数字图像技术(3D-DIC)研究结果表明[40],含水率越高,凝灰岩孔隙压力越高,导致岩样强度、弹性模量降低,延性特征逐渐明显。凝灰岩加压吸湿过程核磁共振研究结果表明[41],在浸泡48 h后,凝灰岩内部黏土水化产生新裂隙,原生裂隙连通,孔隙增大,渗透性增强,裂隙周围矿物颗粒脱落,进而引起孔隙率增加,结构疏松,力学和变形性能减弱。

1.3 膨胀性

凝灰岩存在亲水矿物,水分子进入后会产生膨胀力,引起内部应力不均而造成岩体结构不稳定。表4列举了中国部分隧洞工程中具有膨胀性凝灰岩的物理特性,结合前人研究成果,引起凝灰岩膨胀的原因可初步归纳为以下3方面:

表4 不同隧洞工程膨胀性凝灰岩物理性质Tab.4 Physical properties of expansile tuff in different tunnel engineerings

(1) 力学作用。凝灰岩内部存在片状结构,吸水过程中片状结构发生卷曲变形,各片间距增大,形成微孔隙,使得水分进一步渗入岩体内部,表现出遇水膨胀[42]。

(2) 物理作用。颗粒表面分布的离子形成静电场将水分子吸附于颗粒表面形成强、弱结合水,使颗粒产生水化膜吸附层,引起颗粒间隙变大,宏观上表现为凝灰岩吸水膨胀[43]。

(3) 化学作用。蒙脱石、伊利石、高岭石等亲水性黏土矿物与水发生化学反应,使水分子吸附在颗粒表面,生成水合结晶物,造成凝灰岩体积变大[44]。

1.4 崩解性

崩解性是指岩石由于水的作用而丧失结构和强度的现象。崩解性测试分为测试崩解率、崩解速度以及测试干湿循环下耐崩解指数Isn(小于30%时,耐崩解性极差)两种。表5列举了部分凝灰岩崩解性测试结果。由表可知,凝灰岩的耐崩解性极差,易于丧失结构性。从微细观角度分析,引起凝灰岩崩解主要存在以下3种原因:

表5 凝灰岩崩解性测试Tab.5 Tuff disintegrability test

(1) 黏土矿物水化反应。内部黏土矿物与水发生水化反应,被水弱化而导致崩解[50]。

(2) 易溶矿物水解。在较大的毛管压力作用下,水由裂缝、孔隙快速进入凝灰岩内部,继而进入凝灰岩微层片结构,引起可溶物质快速溶解[51-53]。

(3) 离子交换作用及其矿物溶解。凝灰岩中大量存在的钠长石发生蚀变生成可溶性盐,析出Ca2+、K+、Mg2+,从而导致钠长石溶解[54-55]。

2 凝灰岩地层隧洞灾害防治技术

凝灰岩具有软化性、膨胀性和崩解性等水理特性,在此类地层中建造隧洞时会面临围岩大变形、掌子面溜塌、初支拱架开裂等诸多工程问题[56-58]。譬如米拉山隧道[59]、禾洛山隧道[60]、以色列卡迈尔隧道[61]等的隧洞灾害,多由凝灰岩遇水后软化、膨胀崩解造成。已有凝灰岩地层灾害防治工作,主要从软岩治理以及阻水、隔水等角度开展。

2.1 支护措施

从支护角度来说,目前主要采用预留围岩变形、开挖工序调整以及优化支护参数3种措施来应对凝灰岩隧洞可能存在的围岩失稳问题。

(1) 优化围岩预留变形量。预留适当的变形量有助于围岩释放部分地应力,减小支护结构所承担的荷载。在施工过程中,需根据水对凝灰岩的弱化程度、引起围岩大变形的等级来确定预留变形量值[49],并在施工过程中加强对围岩变形的监测,动态调整不同洞段的围岩预留变形量。

(2) 合适的开挖工序。目前地下隧洞工程主要施工理念为新奥法和新意法,表6列举了不同凝灰岩隧洞工程中的施工方法。由表可知:针对凝灰岩洞段的开挖工序与常规软岩、断层破碎带洞段等基本一致,即并不单纯为新奥法或新意法,而是根据围岩的表征,将两种方法有机结合,以起到既能释放围岩形变应力又有效控制围岩松散压力的目的。如表中三联隧道,采用三台阶预留核心土法和加临时仰拱法以及双侧壁导坑法,控制由凝灰岩遇水作用而引发的大变形,相比于全断面开挖虽工序复杂,但对于围岩变形可有效控制,并能够一定程度提升掌子面的稳定性。

