新疆浅埋地层泥岩的吸水软化特性及隧洞支护对策研究

张勇，石富坤，王俊伟，张家瑄，卢昊，孙晓明

1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；3.北京邮电大学 后勤处， 北京 100083

输水隧洞对解决我国局部地区缺水、水库建设及民生等问题具有重要的战略保障作用。水与围岩相互作用能够显著改变围岩的强度[1-2]，对于以泥岩为主的输水隧洞，在隧洞开掘和应用期间围岩遇水软化现象尤为突出。围岩强度降低使得隧洞变形大，稳定性差，控制难度高，对隧道施工有严重影响。

国内外专家在软岩矿物成分、破坏机制及稳定性控制对策等方面做了大量研究。郭宏云等发现深埋软岩随吸水量增加其强度呈线性减弱，并通过对岩样矿物成分及微观结构的分析，指出了其强度减弱的主要原因[3]；冒海军等分析黏土矿物组构的差别与水化作用过程之间的关系，并进一步分析围岩变形破坏的微观演化过程[4]；潘艺等研究了红层软岩的崩解特征，并结合试验和理论分析揭示了水-软岩界面的细观演化规律[5]；周翠英等研究红层软岩微观结构特征，并建立了细观结构模型，指出水-应力作用下软岩强度减弱的主要原因在于软岩骨架颗粒间摩擦力的减弱[6]；冯夏庭等研究不同溶液环境下岩石的微观破坏行为，揭示了其微观动态发展过程[7]；邓华锋等开展了自然、干燥及饱和状态下红层软岩力学性质及微观结构的试验，得出黏聚力及内摩擦角与含水率成负相关关系，其中影响最为显著的是黏聚力，并指出岩样破坏的内部发展规律[8]；柴肇云等研究了泥岩因所含黏土矿物颗粒排列的择优取向进而导致其膨胀的各向异性，揭示了泥岩在加卸载作用下胀缩特性的形成机制[9]；杨永康等针对厚层泥岩顶板变形破坏机制进行了综合研究，并提出了此类巷道的支护设计原则[10]；杨晓杰等针对大强煤矿深部巷道遇水变形破坏问题，对不同含水率状态下的岩样进行了吸水软化试验，得出岩样的单轴抗压强度与吸水时间、含水率呈负指数变化[11]；孙晓明等研究了不同应力水平状态下层状软岩底鼓机理，并指出顶板与底板的相对强度是影响围岩稳定性重要因素，通过提高薄层软弱岩层的强度可提高支护系统的有效性[12]。Wang等针对深部高应力软岩巷道稳定性控制难题，研发了约束性混凝土高强支护体系[13]。

上述研究从软岩矿物组成、微观结构、破坏机制及其围岩稳定性控制对策等方面进行了相关研究，取得了大量的有益成果，但对以泥岩为主的浅埋隧洞围岩的微观变形破坏机制及其围岩稳定性控制机制方面的研究，尚待深入。结合上述分析，本文以新疆某输水隧洞工程为研究背景，采用室内试验与理论分析相结合的方法，开展泥岩吸水特性、强度软化、矿物成分分析及SEM电镜等系统实验，从泥岩遇水变化规律入手，深入分析其矿物组成及微观结构的动态发展过程，揭示泥岩吸水微观破坏机制，并提出以控制能量释放为核心的稳定性控制原则。研究成果可为类似条件下工程围岩的稳定性控制提供理论依据和参考。

1 实验系统及方法

1.1 实验系统

本研究采用深部岩土力学与地下工程国家重点实验室自主研发的深部软岩水理作用智能测试系统开展泥岩吸水特性软化实验[3，14]。实验系统主要由样品放置箱、中央控制系统、电子天平以及数据处理系统四个部分组成。该系统可模拟施工环境，创造出恒温恒湿的条件，能够真实再现隧洞围岩在施工过程中与水相互作用过程。泥岩水理实验示意如图1所示。

图1 泥岩水理实验示意图Fig.1 Mudstone hydraulic experiment simulation

1.2 实验方法

1.2.1 工程地质条件

该输水隧洞埋深约60 m，处于弱风化—新鲜基岩内，为Ⅴ类围岩；所遇岩层岩性为三叠系泥岩、砂质泥岩夹砂砾岩，厚层状，岩体完整；现场测试泥岩基本参数大致为：干密度2.22 g/cm3，饱和密度2.38 g/cm3，天然含水率7.3%；根据钻孔压实验，泥岩渗透系数k=7.1×10-6～1.46×10-5，属微透水层。

