竹溪隧道泥质板岩岩围岩水理性试验研究
杨延龙
摘 要：通过制作不同条件的泥质板岩试件，进行不同条件下泥质板岩的水理性试验，得到泥质板岩吸水率、饱和度随时间变化的规律，泥质板岩在垂直于层面和平行于层理面2个不同方向的膨胀特性，以及风化程度不同的泥质板岩的崩解特性。结果表明：泥质板岩吸水率在浸水先期增长较快，饱和吸水率要比自然吸水率大，吸水率和饱水率受试样的完整程度、风化程度具有较为明显的影响；其膨胀变形前期增长较快，同时受层理面方向影响而表现出明显差异；泥质板岩具有明显的崩解特性，试样越破碎，风化程度越高，其崩解作用越强烈。地下水以自由水、结合水、毛细水、吸附水的作用方式作用于泥质板岩的孔隙、节理面及黏土矿物内部等，导致岩土体含水量增加、接触角增大以及胶結方式和紧密程度等变化，从宏观上改变的泥质板岩的物理力学特性。从工程角度出发，当掌子面及其附近区域出现地下水时，应及时内完成掘进和初衬施工，裸露时间不宜过长。同时需加强排水，综合考虑围岩的岩性、完整程度、风化程度等多种因素，采取必要的加固措施。
关键词：隧道工程；泥质板岩；水理性；工程措施
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）05-0072-05
隧道结构的稳定性受到围岩自身特性、环境因素以及设计与施工等多种因素的影响。在环境因素中，地下水以气态水、毛细水、重力水等多种型式赋存于岩土体的裂隙、孔隙、溶隙、管道等各种孔隙中，以吸附、结晶、毛细作用、承压水等多种方式与岩土体相互作用，导致岩土体微观结构和宏观力学特性的改变，从而影响到围岩与结构的稳定性。随着巷道、隧道结构埋置深度的增加，重力水在其自重作用下的压力将不断提高，岩土体在地下水作用下的变形效应表现更加明显。由于地下水对页岩强度具有明显的软化作用，在地下水作用下，页岩隧道围岩大变形、塌方、衬砌开裂等灾害问题十分频繁。宜万铁路堡镇隧道局部隧段埋深达到630m，围岩为泥灰岩、页岩，曾经局部发生大变形灾害。研究表明软岩强度低、深埋隧道产生的高地应力和地下水是引起该隧道大变形的主导因素。在其大变形过程中，地下水具有诱发和加速大变形灾害发生的作用。宜万铁路野三关隧道和马鹿菁隧道造成了机械损毁和人员伤亡的突水事故分析认为隧址区工程地质条件及复杂的水文地质条件是造成突水事故的本质因素。都汶高速公路龙溪隧道由于泥岩中的蒙脱石矿物成分遇水迅速膨胀，加上页岩层面间粘性差，其衬砌结构在先期稳定的状态下，受地下水作用，结构发生大变形。其最大收敛达到182.5m，并最终导致支护结构溃屈破坏。为了克服地下水对巷道、隧道等地下工程的不利影响，许多学者从各个方面研究了水-岩土体的相互作用机理，以及岩土体的水理特性与其力学特性的相互关系等，并提出了相应的工程措施。高水压力的存在对岩石由脆性向塑性的发展具有抑制作用，能不同程度地降低岩石的力学强度，同时，水的作用能加剧岩石软化区裂纹的扩展和贯通进程。板岩在泡水后三轴抗压强度最大降低辐度达46%左右，其泊松比与弹性模量均随着岩石吸水率的增大而呈现增大的趋势，并明显受到板岩各向异性特性的影响。水对炭质板岩强度和变形的影响是显著的。饱水后的岩样的峰值强度降幅为26%。涌水对隧道软弱围岩不仅具有软化作用，能降低围岩的强度，同时，渗流在岩土体的孔隙、管道中流动，带走了围岩中的细小颗粒。涌水是引起隧道出现严重塌方的最重要因素。在富水地区，地下水通过围岩孔隙、裂隙、裂缝等仰拱处集留，使软岩泥化、软化以及膨胀现象，容易导致隧底隆起。为了防止软岩隧道仰拱在地下水作用下产生隆起病害，全面加强隧道排水具有十分重要的作用。板岩及其结构面在水的作用下，其水力特性会发生变化，进而影响到板岩的力学性质。因此，由此可见地下水对隧道的结构的影响至关重要。本文结合竹溪隧道具体工程实际，对隧道泥质板岩围岩的水理特性进行试验研究，并提出工程施工建议，对依托工程施工决策具有实际的指导意义。
