何 盛，張 翔，馬建偉，李宗龍

(1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000;2.云南華昆國電工程勘察有限公司，云南 昆明 650000)

滇中紅層是指主要分布在云南楚雄、玉溪和大理祥云等地區(qū)，形成于晚三疊世至古新世，通常由一套砂巖、粉砂巖、泥巖等組成，夾有泥灰?guī)r和礫巖，外觀以紅色為主色調(diào)的陸相碎屑沉積地層[1- 2]。紅層中廣泛分布的泥質(zhì)巖類具有透水性弱、親水性強(qiáng)，遇水易軟化(或膨脹)，失水易崩解(或收縮)，強(qiáng)度低(巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度小于30MPa)的特點(diǎn)[3- 8]。該類紅層軟巖在空間形態(tài)和工程性質(zhì)上往往控制整個(gè)巖體的變形破壞特征，在滇中地區(qū)開展工程建設(shè)，常常會遇到隧洞圍巖塑性變形問題，渠系工程地基穩(wěn)定問題，公路邊坡穩(wěn)定問題以及因軟巖的溶解、膨脹、崩解和軟化引起的各種工程地質(zhì)問題[9]。本文針對滇中紅層軟巖的工程地質(zhì)特性，進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和水理性質(zhì)試驗(yàn)及流變試驗(yàn)，為設(shè)計(jì)提供科學(xué)、合理的依據(jù)，為確保滇中紅層地區(qū)隧洞工程的施工及運(yùn)行提供重要的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

2 紅層軟巖地質(zhì)特征

2.1 紅層軟巖巖相巖性特征

滇中紅層為碎屑巖建造，河湖相沉積，巖性主要由泥巖、粉砂巖、砂巖等交替組成。紅層軟巖巖性組合最為顯著的特點(diǎn)是不同力學(xué)性質(zhì)的巖層互層組合，即砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等互層組合，單一的巖性組合基本不存在。按照巖性組合特點(diǎn)，主要可以歸納為以下兩種巖體結(jié)構(gòu)類型。

2.1.1軟質(zhì)泥質(zhì)巖為主的層狀結(jié)構(gòu)

這類巖體結(jié)構(gòu)地層在滇中地區(qū)分布最為廣泛，地層巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖等軟質(zhì)巖為主，其間也夾有長石石英砂巖、鈣質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖等硬質(zhì)巖。巖體結(jié)構(gòu)從薄層到厚層均有分布，其中中厚層狀結(jié)構(gòu)和厚層狀結(jié)構(gòu)居多。

這類結(jié)構(gòu)的巖體中泥質(zhì)巖類占絕對優(yōu)勢，巖質(zhì)軟弱，雖然其中也夾有砂巖、礫巖等硬巖，局部可能有一定的厚度，但以軟巖為主，并對巖體的變形破壞起控制作用。

2.1.2軟硬相間的砂泥巖互層結(jié)構(gòu)

這類巖性組合形式在滇中紅層中較為普遍，地層巖性以石英砂巖、砂巖和泥巖、粉砂質(zhì)泥巖呈不等厚互層結(jié)構(gòu)為主，軟質(zhì)巖和硬質(zhì)巖相間出現(xiàn)。在上述第一類結(jié)構(gòu)地層中，局部也存在此類軟硬相間砂泥巖互層的結(jié)構(gòu)。軟硬互層的結(jié)構(gòu)在地質(zhì)構(gòu)造過程中容易產(chǎn)生層間錯(cuò)動，形成軟弱夾層。

在這類軟硬相間的巖體結(jié)構(gòu)類型中，砂巖、礫巖等硬巖雖然占有一定的比例，但對巖體的變形破壞卻不能起到等比例影響作用，對其起控制作用的也往往是其中的泥質(zhì)巖等軟巖。

表1 滇中紅層巖石礦物組成統(tǒng)計(jì) 單位：%

表2 滇中紅層化學(xué)成分組成統(tǒng)計(jì) 單位：%

2.2 紅層軟巖物質(zhì)成分特征

2.2.1礦物組成

滇中地區(qū)中生代紅層包括中生代的礫巖、砂巖及泥巖等，其礦物組成主要為石英、長石、方解石和黏土礦物，各礦物含量多大于5%，其次是燧石和云母，含量小于5%，滇中紅層礦物組成詳見表1。

從表1可見，隨著碎屑巖顆粒變細(xì)，巖石中的黏土礦物呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。砂巖、礫巖中石英及長石的含量高于泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。此外，巖石中方解石含量較高，且常常以膠結(jié)礦物形式存在。這說明研究區(qū)內(nèi)碎屑巖多以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，其強(qiáng)度較硅質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的差。