1.2.2 矿物组成特征

泥岩岩样的矿物组成和黏土矿物相对含量，见表1。

表1 泥岩全岩矿物组成及黏土矿物含量Tab.1 Mineral composition and clay mineral content of mudstone %

实验测得泥岩主要由石英、钾长石、钠长石、方解石、白云石和黏土矿物组成，其中黏土矿物含量高达50.3%；黏土矿物中主要成分为蒙脱石，其含量高达90%，此外有少量的绿泥石、高岭石和伊利石。因蒙脱石具有极强的吸水特性，尤其是在长期浸水条件下，若相应的支护设计不合理，将导致工程围岩出现大变形破坏现象。

1.2.3 实验步骤

在对该泥岩样品矿物组成分析的基础上，开展不同含水率下岩石力学实验及SEM扫描电镜分析，具体步骤如下：

(1) 现场取样并蜡封，以便保持现场围岩的真实状态，取部分原始样品称重得m1，烘干24 h后再次称重m2，获得泥岩天然含水率w1。

(2) 根据实验设计加工制备不同含水率的标准岩样(图2)，并依据含水率的不同，将样品分成干燥和含水率10%、7%、9%、8%五组。其中，A组包括A-1、A-2及A-3三个样品，B组包括B-1、B-2及B-3三个样品，C-1组包括C-1-1、C-1-2及C-1-3三个样品，C-2组包括C-2-1、C-2-2及C-2-3三个样品，C-3组包括C-3-1、C-3-2及C-3-3三个样品，分析现场所取岩样的矿物组成及其黏土含量。

图2 不同含水率的泥岩Fig.2 Mudstones with different water contents

(3) 对泥岩岩样进行泡水实验，掌握泥岩遇水不同时间点的物理状态；采用单面无压吸水测试系统测得岩样饱和含水率w2，以此等差设计不同含水率泥岩无压吸水对比实验，总结泥岩吸水时间特征。

(4) 计算各岩样达到设定含水率时所需的吸水量，使岩样吸水至预定含水率，密封保存一段时间，以确保水分在岩块中均匀扩散，随后对岩样进行单轴压缩实验，研究并分析岩样在不同含水率下力学强度的变化情况。

(5) 开展不同吸水率下岩样电镜扫描实验，分析泥岩吸水软化微观结构变化规律。

通过上述实验研究，为后续系统深入的分析泥岩吸水软化微观破坏机制奠定实验基础。

2 实验结果分析

2.1 岩样泡水实验结果分析

将制备好的岩样完全浸入水中，以便详细观测岩样不同时间段的宏观变化特征。岩样浸入水中1 min时，其表面出现一条裂纹，10 min后岩样四周出现裂纹，相邻裂纹出现贯通并发展成裂缝；20 min时裂缝继续发展并导致岩样中部分块体出现剥落现象，有离体趋势；60 min时出现大小块体同时剥落现象，岩样整体已经完全破坏；经历20 h浸泡后，岩样中剥落的大块体逐步变成小块体，小块体变成粉末状。其变化情况如图3所示。

图3 岩样浸水不同时间变化情况Fig.3 Variation of rock sample immersion in different time

考虑到泥岩中黏土含量达到了矿物组成的一半左右，且黏土矿物主要由蒙脱石组成，而蒙脱石的吸水能力极强，在吸水后泥岩会发生膨胀，导致泥岩颗粒之间逐渐分离，形成裂缝。随着浸泡时间的增加，泥岩的骨架强度由于黏土的膨胀分离而降低，出现块体剥落现象，最终引起岩样整体破坏。

2.2 泥岩吸水特征实验结果分析

通过开展泥岩岩样饱和吸水实验，并对泥岩吸水量随时间变化曲线进行拟合(图4)，根据拟合曲线，可将泥岩饱和吸水特征曲线用如下函数表示：

Qt=A1e(-x/t1)+A2e(-x/t2)+Q0

(1)

图4 岩样饱和吸水特征曲线Fig.4 Saturated water absorption characteristic curve of rock sample

式中，Q0、Qt分别为泥岩初始含水量、泥岩吸水量，g；t为时间，h；A1、A2、t1、t2均为常量。

通过对泥岩吸水量-时间曲线拟合，依据曲线斜率及吸水量增速的大小进行分析，可将曲线划分为三个阶段。

第Ⅰ阶段：急速吸水阶段。曲线斜率近似于无穷大，此阶段所需时间大约为2 h，吸水量约占总吸水量的67%。

第Ⅱ阶段：减速吸水阶段。曲线斜率逐渐变缓，此阶段所需时间最长，约为6 h，吸水量约占总吸水量的17%。

第Ⅲ阶段：匀速吸收阶段，曲线斜率逐步趋于稳定。此阶段吸水量约占总吸水量的16%，所需时间约为42 h，随着时间的增加其吸水量将逐渐趋于饱和。

2.3 强度软化实验结果分析

为进一步确定不同吸水状态下泥岩强度衰减特性，分别开展了含水率为7%(天然状态)、8%、9%、10%(饱和含水率)下的力学特性实验研究。选取12个原始质量相同的标准泥岩样品，加入不同质量的水，使其达到设定含水率，对岩样进行密封保存5 h，最后开展单轴抗压实验，岩样在不同含水率下的破坏状态及应力应变关系曲线如图5所示。

