膨胀性页岩铁路隧道围岩大变形机制及化学抑制技术研究

李靖杰，张 馨，孙金山，张湘平，赵志涛，董 千，张 震，胡玲玲

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.江汉大学精细爆破国家重点实验室，湖北 武汉 430023;3.中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

泥岩与页岩在我国分布广泛，当其矿物成分中富含黏土矿物时，其体积会因水-岩作用而产生一定的膨胀变形，当膨胀变形受到约束时岩石则可产生较大的内应力[1]。因此，受到膨胀岩水-岩作用产生的“膨胀性围岩压力”[2]与膨胀岩崩解、软化等水理劣化机制的影响，使得此类膨胀岩隧道工程常发生围岩大变形、底鼓、坍塌等工程灾害。

目前，在膨胀岩隧道工程灾害防治方面，国内外主流的设计方法与施工措施可以归纳为：优化断面形状[3-4]、增强支护结构[5-7]、施做缓冲夹层[8]、注浆止水加固[9-11]、洞内外截排水[12-13]等。根据作用机制的不同，可以将这些防治方法分为以“增强支护结构，抵抗围岩膨胀”的被动治理方法和“减少水分侵入，抑制围岩膨胀”的主动治理方法。然而，此类传统的围岩大变形控制技术存在治理效果不佳、工艺复杂、成本高等问题。

分析膨胀岩致隧道工程发生灾害的特有内因，便绕不开膨胀岩中富含的令岩体具有膨胀潜势的矿物成分。在页岩中常见的膨胀性矿物当属黏土矿物——此类膨胀岩被归属于第二类膨胀岩[14]。针对黏土矿物的膨胀机制，Prost等[15]指出水是以吸附作用和毛细凝聚的形式存在于黏土颗粒和团聚体之间的，形成的水膜是引起黏土矿物膨胀的原因；贾景超[16]将黏土矿物遇水至饱和的过程分为结晶膨胀与长期膨胀两个阶段，并发现浸泡溶液的浓度与黏土水膜的厚度呈负相关；Li等[17]根据蒙脱土阳离子交换试验与膨胀试验发现，阳离子种类亦可影响黏土的膨胀率。值得注意的是，贾景超[16]、Li等[17]以及众多学者[18-19]都注意到了黏土矿物的膨胀性受到浸泡液体种类与浓度影响这一现象。基于此，采用化学方法抑制岩石膨胀的研究也相继开展，如Tomislav等[20]采用硅酸盐溶液抑制页岩膨胀取得了良好的效果；Shi等[21]通过岩石膨胀试验与强度试验证实了氯化钾(KCl)溶液不仅可以抑制页岩膨胀，而且可以减少页岩遇水的软化效应；周辉等[22]对不同溶液浸泡下的饱和绿泥石片岩开展了力学试验，发现饱和氯化钠(NaCl)溶液对比蒸馏水能够起到一定的抑制软化作用，并结合岩石双电层理论分析，很好地佐证了贾景超[16]所提出的细观膨胀模型。可见，如果能选用适宜的化学试剂，采用化学方法从矿物成分的角度来抑制岩石膨胀潜势，以达到减少岩石宏观膨胀、崩解、软化等水理劣化性质和减小支护结构所受“膨胀性围岩压力”的目的，亦不失为一种有效的膨胀岩隧道灾害防治方法，但是目前针对此技术路线的研究在隧道工程领域开展得较少。

综上所述，本文依托某典型铁路隧道工程，在明确工程所处地层鄂西页岩的基本特征和分析隧道围岩大变形问题的主要原因的基础上，研究化学试剂抑制页岩膨胀的可行性，以为隧道围岩大变形的化学抑制技术提供理论基础。

1 工程概况

1.1 地质概况

郑万高铁湖北段ZWZQ-6标段位于湖北省襄阳市南漳县、保康县境内，正线起讫里程为DK461+845.429～DK497+645，全长为35.634 km。该路线位于扬子准地台一级构造单元北缘，上扬子陆块褶皱带之神农架-荆门台褶皱带内，发育有金斗-鞍子寨倒转背斜，该背斜轴向近东西向，西宽东窄，长约59 km，受土门断层错动，东段向南位移4 km，线路范围内断层发育，受区域地质构造影响，岩体较为破碎，岩层挤压严重且局部产状紊乱。