1 工程概况
竹溪隧道隧为高速公路山岭隧道，全长2480m。隧址区域岩层主要为元古界-下古界的变质岩，岩性以片岩、板岩、千枚岩为主，地层岩性片理、节理裂隙十分发育，部分节理面充填泥质、方解石脉和石英脉。大部分隙面多见锰质侵染。大量片状矿物和晶粒矿物定向分布，岩层具各相异性特性。强度、稳定性低，具有遇水易软化、易崩解、易破碎、蠕变特性明显的特征。
2 泥质板岩的水理性试验与分析
2.1 吸水特性试验
2.1.1 试验方案
泥质板岩的吸水试验是分析掌握其吸水程度和吸水率随时间的变化规律的基本方法，也是泥质板岩力学性能试验的基础。参照水工行业相关规程[11]测定泥质板岩的天然含水率、自然吸水率和饱和吸水率。
按照岩石完整性不同取样进行岩石的吸水试验。试样的完整性分为：完整、较完整、较破碎3种程度。同一种完整程度岩石取2个试样。其中试样TX1和试样TX2为完整岩石，试样TX3和试样TX4为较完整岩石，试样TX5和试样TX6为较破碎岩石。表1和图1为完整程度不同的岩石试样吸水率随时间变化的试验结果。
2.1.2 试验结果分析
从表1和图1可以看出：各组岩石试样破碎程度不同，吸水率都变现为随着岩石试样浸水时间的增加而呈现为增加的趋势，但各组岩石吸水率的大小不同。在岩石试样浸水的最初3天内，各组岩石试样的自然吸水率增长较大。试样浸水4-7天的吸水率虽然也表现出增大的趋势，但吸水率增加量逐渐减小，吸水率相对接近稳定。7d后泥质板岩岩石试样的吸水率增加非常有限，几近趋于恒定值。因此，浸水到9d后试验停止。这说明泥质板岩的吸水主要3天内完成。从隧道工程应用角度出发，当掌子面有地下水出现后，尽可能在3天内完成出水隧段的掘进施工，当需要采取工程措施时，最长施工时间控制在3天内较为合理。
从表1和图1也可以发现：泥质板岩饱和吸水率与岩石的破碎程度紧密相关。破碎岩石试样的饱和吸水率明显大于完整岩石试样的饱和吸水率。岩石越破碎，其饱和吸水率越大。这说明碎裂的泥质板岩吸水更加容易。而水对岩石的工程性质的作用是不利的。说明破碎岩石的工程性质更容易受到水的影响。从隧道工程的角度来看，对于泥质板岩围岩隧道，当围岩完整性变差，而地质环境中存在水的条件下，围岩的稳定性不良，应及时排水，必要时采取工程加固措施，防止破碎围岩在水的作用下发生大变形等地质灾害。
从吸水试验结果表1和图1可以看出：泥质板岩的饱和吸水率在0.23%-0.77%范围内。泥质板岩自然吸水率在0.09%-0.26%范围内。泥质板岩的饱和吸水率要比自然吸水率大。从隧道工程应用的角度来看，当泥质板岩围岩受到地下水的浸蚀，尤其是受到承压水作用时，泥质板岩的饱和度会迅速增大。这种情况对泥质板岩的稳定性是十分不利的。因此，应及时排除地下水，以减小地下水对泥质板岩围岩稳定性的影响。
通过计算得到各组岩样在吸水试验中饱和度随时间的变化规律，如表2。
从表2中可以看出，随着各组岩石试样浸水时间的增加，各组岩样的饱和度呈现出不断增加的趋势加。同样说明，当隧道围岩为泥质板岩，掌子面出现地下水时，应及时采取相关工程措施以保证围岩的稳定性。而各组岩石试样饱和度的大小表现不同，较完整泥质板岩试样饱和吸水率平均值达到96.67%。较破碎岩样的饱和度平均值为91.62%。而完整岩样的饱和度较低，饱和度平均值为86.01%。这说明泥质板岩岩块的尺寸对其饱和度产生明显的影响。因此，从隧道工程的角度来讲，地下水对泥质板岩围岩的稳定性的影响防治措施还应在考虑岩石的完整程度的基础上作出综合考虑。