图5 不同含水率下岩样应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of rock samples with different water content

从图中可以看出，不同含水率条件下的泥岩样品应力应变曲线有较大不同，含水率越高，泥岩达到同样变形效果所需的应力就越小。具体来说，泥岩样品含水率为7%时，变形所需最大应力为12 MPa；泥岩样品含水率为8%时，变形所需最大应力为4 MPa；泥岩样品含水率为9%时，变形所需最大应力为1.4 MPa；泥岩样品含水率为10%时，变形所需最大应力为0.9 MPa。同时发现，在同一含水率条件下，泥岩达到变形所需应力也有明显不同，这是因泥岩中亲水矿物分布不均，导致泥岩骨架强度下降程度不一致。

对不同含水率下岩样的单轴抗压强度进行强度软化百分比计算，形成强度软化百分比曲线；对曲线进行玻尔兹曼预测函数拟合，拟合曲线如图6所示。

图6 强度软化百分比曲线及玻尔兹曼拟合Fig.6 Strength softening percentage curve and boltzmann fitting

泥岩吸水后强度迅速降低，从干燥状态到饱和状态的过程中，泥岩的强度并非呈现线性变化。通过对玻尔兹曼预测函数拟合曲线分析可知：

(1) 岩样由干燥状态吸水至饱和状态，可分为强度无损态、急速软化态和软化休止态三种状态。

(2) 岩样从干燥状态至含水率6%，岩样强度降低10%，说明在该阶段水对泥岩的强度软化影响很小，为强度无损阶段；岩样含水率从6%上升至9%，岩样的强度下降88%，下降幅度极大，称为急速软化阶段；当含水率超过9%后，进入软岩休止阶段，岩样强度没有明显变化。

(3) 自然状态下的泥岩含水率为7%，处于急速软化阶段。为减少施工中围岩大变形，需针对该隧洞围岩选取横阻效果好的材料进行支护。

表3 岩样压缩实验结果Tab.3 Experimental results of rock sample compression

3 泥岩吸水软化微观破坏机制

3.1 SEM扫描电镜实验结果分析

为深入分析不同吸水率下泥岩内部微观结构变化规律，现采用LINK-ISIS型能谱仪对实验岩样进行SEM扫描实验。分别对含水率为7%、8%、9%和10%的岩样进行1 000倍和5 000倍电镜扫描，实验结果如图7和图8所示。

图7 不同含水率的泥岩扫描电镜结果(1 000倍)Fig.7 Scanning electron microscopy results of mudstones with different water contents (1 000 times)

由实验结果可知：

(1) 自然状态下岩样主要由黏土矿物、石英和钠长石以颗粒分布的形式组成，整体比较平整，颗粒间胶结密实，有少量裂隙但发育不明显，结构完整性程度高。

(2) 在对岩样放大1 000倍下，可见岩样中颗粒单元间的裂隙发育；随着含水率的增加，岩样内部横向裂隙和竖向裂隙不断发育，当一定范围的裂隙横纵向发育相连通后，颗粒间的相互作用明显减弱，整体结构不再平整而呈现块状分离。

(3) 对岩样放大5 000倍，自然状态下岩样中分布的蒙脱石颗粒多呈现片状、絮状结构，相邻颗粒间存在接触应力[12]；随着含水率的增加，颗粒间接触应力逐渐减弱诱发岩样中黏粒的流失，导致岩样孔隙发育，逐步扩展成微小裂隙；相邻孔隙贯通后形成大的孔隙，最终导致岩样出现块状分离。

由此可见，该隧洞围岩因大量蒙脱石颗粒的存在，吸水膨胀后，易造成颗粒间接触应力较小、黏粒流失，导致内部裂隙及裂缝的发育并扩展，进而导致块状体的剥落，其结构完整性遭到破坏，工程表现为围岩表面的鼓起、开裂及脱落，若支护材料及支护技术不妥，将诱发围岩的大变形破坏。

