寧夏中南部引水工程軟巖工程特性研究

李明福，滕 杰

（中水北方勘察設計研究有限責任公司，天津 300222）

1 概況

寧夏中南部地區引水工程輸水隧洞穿越的軟巖地層主要包括白堊系乃家河組（K1n）、馬東山組（K1m）及第三系寺口子組（E2s）地層，主要巖性為泥巖、砂質泥巖、泥灰巖等，屬白堊紀以來相繼沉積的一套河流淺湖相—深湖相細碎屑巖建造。由于成巖時間較短、膠結程度較差，巖石強度低，多屬軟巖。構造上表現為走向SW或NW緩傾的單斜層，傾角一般在8～15°，最大30°。主要采用室內試驗、原位測試及綜合分析等方法，對泥質巖工程地質特性進行研究。

2 礦物、化學成分

輸水隧洞圍巖除了約400 m長的洞段為第三系寺口子組（E2s）砂礫巖夾泥巖外，其他各隧洞圍巖均為白堊系的泥巖夾少量泥灰巖，其工程地質特性相近。

2.1 巖礦鑒定和X射線粉晶衍射分析

對隧洞沿線主要巖石進行巖礦鑒定和全巖X射線粉晶衍射分析。

（1）白堊系下統乃家河組（K1n）及馬東山組（K1m）泥巖，為泥晶泥狀結構，薄層狀構造，巖石主要礦物由泥質礦物和方解石組成，含少量褐鐵礦及石英，其中泥質礦物含量約58.0%～62.0%、方解石含量33.0%～35.0%。

全巖X 射線粉晶衍射分析成果表明，隧洞巖石的主要礦物成分為黏土、石英、斜長石、方解石及少量白云石、方沸石等，其中黏土含量一般為23.5%～37.0%、個別達60.0%，石英含量10.0%～16.7%，方解石含量6.5%～40.3%。僅少部分含有石膏，但含量較高，達38.2%。黏土礦物成分主要為蒙脫石和伊利石，其中伊利石含量略高于蒙脫石。

（2）第三系始新統（E2s）砂質泥巖，為不等粒砂狀泥狀結構，弱定向構造，巖石主要由含鐵泥質、長石、石英、方解石碎屑及巖屑組成，其中含鐵泥質50%，石英、長石、方解石碎屑分別占11.0%～12.0%，各種巖屑含量6.0%～8.0%。

全巖X 射線粉晶衍射分析成果表明，巖石的主要礦物成分為斜長石、石英、黏土、鉀長石、方解石及少量白云石，其中斜長石含量26.0%～32.0%、石英含量25.5%～31.3%、黏土含量13.0%～17.2%、方解石含量12.8%～20.3%。

2.2 常規化學成分分析

（1）白堊系下統乃家河組（K1n）及馬東山組（K1m）的泥巖化學成分主要為SiO2、CaO、A12O3、MgO，而Fe2O3、K2O、Na2O等次之。其中，SiO2含量約31.0%～44.0%，CaO 含量12.0%～23.0%，A12O3含量9.0%～13.0%，Fe2O3含量3.0%～6.0%。

（2）第三系始新統（E2s）砂質泥巖化學成分主要為SiO2、CaO、A12O3，而Fe2O3、MgO 等次之。其中，SiO2含量約53.0%～56.0%，CaO含量14.0%～15.0%，A12O3含量11.0%～13.0%，Fe2O3含量2.0%～3.0%。

3 軟巖工程地質特性

3.1 強度特性

對隧洞白堊系乃家河組（K1n）及馬東山組（K1m）泥質巖及第三系（E2s）砂質泥巖通過鉆孔取樣，進行物理力學性質試驗，成果統計見表1。

表1 物理力學性質試驗成果匯總

從試驗成果看，白堊系下統泥巖在干燥狀態和天然狀態下，其平均單軸抗壓強度為18.5～37.3、20.2～23.73 MPa，彈性模量和變形模量也相對較高。但是，在飽和狀態下其平均抗壓強度僅4.3～8.53 MPa，明顯低于干燥狀態和天然狀態，軟化系數為0.22～0.37，最低僅0.1；同樣，彈性模量和變形模量也具有相似的規律性，巖石遇水軟化特征明顯。

第三系砂質泥巖在干燥狀態下單軸抗壓強度為8.5～12.1 MPa，濕單軸抗壓強度為0.1～1.6 MPa，軟化系數為0.02～0.33；干燥狀態下彈性模量為3.30 GPa，濕彈性模量接近于0.003～1.30 GPa。其濕抗壓強度、濕彈性模量明顯低于天然狀態，屬于易軟化巖石，水的作用對其力學強度影響強烈。