2.2 膨胀特性试验
2.2.1 试验方法
泥质板岩受到水浸蚀作用还会引起其体积膨胀。通过泥质板岩的膨胀特性试验，可以得到泥质板岩浸水后其体积膨胀变形随时间变化而变化的规律，以及膨胀特性受到影响的相关因素。考虑到泥质板岩各向异性特性，试验时制作2组4个试件，每组2个试件。一组试件轴向平行于层理面，一组试件轴向垂直于层里面。通过两组试件浸水膨胀特性试验，研究泥质板岩在垂直于层面和平行于层理面2个不同方向的膨胀特性。参考水利水电工程相关试验规程，制作标准圆柱形试件2组4个，并测定试件的轴向和径向方向的尺寸。然后将标准圆柱形型试件完全浸入水中，隔一段时间分别测量各泥质板岩试件在径向与轴向方向的尺寸，并计算每一间隔时间的尺寸变化量。试验过程中，保持试样完全浸没在水中，保证试件充分吸水。分别计算泥质板岩试件的轴向自由膨胀率与径向自由膨胀率。
表3为泥质板岩在垂直于层理面和平行于层理面2个方面上膨胀性试验所得结果。
2.2.2 试验结果分析
从表3可以得到泥质板岩膨胀特性如下：
（1）随着泥质板岩浸水时间的增加，泥质板岩的膨胀变形量表现出逐渐增加的趋势。泥质板岩的膨胀变形主要发生在浸水作用的前3天。泥质板岩浸水后发生膨胀随着时间的变化而变化。在开始一段时间膨胀应变变化很快。随着泥质板岩试样浸水时间的增加，泥质板岩试样膨胀变形速率逐渐越小。最终泥质板岩的膨胀变形量逐渐趋向于某一恒定值。其膨胀变形在垂直于层理面和平行于层理面两个方向表现出相似的规律性。
（2）泥质板岩的膨胀变形的绝对值与层理面方向紧密相关。即泥质板岩在试件轴向垂直于层理面方向和平行于层理面方向的膨胀变形量值是不同的，其膨胀变形量分别为0.023-0.139%和0.001%-0.033%，也就是说层理面垂直与试件轴向方向膨胀率是层理面平行方试件轴向方向的4-20倍左右；
从岩石微观构造角度来分析泥质板岩的这种变形特性：当泥质板岩受到水的浸蚀，随着泥质板岩浸水时间的不断增加，水不断地沿着泥质板岩层理面上进入试样内部，层理面附近的粘土矿物吸水以后会发生体积膨胀。因为水很难进入层理面之间岩体本身，两层理间所含的粘土矿物膨胀小一些。在垂直层理面方向上，由于层理面间的粘土矿物较之于平行层理方向的矿物，与水直接进行接触的面积和数量较大。试件在该方向产生的体积膨胀变形累计较大。同时试样在不同方向上的膨胀应变量表现出明显的差异。
2.3 泥质板岩的崩解特性试验
2.3.1 试验方法
崩解是岩石的一个重要水理特征，岩石的崩解特性是指岩石浸水的发生解体的现象。它是反映岩石水理特性的一个重要特性。岩石的崩解呈现出多种形式，包括均匀的碎屑状、颗粒状、泥状以及破块状等不同形式。岩石的小破碎群体集聚在一起宏观上表现为岩石的崩解现象， 小破碎岩石由微小破裂岩石演化而来。岩石的崩解是否发生与岩石的矿物成分、粒度的构成及胶结形式等密切相关，同时也受到岩石风化程度、岩石裂隙发育程度与结构特征的影响。岩石的崩解时间、崩解速度、耐崩解指数及崩解特征是评价岩石崩解特性的常用指标。岩块试样从浸水前的形态到发生完全崩解所需要的时间段即岩石的崩解时间。岩石在浸水后经过一定定时间所产生的质量损失的百分比即是岩石的崩解速度。而岩石试样在试验中表现的各种现象称为岩石的崩解特征。
在隧道现场取4种不同风化程度的圍岩岩样。即全风化泥质板岩、强风化泥质板岩、中风化泥质板岩和弱风化泥质板岩。全风化板岩表现为桔黄色、褐色；强风化板岩表现为褐灰色，呈泥沙质结构，板理状状、板状劈理构造；中风化板岩呈砂状结构和板理状状、板状劈理构造，为青灰色，节理裂隙发育较多。试验中，将泥板岩岩样直接浸入水中进行泥质板岩的崩解特征观察，以掌握泥质板岩的崩解特性和泥质板岩的崩解变化过程。