1.2 隧道及工程灾害概况

本研究以发生围岩大变形的黄家沟隧道为例，该隧道起讫里程为D1K468+230～DK476+237，走向为SW232°～256°,全长为7 827.279 m，最大埋深为422 m，其中浅埋隧道段为D1K471+600～D1K471+750、D1K475+000～ D1K475+150，埋深为30 m。隧道洞身通过岩层为志留系下统新滩组页岩，该页岩岩质较软，节理裂隙发育，层状结构明显，层间结合力差，同时岩体中还夹杂方解石矿脉，整体性差。

在水文地质条件方面，黄家沟隧道所处区域地下水以第四系孔隙潜水和基岩裂隙水为主，隧道围岩在无地下水条件下尚具有一定的自稳能力，但是在地下水发育地段，隧道掌子面最大涌水量可达到800 m3/d，此时基岩与软弱夹层遇水软化现象严重，围岩自稳能力下降明显，掌子面多次出现失稳、顶部岩层坍塌等灾害，且多次发生初期支护喷射混凝土脱落、拱顶钢架扭曲变形、初期支护变形侵限等问题，如图1所示。

图1 黄家沟隧道工程灾害概况

黄家沟隧道D1K471+665～D1K471+675段，位于浅埋沟谷地段，地质剖面图如图2所示。黄家沟隧道该浅埋段岩层产状为N39°W/50°S，并发育有3组优势节理：①N20°E/75°N、②N50°W/90°、③N60°E/90°。该段采用Vb型复合式衬砌，施工方法采用爆破开挖，三台阶法加临时仰拱，并辅以φ42小导管及全环型钢钢架加强支护。隧道建设过程中，右侧出现较大面积的初期支护混凝土崩落、开裂现象，外露出来的钢架已有明显的扭曲变形。经量测发现，该段D1K471+670处出现净空侵限问题，拱顶下沉累计最大值为591 mm，水平收敛累计最大值为610.8mm。

图2 黄家沟隧道浅埋段地质剖面示意图

2 页岩的基本特征与隧道围岩大变形机制分析

2.1 页岩的水理特征和矿物成分

本研究选取郑万高铁湖北段隧道内典型的志留系新滩组泥质页岩作为样本，对其基本特征进行分析。该页岩极破碎，节理裂隙发育，岩体中分布有多组方解石矿脉，均匀性极差(图3)；页岩呈薄层状，层理面定向排列明显、质地光滑且层间结合力极差。

图3 志留系新滩组泥质页岩

由于该页岩的完整性太差无法制备标准岩样进行单轴强度和弹性参数等测试，故为了得到页岩的水理特征和矿物成分，将原岩破碎、研磨制成岩块和岩粉，其中水理试验所用的岩粉依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)为研磨过0.5 mm标准筛制成。此外，此岩粉还制作成重塑样用于开展后续的岩石线性膨胀率试验和岩心崩解试验。

经过实验室测试，该页岩的水理特征和矿物成分见表1，该页岩的X射线衍射(XRD)图谱见图4。

图4 页岩的XRD图谱

由表1可知：

表1 页岩的水理特征和矿物成分试验结果

(1) 该页岩的矿物成分以黏土矿物为主，黏土矿物的总含量高达91.84%，其中伊利石含量为53.21%，绿泥石含量为38.63%。高含量的黏土矿物是使泥质岩具备膨胀潜势的内因之一。已有研究表明[23]，泥质岩矿物成分中伊利石含量若达到20%以上，岩石便具有明显的吸水膨胀特性。

(2) 该页岩的饱和吸水率为22.43%，根据《岩石与岩体鉴定和描述标准》(CECS 239—2008)中泥质岩膨胀势分级标准判定，该页岩具有弱膨胀势。同时，通过岩石饱和吸水试验中观察到，该页岩岩块浸水后崩解现象明显，液体浑浊，泥化现象严重，根据文江泉等[24]提出的岩石崩解判别特征，可以认定该页岩具有强崩解性。

综上分析可知，该页岩为具有强崩解性的弱膨胀岩。

2.2 页岩的微观结构

膨胀岩的膨胀性还与其微观结构存在密切的关系，因此本研究采用扫描电子显微镜(SEM)对该页岩的微观结构进行了观察。观察的样品为干燥状态下未打磨的页岩岩块，以保留其断面的页岩初始状态(见图5)，考虑到页岩的各向异性，采用平行层理面与垂直层理面的两个方向对样品进行扫描，得到页岩的微观结构SEM图像，见图6和图7。

图5 页岩的微观结构SEM图(×1 000倍)

图6 平行层理面方向页岩的微观结构SEM图(×2 500倍)

图7 垂直层理面方向页岩的微观结构SEM图(×2 500倍)