石膏、芒硝、鈣芒硝、鹽礦及其他巖類礦物也常出現(xiàn)在紅層中，含鹽層主要分布于粉砂巖、泥礫巖層。與非含鹽地層相比，含鹽地層往往可溶鹽成分含量較高，更易形成溶隙、溶孔，不僅增強(qiáng)紅層滲透性，還降低了紅層強(qiáng)度，對工程均有不利影響。

2.2.2化學(xué)成分組成

中生代紅層化學(xué)成分主要是硅、鋁、鈣、鎂、鉀、鐵的氧化物，其中SiO2含量最高，約占一半以上，它以復(fù)雜黏土礦物、原生硅酸鹽礦物和游離氧化硅等形態(tài)而存在。其次是Al2O3和CaO，分別占15%和10%左右。滇中紅層化學(xué)成分組成見表2。

3 紅層軟巖物理力學(xué)特性研究

3.1 紅層軟巖物理性質(zhì)

滇中紅層軟巖主要為泥質(zhì)巖類，強(qiáng)度低、空隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造切割及風(fēng)化影響顯著，或含有膨脹性黏土礦物，巖體的環(huán)境效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)明顯，具有較低的承載能力和較大的變形。試驗(yàn)研究成果表明：滇中紅層天然含水率、孔隙率均較低，密度在2.6～2.7g/cm3，物理性質(zhì)隨巖性不同而變化，各項(xiàng)物理性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)平均值見表3。

表3 滇中紅層軟巖物理性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

3.2 紅層軟巖力學(xué)性質(zhì)

3.2.1單軸抗壓強(qiáng)度

根據(jù)各試樣的破壞形態(tài)，將滇中紅層軟巖的破壞形式大致分為三類：①片狀剝落型，一般發(fā)生這種破壞形式，在初期應(yīng)力較小的階段就開始出現(xiàn)零星的片狀脫落，到其破壞時(shí)，有明顯的體積膨脹；②剪切破壞型，紅層泥巖在加載過程中因斜截面抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值而出現(xiàn)一個(gè)甚至多個(gè)剪切面；③壓致拉裂型，這種破壞形式的試樣通?？箟簭?qiáng)度相對其他紅層軟巖較高，巖體較為完整，微裂隙少，粉砂質(zhì)成分含量較高，其峰值抗壓強(qiáng)度通常在35～50MPa，試驗(yàn)結(jié)果詳見表4。

3.2.2三軸抗壓強(qiáng)度

從某種意義上講，軟巖在三軸應(yīng)力狀態(tài)下所表現(xiàn)出的強(qiáng)度與變形特征才是軟巖力學(xué)屬性的真實(shí)反映，因此研究軟巖的三軸力學(xué)特性對滇中紅層軟巖來說具有十分重要的意義。利用MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對滇中紅層軟巖進(jìn)行了不同圍壓條件下三軸抗壓強(qiáng)度及變形測試。

對比單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，泥巖的抗壓強(qiáng)度明顯降低，在6.89～7.44MPa，黏聚力受膠結(jié)物質(zhì)的不同差異較大，介于3.27～13.93MPa；粉砂質(zhì)泥巖及泥灰?guī)r抗壓強(qiáng)度相差不大，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 滇中紅層軟巖單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

表5 滇中紅層軟巖三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果

4 紅層軟巖水理特性研究

4.1 軟化性

紅層軟巖的黏土礦物含量高，且含可溶物質(zhì)，黏土礦物具有表面積大、親水性強(qiáng)、離子交換容量大等特點(diǎn)，因此水對軟巖的強(qiáng)度削弱作用相對較大。對紅層軟巖取樣進(jìn)行了室內(nèi)軟化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。試驗(yàn)可見，滇中紅層軟巖軟化系數(shù)在0.34～0.66，遇水軟化效應(yīng)明顯。

表6 滇中紅層軟巖軟化性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

4.2 膨脹性

滇中紅層軟巖富含以石英、云母為主的碎屑礦物和以伊利石、高嶺石為主的黏土礦物，這些礦物顆粒細(xì)小，親水性比較強(qiáng)，當(dāng)水滲入巖石的孔隙中時(shí)，細(xì)小顆粒的吸附水膜便會增厚，引起軟巖的體積膨脹。在滇中紅層軟巖中起膨脹作用的黏土礦物主要為蒙脫石和伊利石，這些黏土礦物存在于紫紅色泥巖及砂礫巖膠結(jié)物中。巖石的膨脹還與膠結(jié)物成分及含量、膠結(jié)程度有關(guān)，鈣質(zhì)含量高則巖石具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，部分鈣質(zhì)膠結(jié)的地層，膨脹性不是很明顯。

4.2.1自由膨脹率

對泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r取樣進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見表7。