泥质板岩在不同风化程度状态下的崩解特性试验中，试样处于烘干、自然含水率状态以及日晒处理。日晒时间分别为4h、12h、24h、36h、48h、72h等不同状态。试验时，将泥质板岩试样完全浸入水中，每间隔一段时间观察试样在水中的崩解特征，并记录好泥质板岩试样崩解特征。泥质板岩崩解特性试验结果见表4。
2.3.2 试验结果分析
通过表4中试验结果来看，竹溪隧道附近泥质板岩受水作用后发生强烈的崩解，其崩解特性特性比较强烈。岩样含水率越低，岩样受水浸蚀后的崩解特性越强烈。这说明泥质板岩越干燥，泥质板岩遇水软化现象和崩解效应越明显。这说明泥质板岩越干燥，泥质板岩遇水软化现象和崩解效应越明显。泥质板岩的风化程度越强烈，岩样受水浸蚀后的崩解也越强烈。从工程的角度来看，当天气持续干旱后出现大降雨量情况时，泥质板岩的崩解特性强烈。泥质板岩遇水的发生强烈的崩解特性极易诱发围岩大变形、塌方、坍塌等地质灾害，这是应特别注意观察地下水的发育状况，并根据其现场状态采取必要的相应工程措施。
3 泥质板岩的水理特性机理分析
3.1 地下水在泥质板岩中的赋存状态
地下水主要以自由水、结合水、吸附水和毛细水4种形式存在在泥质板岩中。水的存在形式不同，对泥质板岩作用的水理性机理不同。重力水存在于地下水位以下的岩石层中的地下水，在其重力或压力差作用下发生自由运动，对岩土颗粒有浮力作用，重力水对岩土中的应力状态和围岩卸载状态下隧道所应采取的排水、防水工程措施有重要的影响。结合水存在与岩石颗粒附近，并具有很强分子吸附力作用，结合水在自身重力作用下不可以自由移动，因而具有一定抗剪能力。表面引力服从库仑定律，随距固体表面距离增大而减弱。泥质板岩中的结合水主要通过潜蚀作用、联接作用、润滑作用、水解作用以及冻融作用来改变岩体的结构和成分，从而影响泥质板岩的水理性质。结合水的含量与泥质板岩的矿物成分的紧密相关。吸附水是受到一定程度吸附力作用，但不受重力作用。粘土中吸附水含量较多。毛细水是依靠毛细力而存在于毛细空隙中的水。毛细水不受颗粒表面引力影响。毛细水受岩石孔隙的形态、分布、温度、压力以及饱和度影响较大。毛细水在随压力作用下能产生移动。岩石中粘土类矿物较多时，其毛细水含量相对较多。试验结果表明：随着泥质试样浸泡水中时间的增加，泥质板岩中的结合水不变，吸附水含量逐渐增加但增加不大，而毛细管水含量表现出明显的增加趋势，最终含水率增加较多，完全饱和时含量接近0.8%。随泥质板岩浸水时间的延长，矿物颗粒间的强结合力与弱结合力变化不大，毛细管力则逐渐降低，直至降低到某一恒定值。在宏观上表现为泥质板岩力学强度降低，岩石发生软化。在浸水时间较长时，泥质板岩甚至会发生崩解、泥化。
3.2 接触角变化
泥质板岩试样的水理特性主要由其内部矿物颗粒及粘结力决定，而内部粘结力受毛细管力的影响最大。平行于层理面方向的润湿角比垂直于层理面方向的润湿角要大。由此说明，由于孔隙和裂缝的存在，导致层理发育在层理垂直方向两者的存在相比较层理面平行方向多很多，从而使得层理间有更弱的毛细管力，最终是水沿层理面更容易渗入试样内部。
润湿角随着泥质板岩试样浸水时间的增大而逐渐减小。在最初几天润湿角减小的速度比较大。随着泥质板岩试样浸水时间继续延长，泥质板岩润湿角逐渐减缓。最终趋于基本稳定状态。从润湿角减小的幅度来看，平行层理面方向的润湿角比垂直层理面方向润湿角减小要小。原因是试样是在吸水饱和的初始阶段，层理面间的孔隙、裂缝较多，吸水性表现出比较强，该阶段润湿角变化较大。当到泥质板岩吸水饱和后，泥质板岩孔隙吸水减少，润湿角也逐渐趋于稳定。
3.3 微观结构分析