通过分析图5至图7可以发现：岩样微观结构为由薄片状黏土矿物将石英、微斜长石、钠长石等粗颗粒胶凝在一起的粗颗粒骨架-黏土胶凝结构，矿物间以面-面接触为主；岩石微观结构中存在大量的微裂隙，其宽度在200～2 000 nm左右，为水分子进入黏土团聚物间与晶胞层间提供了通道，也增加了水-土两相接触的相界面面积，导致页岩遇水膨胀性与崩解性的进一步加剧。需要特别指出的是，在页岩这种定向层状微观结构下，平行层理面方向存在大量的片层结构的边缘与断口(见图6)，黏土矿物于此处暴露的氢氧根、氧原子，作为“水化活性中心”[25]将会率先吸附水分子并产生膨胀，同时这种不均匀膨胀，将会在边缘、断口处产生“楔裂力”。大量的研究表明，页岩层理面强度弱于岩石基质强度，因此原有层间微裂隙将会在“楔裂力”的作用下沿层理面方向进一步向内扩展，增加层间膨胀量，降低层间结合能力，导致页岩平行层理面方向的急剧软化，产生顺层滑动、溜坍、偏压等工程灾害。

2.3 膨胀性页岩隧道围岩大变形机制分析

泥质膨胀岩发生膨胀的3个主要条件为：膨胀性黏土矿物、水和水迁移的路径[26]。依托工程现场地质条件、隧道灾害情况和岩石的室内检测结果，通过分析可知：

(1) 依托的隧道工程位于页岩地层中，该页岩中黏土矿物含量很高，因此应具有较强的流变性，在地应力、水、黏土矿物的共同影响下，隧道围岩必然不断发生流变变形，将导致隧道围岩收敛变形时间较长。

(2) 隧道内岩体存在的天然小型褶皱、节理构造以及后期爆破开挖对岩体造成的人为损伤，使得岩体十分破碎，也导致隧道开挖后围岩塑性区范围较大。加之，隧道围岩产状与隧道走向之间夹角较大，局部区域为40°～50°，十分破碎的岩体由于受到重力与地应力的影响具有沿结构面进一步发生滑移的趋势，将会造成支护结构的偏压与临空面的坍塌。

(3) 爆破开挖与隧道施工将会对原岩的结构产生改变。由于隧道所处地层地下水较丰富，辅以岩体内人为产生的裂隙和天然裂隙为地下水迁移提供的路径，使得隧道开挖后地下水沿裂隙向隧道内渗流，而喷射混凝土不仅不能有效封堵渗流通道，还会使地下水沿混凝土与岩石间的接触界面不断向隧道其他断面扩散，从而使得地下水的侵蚀区域不断扩散，泥质页岩遇水后发生显著的膨胀与崩解，初期支护系统将会受到显著的膨胀压力。

上述分析结果表明，依托工程隧道施工发生了围岩大变形和坍塌等工程灾害，通过工程灾害发生在有无地下水发育地段的区别可以判定泥质膨胀岩发生膨胀效应是导致工程灾害的重要原因之一，且在发生围岩大变形的区域喷射混凝土、锚杆和钢拱架的支护效果不理想。

3 抑制页岩膨胀的化学试剂比选

鉴于依托工程所体现的传统隧道膨胀变形控制技术存在经济性和控制效果不理想的问题，其作用机制层面的局限性集中于传统方案主要采用被动控制的方式，未从根本上改变岩石的膨胀性。因此，本文拟通过采用化学方法抑制页岩膨胀性进而达到控制隧道围岩变形的目的。以页岩重塑样作为试验对象，选择不同的抑制页岩膨胀的化学试剂开展了岩石线性膨胀率试验与岩心崩解试验。

3.1 化学试剂的选取与试验方案

3.1.1 化学试剂的选取

使用化学方法抑制页岩膨胀性方面的研究在石油钻井领域已经取得了诸多成果，这些化学试剂主要是从作用于页岩、抑制页岩膨胀和作用于泥饼、提高泥饼质量两个方面入手来保持页岩的稳定性。结合隧道施工条件，本文主要以前者的作用机制为标准选取了以下化学试剂：①无机化学试剂，包括氯化钾(KCl)[21]、碳酸钾(K2CO3)[27]、硅酸钾(K2SiO3)[20]、硅酸钠(Na2SiO3)[20]；②有机化学试剂，包括磺化沥青粉(FT-1)[28]、聚丙烯酸钾(K-PAM)[29]、聚阴离子纤维素钾盐(K-PAC)[29]、聚乙烯醇(PVA 1788)低黏度型[30]、聚乙二醇(PEG)2000[31]。