表7 自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由試驗(yàn)結(jié)果可見，各軟巖地層均具有一定膨脹性，是因?yàn)檐泿r中含有一定量的親水性礦物，對水較為敏感，在蒸餾水中浸泡均會產(chǎn)生一定的膨脹變形。

4.2.2膨脹壓力

針對不同地層中的泥質(zhì)巖共采集了20組巖樣進(jìn)行膨脹壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見表8。由表可見，泥質(zhì)巖膨脹壓力總體均不大，正常值均小于760kPa，白堊系地層中的泥質(zhì)巖膨脹壓力一般小于300kPa，侏羅系地層中的泥質(zhì)巖膨脹壓力部分大于500kPa。

4.2.3膨脹性分級評價(jià)

綜合國內(nèi)外膨脹巖分級方法，如文江泉、韓會增提出的膨脹性軟巖分級方法[14]，孫曉明提出的強(qiáng)膨脹性軟巖分級方法[15]，提出滇中紅層膨脹性軟巖分級標(biāo)準(zhǔn)，見表9。按照此標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合試驗(yàn)成果進(jìn)行軟巖膨脹性分級判別，結(jié)果見表10。

可見，滇中紅層軟巖以弱膨脹—中等膨脹為主，局部具有強(qiáng)膨脹性；中等膨脹(局部強(qiáng)膨脹)軟巖均位于侏羅系地層，白堊系地層中均為弱膨脹。

4.3 崩解性

巖石的崩解受黏土礦物含量及類型、膠結(jié)物類型及固結(jié)程度等因素的綜合影響。一般膨脹礦物高的巖石浸水后巖石結(jié)構(gòu)易遭受破壞產(chǎn)生崩解，鈣質(zhì)膠結(jié)的巖石具有一定的穩(wěn)定性，崩解性弱，膠結(jié)程度越差，則越易崩解。另外，軟巖崩解性與微裂隙發(fā)育有關(guān)，對于微裂隙發(fā)育的巖塊，崩解明顯。

從試驗(yàn)成果可見，耐崩解性差異較大，部分試樣第2次循環(huán)即已完全崩解，發(fā)生完全崩解的試樣占試驗(yàn)總數(shù)的1/3，結(jié)果見表11。

5 紅層軟巖變形特性研究

5.1 壓縮流變特性

通過以上的單軸流變試驗(yàn)，可得出滇中紅層泥巖的壓縮蠕變變形—時(shí)間關(guān)系曲線如圖1所示、壓縮蠕變分級變形—時(shí)間關(guān)系曲線如圖2所示。

圖1 壓縮蠕變變形—時(shí)間關(guān)系曲線

表8 滇中紅層軟巖膨脹力試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表9 滇中紅層膨脹性軟巖分級標(biāo)準(zhǔn)

表10 滇中紅層軟巖膨脹性分級判別統(tǒng)計(jì)

表11 滇中紅層軟巖耐崩解性試驗(yàn)成果

圖2 壓縮蠕變分級變形—時(shí)間關(guān)系曲線

通過壓縮蠕變變形—時(shí)間關(guān)系曲線的每個(gè)突增點(diǎn)曲線進(jìn)行擬合分析，得出在非變加速時(shí)期壓縮蠕變位移量(ε)與時(shí)間的關(guān)系式(t)為：

(1)

式中各參數(shù)取值見表12。

表12 非變加速時(shí)經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)取值

得出在變加速時(shí)期壓縮蠕變位移量(ε)與時(shí)間的關(guān)系式(t)為：

式中各參數(shù)取值見表13。

表13 變加速時(shí)經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)取值

壓縮蠕變分級變形—時(shí)間關(guān)系模擬曲線見圖3。

圖3 壓縮蠕變分級變形—時(shí)間關(guān)系模擬曲線

5.2 剪切流變特性

圖4為利用Boltzmann線性疊加原理處理后的分別加載剪切蠕變曲線，圖5為等時(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線，圖6為剪切蠕變速率與時(shí)間關(guān)系曲線。

圖4 分級加載剪切蠕變圖

圖5 等時(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖6 剪切蠕變速率與時(shí)間關(guān)系曲線

通過剪切流變成果圖分析，可以得出以下現(xiàn)象：①位移—剪切強(qiáng)度曲線為非直線，說明飽水泥巖剪切流變是非線性的。②隨著剪切蠕變位移增長，剪切強(qiáng)度速率先增大后減小，飽水泥巖的強(qiáng)度介于非泥巖流變長期強(qiáng)度與泥土長期強(qiáng)度之間。③隨著時(shí)間的增大，位移—剪切強(qiáng)度曲線后期越來越靠近水平線，說明飽水泥巖的非線性是隨著時(shí)間變強(qiáng)的。④時(shí)間—速率圖近似為“桶”狀，左側(cè)曲線表明，前期剪切蠕變量陡增；中間曲線平緩，表明剪切蠕變中間蠕變量不變或緩慢變化；右側(cè)曲線表明，剪切蠕變后期蠕變量陡增，直至試樣破壞。