泥质板岩层理面间的裂缝及孔隙是水进到泥质板岩内部的主要通道。因此，它是导致层理间的矿物及胶结物颗粒在浸水后的体积膨胀情况与岩石内部明显不同。岩石内部颗粒及胶结物部因水难以进入而基本没有变化。软岩产生体积膨胀的主要原因是水进入层理间的孔隙和裂隙后，其中的粘土矿物、细小岩粒的吸附水膜增厚。
浸水改变了泥质板岩层理面附近的胶结方式和紧密度，使泥质板岩内颗粒之间的胶结由原来干燥状态时孔隙衬垫式、孔隙充填式两种结构紧密的形式变为结构松散的形式。这是由于水使部分粘土颗粒体积膨胀产生的应力，使泥质板岩内部结构松散、粘结力变小。绿泥石和绢云母等矿物在岩石中含量较多，会导致试样产生较大的膨胀。矿物颗粒定向排列的垂直方向，可能因岩样含有较多绢云母与绿泥石，产生较大的膨胀量和膨胀力。
以粒间孔为主的泥质板岩内部孔隙结构，在层理面区域和岩石内部分布差别较大。在泥质板岩浸泡后，由于节理面附近含有较多的裂隙，其中矿物体积膨胀，结构变得松散，浸水时间越长，岩石中含水较多的区域孔隙度会变得越大，与此同时，孔隙大小也在增大。
泥质板岩的吸水率一般在试验放入水中的最初几天变化明显，之后增加减缓，9d左右试样基本达到饱和状态，趋于稳定状态。润湿角的变化趋势基本相同，同样是开始变化明显，之后逐渐减缓，最终趋向某定值。
4 结论
通过泥质板岩的水理特性试验与机理分析，得到以下结论：
（1）泥质板岩的饱和吸水率和自然吸水率分别在0.22%-0.77%之间和0.09-0.25%之间。泥质板岩试样浸水时间的增加，泥质板岩吸水量逐渐增加，但吸水速率趋于减小。泥质板岩吸水主要3天内，节理越密，吸水率越大。当掌子面有地下水出现后，尽可能在3天内完成出水隧段的掘进施工和衬砌施工，裸露时间不宜超过3天。对于掌子面围岩破碎或有承压水时，应综合考虑上述因素进行加固和排水处理；
（2）泥质板岩试样的膨胀变形随着试样浸水时间的延长而增大。随着浸水时间的延长，其膨胀变形速率逐渐减小。泥质板岩在垂直于层理面方向上的膨胀率为0.023-0.139%左右，平行于层理面方向上为0.001%-0.033%。泥质板岩膨胀变形期内的粘土矿物吸水后产生体积膨胀造成的，而水更容易进入层理面内，使层理面附近更多的粘土矿物吸水膨胀，导致了与层理面垂直方向的膨胀率数倍于与层理面平行方向上的膨胀率。
（3）泥质板岩的崩解性比较强烈，并且与试样的完整程度和风化程度有关。泥质板岩试样风化程度越严重、试样约越破碎，泥质板岩试样崩解越厉害，并且崩解速度越快。此外，泥质板岩试样在保持自然含水率情况下浸水后的崩解程度不如烘干后试样浸水崩解程度强烈。这说明泥质板岩越干燥，崩解效应和软化现象越明显；
（4）从水的赋存状态看，泥质板岩试样浸水时间的增加，使得泥质板岩中分子结合水以及吸附水没什么变化，或者稍有增加，而影响水理特性最大的的毛细管水含量增加较多；从润湿角来看：泥质板岩试样平行于层理面方向的润湿角比垂直于层理面方向的润湿角要大。水沿层理面更容易渗入试样内部。从微观结构来看：水进入泥质板岩层理间的孔裂隙后，其中的粘土矿物、细小岩粒的吸附水膜增厚，使泥质板岩膨胀，水使部分粘土颗粒体积膨胀产生的应力，使泥质板岩内部结构逐渐松散，粘结力减小。同时水的浸入也使泥质板岩孔隙率增加。此外，试验表明泥质板岩的吸水率变化与膨胀性表现出相同的变化趋势。但稍微滞后于二者，原因是颗粒吸水膨胀，产生应力需要一定的时间。
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基金项目：国家自然科学基金（51668017），江西省自然科学基金（2015ACB2016），江西省交通厅科技计划（2016D0038）