根据上述文献成果将所有化学试剂统一配制成5%KCl、5% K2CO3、5% K2SiO3、5% Na2SiO3、5% FT-1(浊液)、5%PVA 1788、5% PEG 2000、0.5%K-PAM、0.5%K-PAC溶液。

3.1.2 试验方案

不同化学试剂对页岩的膨胀性抑制效果与崩解性抑制效果，分别采用岩石线性膨胀率试验与岩心崩解试验进行评价。为了确保重塑样与原岩尽可能相似，试验设计的重塑样密度为2.5 g/cm3，与原岩密度(2.4 g/cm3)接近且形状稳定。具体的试验方案如下：

(1) 岩石线性膨胀率试验：首先称取10 g于105℃下烘干12 h并冷却的页岩岩粉，置入内径为26 mm的测筒中，使用ZYP-40TS型压片机竖向施加40 MPa压力，持续时间为5 min，得到重塑样，并测定筒中重塑样的初始高度；然后使用NP-01型常温常压智能膨胀量测定仪，对浸没于各种化学试剂中重塑样的实时膨胀量进行记录，记录频率设置为10 s，记录时间为24 h，当6 h内重塑样膨胀量的变化量小于0.1 mm时，即认为膨胀稳定，可以终止试验。对每种化学试剂进行3组平行试验，计算3组试验结果的算术平均值。

(2) 岩心崩解试验：首先称取10 g风干页岩岩粉置于模具中，使用ZYP-40TS型压片机及配套模具竖向施加40 MPa压力，持续时间为5 min，得到直径为26 mm、厚(7.5±0.2) mm的圆柱型人造岩心，并将其在105℃下烘干12 h后冷却，得到干燥岩心；然后将干燥岩心放入装有100 mL化学试剂对岩心的培养皿中，分别在浸泡5 min、30 min、180 min、1 440 min时拍照，观察不同化学试剂对岩心的崩解性抑制效果。针对不透明试剂，在指定时间，用针管缓慢抽出试剂后拍照观察。

3.2 不同化学试剂对页岩膨胀性的抑制效果

不同化学试剂对页岩试样的线性膨胀率时程曲线和最终膨胀率结果，见图8和表2。

图8 不同化学试剂对页岩试样的线性膨胀率时程曲线

由图8和表2可知：

表2 不同化学试剂对页岩试样的线性膨胀率试验结果

(1) 所选用的化学试剂中除了PEG 2000外，其余化学试剂对页岩的膨胀性均具有不同程度的抑制效果，其中：有机化学试剂中，5%FT-1(浊液)对页岩的膨胀性抑制效果最好；无机盐类化学试剂中，5%K2SiO3溶液对页岩的膨胀性抑制效果最好。

(2) 页岩试样的线性膨胀率时程曲线呈现出明显的三个阶段[见图8(b)]，即加速膨胀阶段、减速膨胀阶段和缓慢变形阶段[19]。图8(a)为从图8(b)中截取的前2 h页岩的线性膨胀率时程曲线，如图8(a)所示，大部分页岩试样在前20 min的线性膨胀率增加剧烈， 该时间段页岩试样所产生的线性膨胀率普遍占到24 h页岩试样线性膨胀率的70%以上，为膨胀潜势的快速释放阶段。在有机化学试剂中，FT-1、K-PAM和K-PAC 3种化学试剂展现出显著地降低前期页岩线性膨胀率的效果，三者前20 min的页岩线性膨胀率相较24 h页岩线性膨胀率占比均在33%以下，其作用效果减缓了页岩膨胀潜势的释放；同时，这3种化学试剂对页岩的膨胀性也具有良好的抑制效果，其24 h页岩线性膨胀率分别只有蒸馏水浸泡下24 h页岩线性膨胀率的42.41%、64.58%、61.04%。在无机盐类化学试剂中，K2SiO3和Na2SiO32种化学试剂对页岩的膨胀性具有较好的抑制效果，其24 h页岩线性膨胀率分别只有蒸馏水浸泡下24 h页岩线性膨胀率的50.31%和57.69%，且在相同质量分数的情况下，K2SiO3的抑制效果比Na2SiO3高7.38%，这是因为钾离子具有比钠离子更小的水化能和更好的同黏土矿物结合的能力[32-34]，使得钾离子抑制黏土矿物膨胀性的效果更好。