3.2 微观破坏机制

通过对上述一系列的隧洞围岩室内实验数据的整理分析，结合软岩工程力学及相关工程经验，在不考虑支护工况的条件下，可将该隧洞围岩的破坏机制总结如下：

(1) 以蒙脱石为主的黏土矿物含量高。室内实验测得黏土矿物含量最高可达50.3%，且蒙脱石占90%，使得围岩易吸水膨胀，其内部微观结构产生撕裂，原有稳定结构状态遭到破坏。且水-岩相互作用后，原矿物溶蚀，新矿物产生，削弱了黏土颗粒间的力学联系，造成了岩石内部的化学损伤，这种损伤是泥岩吸水软化的主要原因之一。

(2) 含水率增加导致泥岩结构的变形破坏。干燥状态下泥岩内部微观结构呈现致密、颗粒单元较大的特点；随着含水率的增加，其内部首先是微裂隙的发育扩展，形成较大的裂缝，随后原有裂缝的贯通及新生裂隙的不断发展，最终形成较大的孔洞，进而造成了颗粒间块体的剥落，表现为岩样大小不一的块体剥落，完整性遭受破坏。

(3) 孔隙水的运移与矿物流失。已有研究表明[3]，泥岩吸水后结构内孔隙充水，泥岩中的矿物颗粒在水的作用下一部分遇水发生化学反应生成新的矿物，一部分在通道中、在水动力的带动下发生运移。这造成了新孔隙的产生和老孔隙的堵塞，进而使得泥岩原稳定状态发生改变。这是泥岩前期吸水速率极高、后期吸水速率下降的主要原因。同时，这种运移使得原来密实、平整的结构变得松散，致使泥岩的结构失稳破坏。

4 软化特征及控制对策

以上述泥岩吸水系列实验为基础，获得隧道泥岩力学变形机制，结合软岩工程力学[15]及相关围岩稳定性控制理论，针对以泥岩为主的隧洞围岩，建议在施工期间采取如下措施：

(1) 确定工程软岩类型及变形力学机制。软岩工程难治理的根本原因在于其软岩类型的复杂性，故确定工程软岩的类型是解决该问题的首要问题。根据现场调研发现，本文所用到的岩芯为砂质泥岩夹砂砾岩，岩层为三叠系泥岩，围岩分类Ⅴ类；根据泥岩不同含水率下的强度软化实验结果分析，获得泥岩变形力学机制。通过扫描电镜进一步分析泥岩吸水后微观破坏情况，为后续实验研究提供依据。

(2) 根据软化特征确定稳定性控制对策。治理工程软岩大变形问题的关键是确定其软化力学机制[15-16]。根据泥岩变形力学机制，明确该隧道泥岩的变形具有显著的、非线性大变形的特征，在泥岩含水率小于6%时，强度软化不明显；当含水率从6%上升到9%时，泥岩强度急速软化；当含水率超过9%时，强度软化处于休止状态。基于泥岩强度软化非线性规律，确定在隧道断面开挖后应及时喷浆封闭围岩，以提高预应力、控制围岩前期变形；随后采用支护材料对隧道进行支护，既能释放围岩中强度软化集聚的变形能量，又可保证围岩整体的稳定性。

(3) 选取具有高恒阻、大变形的支护材料。在喷浆封闭围岩的基础上，需要采用支护效果显著的材料，防止隧道泥岩出现软岩大变形问题。目前，常规支护还是以小变形、低预应力为主，现有的高预应力材料尽管解决了预应力低的问题，但其变形量减小且变形与其支护阻力成正相关，这就使得支护体系易积聚能量，往往造成围岩局部首先发生破坏，进而引起整体的支护失效，这对于隧道泥岩施工是极其不利的。因此，在隧道施工过程中，建议采用具有恒阻、大变形及高预应力等特性的支护材料，如恒阻大变形锚杆/索、让压管或让压环等支护构件[17-21]。

5 结 论

(1) 该输水隧洞泥岩黏土矿物成分高，最大可达50.3%，且蒙脱石含量高达90%，极易吸水软化，高含量的黏土矿物成分与水相互作用是泥岩强度软化的根本原因之一。

(2) 泥岩的吸水过程可分为三个阶段：急速吸水阶段、非直线状态的减速吸水阶段、匀速吸水阶段；采用玻尔兹曼预测函数对其吸水后强度变化过程进行拟合可分为三种状态：强度无损态、急速软化态、软化休止态，并得出其吸水软化分界点为含水率6%。

(3) 泥岩中蒙脱石的含量高，随含水率的增加岩样中的蒙脱石吸水膨胀，降低岩样的骨架强度，其内部将经历微裂隙发育、发展及贯通的破坏过程，这是隧洞发生微观变形破坏的主要原因。