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.doc

PAGE  PAGE 6 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 王子忠 1 张良喜2 1（水利部四川院勘察分院 四川，郫县 611731） 2（四川西昌攀西地质勘察院 四川 西昌615000） 摘要：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。 关键词：膨胀岩特性 围岩膨胀机制 水－岩耦合作用 岩石环境 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/NW1°；岩体中一般发育两组裂隙①N50~70°E/NW76~81°，②N30~50°W/NE75~84°。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 测试编号粘土矿物含量（％）伊利石绿泥石石英长石方解石S01034617171010S01044516171012 隧洞粉砂质泥岩细料物理实验成果表 表2 编号比重自由膨胀量界限含水量颗粒分析（％）土的名称WlWpIp试验 方法粒 径（mm）分散度0.050.05 ~ 0.0050.005%%％粘12.7435.031.217.813.4加分散剂16.049.534.596.2粉质粘土粘22.7436.031.817.014.8不加分散剂16.050.833.2 隧洞围岩物理力学指标试验成果表 表3 岩性比重天然容重含水量吸水率孔隙率抗压强度软化系数干湿g/cm3%MPa粉砂质泥岩2.692.382.966.0314.023.214.80.45 弱风化粉砂质泥岩膨胀力试验成果表 表4 编号干密度试前试后饱和度膨胀力含水率饱和度g/cm3%MPa5－12.1657.5675.01000.2925－22.3264.4764.992.80.1015－32.3765.5191.996.30.0735－42.2436.9181.488.30.055 2.2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。 2.2.2粉砂质泥岩粘粒含量33.2～34.5％，分散度为96.2％，具有膨胀岩的物理特征。 2.2.3膨胀试验表明：粉砂质泥岩自由膨胀率为35～36.2％25%，膨胀力随饱和度的增大而增大，当饱和度达到100％时，膨胀力达