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

(3) 优化支护参数。凝灰岩隧洞围岩失稳主要与水相关,为防止凝灰岩遇水膨胀、强度进一步降低,针对凝灰岩围岩洞段首先需要尽量做到及时封闭围岩,减少围岩在空气中暴露时间[64]。当施工每循环尺寸过大时,初期支护不能够及时封闭,岩体遇水或潮湿空气自承载力降低,使得支护结构承受因围岩大变形而产生的挤压力、松散压力以及膨胀力,进而支护强度不足造成塑性区扩展甚至支护结构破坏,对此工程中采用锚、网、喷协同防护,并根据水岩之间反应程度,采用深孔锚杆、减小锚杆间距等针对性措施,并结合岩体情况采用早高强喷射混凝土和大刚度钢拱架等协同支护(见表7)。对于具体工程支护参数,可结合实际情况、岩体水理特性、现场表征以及监测量值并借助工程经验与数值仿真等手段综合确定。

表7 不同水理特性凝灰岩隧洞支护措施Tab.7 Support measures for tuff tunnels with different water-physical characteristics

2.2 加固措施

超前小导管和管棚可以有效提升松散岩体的整体性和稳定性,对软弱岩体起到加固作用,是地下隧洞工程中针对破碎、软弱岩体进行加固的常用方式。采用灌浆加固时,对于膨胀崩解性强的凝灰岩地层,当围岩遇到浆液中的水时,加固效果可能适得其反,需鉴定其矿物成分和微观结构后,有针对性地在灌浆液中加入适当的盐溶液或改性剂[36,66-68],从而抑制凝灰岩与水发生的各种物化反应,使凝灰岩变得稳定而达到加固围岩的效果。

2.3 隔水措施

由于凝灰岩具有遇水膨胀、崩解等特性,降低水体对岩体的作用或提高矿物成分抗水性,也可降低围岩发生灾害的风险。工程中所采用的水性渗透结晶型防水材料、聚脲基复合防渗材料、聚合物喷膜防水材料、乙烯基防水材料、高分子防水卷材等防水材料,既可以阻断水与围岩的接触途径,同时又能防止隧洞出现渗漏而引发失稳问题(见表8)。

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

3 研究展望

(1) 进一步研究微细观测试技术,探究凝灰岩渗流、力学和化学耦合过程;定量评价软化、膨胀损伤,研究膨胀力的发展与计算等理论;构建软化、膨胀、崩解损伤本构模型。

(2) 凝灰岩与水相互作用过程中,部分黏土矿物中的成分与水发生反应,激发并加剧膨胀性与崩解性进而影响随后的强度、变形,考虑现有测试对于岩样的进一步损伤及不同岩样随机性差异,后续研究中需要考虑采用无损测试的方式,提出新的参量来表征整个水理反应过程中属性的变化。

(3) 由于取样等过程中会对凝灰岩结构造成不同程度的损伤,进而对测试的结果产生不利影响,特别是亲水矿物较多情况下,这一影响将进一步放大。建议后续研究中引入损伤概念,考虑取样等过程对于凝灰岩的损伤并开发无损取样技术,以降低这一影响。

(4) 目前多采用灌浆等手段对凝灰岩洞段进行加固处理或作为隔水堵水层,加固处理层将长期承受高水力梯度的作用,其长期渗透稳定性以及力学性能演化并没有引起足够的重视。建议开展凝灰岩加固处理层在高水力梯度作用下长期渗透稳定性、强度与变形等属性的研究,为工程长期安全论证提供依据。

(5) 目前隧洞防水主要依靠混凝土和其他行业的防水材料,后续需考虑针对凝灰岩不同水理特性研究凝灰岩隧洞所需的实用、耐久、高效的防水材料。

4 结 论

本文对凝灰岩水理特性研究现状进行了综述,总结了凝灰岩组分与结构的差异以及水的作用机制,归纳了防治措施,并对后续研究方向提出了建议,主要结论如下:

(1) 凝灰岩可分为玻屑凝灰岩、晶屑玻屑凝灰岩、泥质凝灰岩以及凝灰质粉砂岩。由于成岩及风化侵蚀等作用,凝灰岩矿物成分以及孔隙结构差异性明显,进而造成软化性、膨胀性和崩解性等水理特性不同,其中蒙脱石、伊利石、高岭石含量越多,凝灰岩的水理特性差异越明显。

(2) 力学作用、物理作用、化学作用是造成凝灰岩膨胀的主要原因,而易溶矿物水解、黏土矿物水化反应、离子交换作用可引起凝灰岩原有结构性的丧失进而崩解。

(3) 穿越凝灰岩地层的隧洞施工和灾害防治技术应结合凝灰岩不同矿物成分、不同水理特性做出相应调整,包括调整施工方法、改进支护参数、增加有效的隔水措施3个方面。考虑到凝灰岩敏感的水理特性,建议后续可加强凝灰岩与水作用机制理论、新的表征变量、无损取样技术以及新型灌浆材料等的研究,并探究凝灰岩加固处理后的长期性能演化特征。