6 紅層軟巖隧洞存在的工程地質(zhì)問題

6.1 軟巖大變形問題

紅層軟巖隧洞圍巖巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)度低，屬軟巖；圍巖膨脹性不大，但崩解性強(qiáng)，部分區(qū)段富含地下水，主要為基巖裂隙水和孔隙水，巖體遇水極易軟化，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的崩解性；圍巖的可塑性高，巖體在高地應(yīng)力的作用下會發(fā)生不可逆的變形:巖體的流變性顯著，巖石的本構(gòu)關(guān)系時(shí)間效應(yīng)明顯。軟巖大變形一般埋深效應(yīng)明顯，變形量大，變形持續(xù)時(shí)間長，徑向變形特征明顯，主要表現(xiàn)為拱頂下沉、邊墻內(nèi)擠、洞底隆起，對隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定影響較大。隧洞開挖后應(yīng)力重分布，紅層軟巖因其巖體強(qiáng)度低圍巖受拉或受壓易產(chǎn)生塑性區(qū)，導(dǎo)致圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，隨著塑性區(qū)擴(kuò)大，圍巖變形加劇，侵入隧洞凈空，不得不進(jìn)行二次擴(kuò)挖；甚至變形太大使支護(hù)失去效用，形成塌方等地質(zhì)災(zāi)害。

6.2 圍巖穩(wěn)定問題

由于軟巖中泥質(zhì)礦物成分和結(jié)構(gòu)面決定了軟巖的力學(xué)特性，顯示出可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致軟巖隧洞圍巖的破壞形式主要有:塑性擠壓流動破壞、剪切流動破壞、塊體滑動和塌落、層狀巖體的彎曲折斷、碎裂巖體的松動解脫、剪切破壞及塑性變形、潮解膨脹破壞等。

6.3 處理措施建議

隧洞斷面形狀要盡量與圍巖壓力分布適應(yīng)，宜采用圓形、橢圓形或馬蹄形等曲線形斷面。在不使圍巖發(fā)生有害松散變形的前提下，容許圍巖發(fā)生較大的變形，以充分發(fā)揮圍巖的自承作用，減少支護(hù)抗力，使噴錨支護(hù)達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠的要求。因此，設(shè)計(jì)斷面尺寸必須在開挖凈空輪廓的基礎(chǔ)上，預(yù)留圍巖周邊相對位移變形量。支護(hù)設(shè)計(jì)要遵循重視監(jiān)控量測、分期支護(hù)、先柔后剛的指導(dǎo)思想。初期支護(hù)應(yīng)采用既具有一定柔性又能快速實(shí)施的噴錨支護(hù)，包括可縮式鋼拱架，使圍巖塑性區(qū)得到一定的發(fā)展，以完成適度的巖體應(yīng)力釋放和卸壓作用，二次支護(hù)的作用是承受長期蠕變階段的圍巖壓力，以保證洞室圍巖的長期穩(wěn)定，可采用網(wǎng)噴、鋼拱架噴混凝土或現(xiàn)澆、預(yù)制塊鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)。

7 結(jié)論

滇中紅層以河、湖相沉積為主，喜山運(yùn)動強(qiáng)烈褶皺造山后，則以湖泊、沼澤相為主，含煤、石膏和鹽巖等。滇中紅層軟巖通常具有以下特性：①抗剪、抗壓強(qiáng)度低，抗滑和承載能力差，泥巖濕抗壓強(qiáng)度平均值為9～11MPa，部分為5MPa左右；②變形模量小，易產(chǎn)生較大的變形，濕彈性模量E50平均值為10GPa左右；③透水性弱、親水性強(qiáng)，遇水易軟化，失水易崩解，軟化系數(shù)一般為0.4～0.7，以弱膨脹—中等膨脹為主，局部具有強(qiáng)膨脹性；④流變效應(yīng)明顯，長期強(qiáng)度一般為單軸抗壓強(qiáng)度的70%。

在紅層軟巖中開挖深埋長隧洞工程勢必會遇到各種復(fù)雜的工程地質(zhì)問題，較為突出的工程地質(zhì)問題主要表現(xiàn)為圍巖穩(wěn)定問題和軟巖大變形問題，在設(shè)計(jì)及施工過程中應(yīng)結(jié)合滇中紅層軟巖特殊的工程地質(zhì)特性，提出科學(xué)、合理的工程處理措施及建議，為確保滇中引水工程經(jīng)濟(jì)安全地施工及運(yùn)行提供重要的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。