需要指出的是，上述巖樣是從鉆孔取的較新鮮完整巖石，實際上巖石的強度與風化程度和結構面發育程度密切相關。現場看到經過風化的泥巖具有極軟巖的特性。除此之外，泥質巖的強度還取決于膠結物的成份和性質等。

3.2 流變特性

巖體在長期恒定荷載的作用下應力、應變隨時間延長而變化的性質稱為巖體的流變性，蠕變是巖體流變性的一個宏觀表現。這次對部分鉆孔內的白堊系泥巖進行流變試驗，在不同應力水平下泥巖加載蠕變曲線如圖1所示。

圖1 泥巖分別加載蠕變曲線

從試驗成果看，巖石蠕變具有如下規律：

（1）在各級應力水平下，蠕變曲線可以劃分為2個階段；第1階段是衰減蠕變階段，第2階段是穩定蠕變階段。相應的泥巖應變可以分為兩部分：一部分是瞬時應變，即每級應力水平施加瞬間試樣產生的瞬時變形；另一部分是蠕變應變，即在恒定應力水平作用下試樣變形隨時間而增長。

（2）試樣的衰減蠕變階段歷時隨偏差應力的增加而延長，即應力水平越高，巖石發生衰減蠕變的時間越長。試樣的瞬時應變、蠕應變以及總應變隨應力水平的增加而增大。

（3）第一級應力水平下試樣的瞬時應變、蠕應變較小，這是因為試樣自靜水加載開始巖石材料內部原有的裂隙被壓密、孔洞被壓縮閉合，而巖石材料本身并未達到受壓屈服狀態，因此在較低的應力水平下沒有出現較大的變形。

（4）在試驗過程中，巖石的蠕變表現為較穩定蠕變，即在較低的應力水平下巖石的變形亦隨時間而增大，而沒有出現明顯的起始蠕變破壞階段。

巖石試驗成果為天然狀態下的蠕變，而水對泥巖蠕變量的影響顯著，對于飽水狀態下的泥巖在附加應力的長期作用下將產生明顯變形。實際觀察該區風化巖石在雨水軟化和自重應力的作用下易產生蠕動和滑坡，嚴重影響渠道邊坡的穩定。

第三系砂質泥巖成巖時間短，膠結力弱，飽水后流變量大，時效變形顯著。

3.3 浸水崩解性

隧洞穿過的白堊系乃家河組（K1n）馬東山組（K1m）及第三系（E2s）地層沉積年代較新，多為膠結程度較弱的泥質巖。泥巖的崩解性與巖石礦物成分、化學成分、顆粒結構、風化程度等有密切關系。

從若干鉆孔中取新鮮巖芯進行耐崩解性試驗，從試驗成果看，白堊系（K1n、K1m）灰質泥巖耐崩解指數大部分大于90%，但個別組的耐崩解指數較低，如ZK4-1 巖石耐崩解指數81.14%，ZK10-2 巖石耐崩解指數79.68%，ZK6-2 巖石耐崩解指數79.67%，而ZK2-1巖石耐崩解指數達49.17%，這些組的巖石遇水崩解比較嚴重。在工程現場觀察到，隧洞開挖暴露的完整干燥的泥巖，被隧洞積水長時間浸泡后常常分解呈碎屑或泥狀。第三系（E2s）砂質泥巖崩解試驗結果表明，耐崩解指數為0～87.0%，多屬很低的耐久性，部分為中等耐久性。經觀察，泥巖浸水后有的即刻崩解呈泥狀，而有些呈塊狀崩裂或片狀開裂，崩解特性明顯。

3.4 遇水膨脹性

寧夏中南部引水工程中泥巖多具弱膨脹潛勢。表層泥巖本身具不規則狀、網狀微細裂隙，產生遇水軟化膨脹、失水收縮開裂現象，這使得引水工程的隧洞襯砌等結構物易遭到破壞。本次對鉆孔巖芯在天然含水狀態下進行膨脹試驗，試驗成果見表2。

表2 巖石膨脹試驗成果

從試驗結果看，天然含水量狀態下泥巖的荷載平均膨脹率為0.7%，而膨脹壓力在4.4 ～62.2 kPa，平均值為20.6 kPa，具有一定的膨脹勢。試驗研究成果表明，膨脹性巖體的擠壓應力及變形的時間效應十分顯著，即應力釋放過程是比較長的。因此，在隧洞襯砌設計和施工中，應考慮膨脹力因素的影響，采取適宜的處理措施，抑制或減弱泥巖產生膨脹和力學強度降低的不利影響。