但值得注意的是，化学试剂FT-1对页岩虽然具有良好的膨胀抑制效果，但是其在0～24 h时段内不能使页岩试样膨胀率稳定。将试验时间延长至48 h，24～48 h时段页岩试样的线性膨胀率增长量为1.19%，膨胀速率明显下降但依然无法达到页岩试样膨胀率稳定；而化学试剂K2SiO3则未出现此种现象。

3.3 不同化学试剂对岩心崩解性的抑制效果

岩心崩解性是膨胀岩的重要特征之一。将人工岩心分别浸泡在不同化学试剂中24 h，得到的人造岩心崩解试验结果照片，见图9。

图9 不同化学试剂对人造岩心崩解试验结果照片(24 h)

由图9可以看出：在所选化学试剂中，K-PAM和K-PAC对人造岩心的崩解性抑制效果最好，岩心浸泡24 h后依然保持完整；K2SiO3和Na2SiO3对于人造岩心的崩解性也具有良好的抑制效果，岩心浸泡24 h后上端面边缘出现明显的环向裂缝，裂缝深入岩心内部但并未贯穿，岩心得以保持整体形态，并未完全崩解。而在岩石线性膨胀率试验中对页岩膨胀性抑制效率最高的化学试剂是FT-1，但其对于岩心崩解性的抑制效果有限。造成该现象的原因应该从试验情况与试剂作用机制两个方面进行讨论：

(1) 岩心崩解试验中的试样与岩石线性膨胀率试验中的试样所处的边界条件不同。岩心崩解试验中的试样并不似岩石线性膨胀率试验中的试样那般受到侧向约束，其处于自由膨胀状态。因此，若要保持试样整体稳定，所选用的化学试剂除了需要对页岩具有良好的膨胀性抑制效果外，其还应具有一定的黏结作用。在常温下，硅酸盐可以在页岩表面产生无机聚合物[20]以起到黏结作用，而K-PAM和K-PAC两类聚合物钾盐通过其聚合阴离子上大量的羟基(—OH)与黏土矿物之间的氢键[35]亦能提供良好的黏结作用。

(2) 化学试剂FT-1以通过封堵页岩孔隙为机制来抑制页岩膨胀。此封堵作用能够很好地减缓水分子侵入页岩内部，减缓水-岩反应，这一点已经在岩石线性膨胀率试验中得到了体现。但是，化学试剂FT-1对于页岩的黏结作用却十分有限，这是因为沥青类化学试剂的黏结效果与温度和应力环境有很大的关系，当温度到达软化点附近时，FT-1可以获得更好的黏结与封堵效果，但是试验温度并未达到软化温度，从而导致其在岩心崩解性抑制效果方面的表现不佳。

4 结 论

本文以典型的围岩大变形隧道工程为背景，分析了鄂西页岩的基本特征，揭示了隧道围岩大变形问题的主要原因，研究了化学试剂抑制页岩膨胀的可行性，得到的主要结论如下：

(1) 郑万高铁湖北段志留系新滩组泥质页岩中富含伊利石和绿泥石，具有显著的膨胀性和崩解性，属强崩解性弱膨胀岩；隧道所处地层节理、裂隙与地下水较发育，页岩遇水后发生了显著的膨胀与崩解；岩体受构造作用的影响显著，存在较高的构造应力，隧道围岩发生了塑性变形和流变变形。上述因素导致该隧道工程局部路段发生了围岩大变形，初期支护受损等问题。

(2) 除5%PEG 2000化学试剂外，配置的其余化学试剂均可不同程度地抑制页岩的膨胀性，5%磺化沥青粉(FT-1)浊液和5%硅酸钾(K2SiO3)溶液对页岩膨胀性具有较好的抑制效果，其中FT-1浊液可以有效减缓页岩膨胀潜势的释放，但是页岩膨胀稳定时间也显著延长。

(3) 配置的部分化学试剂也可抑制页岩崩解性，其中聚丙烯酸钾(K-PAM)和聚阴离子纤维素钾盐(K-PAC)对页岩的崩解性具有良好的抑制效果，K2SiO3和Na2SiO3的抑制效果次之，FT-1对页岩的崩解性抑制效果有限。

实际隧道工程建设过程中，影响隧道围岩大变形产生的因素很多，本文主要从隧道围岩遇水膨胀的角度出发进行了研究，同时隧道施工方法、支护方案和支护时间等都会对隧道围岩变形产生较大的影响，因此分析多因素耦合作用下隧道围岩大变形机制也将是下一步工作的研究重点;此外，各种化学试剂在实际隧道工程环境中的稳定性与适配性，也需要进一步的研究。