3.5 卸荷巖塊聲波特征

為了解深埋于地下泥質巖暴露后的時間效應和卸荷失水影響，在鉆孔孔深278.25～293.99 m 取巖芯，進行聲波衰變測試，巖芯聲波衰變情況如圖2所示。結果表明：

圖2 10-2#巖芯聲波測試成果

（1）各巖芯聲波波速衰降明顯，一般經過38～48 h波速趨于基本穩定，衰降率15%～28.1%。

（2）經過66 h后所有巖芯均先后裂開，裂開時間間隔存在一定差異。

（3）鉆孔巖芯聲波衰減和環境溫度關系較密切，環境溫度高則衰減速度較快，反之則較慢。

4 影響軟巖工程地質特性的主要因素分析

4.1 巖石成分

具有不同地理沉積環境和不同成因類型的泥巖，其成分、結構是不同的，而泥巖的成分是影響巖石物理力學性質的主要因素。該地區白堊系地層為一套濱海—瀉湖相細碎屑巖，巖性以灰色、黑灰色、暗紅色的灰質泥巖為主，夾有淺灰色的泥灰巖及粉砂質泥巖，局部含有極薄層石膏。第三系地層則是一套陸相碎屑巖建造，巖性以砂質泥巖為主，砂礫巖次之。

泥巖成分包括礦物成分和化學成分，其中礦物成分對其工程地質性質影響更為明顯。而對工程性質影響大的主要成分是黏土礦物，黏土礦物的含量很大程度影響到其力學性質的好壞。一般來說，泥巖中黏土礦物含量越高，其力學強度相對越低。該地區灰質泥巖中黏土礦物含量較高，一般含量達23.5%～37.0%，其中暗紅色灰質泥巖黏土礦物含量高達60%。暗紅色泥巖比其他灰質泥巖在相同含水率的情況下，其力學強度也低。

黏土礦物的成分及含量同時也影響到泥巖的水理性質。研究成果表明，蒙脫石與伊利石含量之和大于20%的泥巖崩解性強烈，5.0%～20.0%之間的泥巖也具有明顯崩解性；具有膨脹性黏土礦物的含量越高，其膨脹量越大。本工程黏土礦物中伊利石含量略高于蒙脫石，兩者均為親水性礦物。因此，一些黏土礦物含量較高的泥巖表現出較強的崩解、軟化、脹縮性等現象。在水穩性方面，暗紅色灰質泥巖比其他灰質泥巖表現得更差。

黏土礦物與膨脹巖的化學成分、膨脹特性之間有密切的相關關系，化學成分中硅鋁分子比的高低間接反映出蒙脫石與伊利石含量，也是判斷泥巖脹縮性的依據之一。該地區泥巖硅鋁分子比達3.4～4.5，進一步說明該地區泥巖具有膨脹潛勢。

4.2 膠結物性質

膠結物成分對泥質巖工程性質的影響非常大。由于泥質巖沉積的自然地理環境不同，其膠結物的成份和表現出來的性質也是不同的。它的膠結物有硅質、鐵質、鈣質、石膏、泥質等。應該指出，泥質巖強度主要取決于膠結物成分和膠結性質，而其也反映到泥質巖的膠結程度。膠結程度的強弱對泥巖的水理性質、物化性質有較大的影響，并使其力學性質、水穩性及抗風化能力等有明顯的差別。膠結程度還取決于膠結物含量及膠結形式等。巖礦鑒定、巖石化學成分分析、X-射線衍射分析等試驗結果表明，工程區泥質巖及砂礫巖的主要膠結方式為鈣質膠結及泥質膠結。白堊系（K1n、K1m）泥質巖膠結物以鈣質及鈣泥質為主，第三系（E2s）巖層則以泥質膠結為主，巖石膠結程度一般為弱膠結到中等膠結。工程開挖揭露后，泥鈣質膠結的暗紅色泥巖比其他灰質泥巖的強度衰減及抗風化性有明顯差異。鈣質含量相對較高、較強膠結的泥灰巖強度最高，抗風化性也較好。

4.3 環境變化

隧洞開挖后泥質巖暴露地表，經過一段時間后其工程性質出現明顯變化。白堊系（K1n、K1m）泥質巖及第三系（E2s）砂質泥巖均具有失水干裂的不良特性，特別是泥巖在干燥后的二次浸水作用下，其工程性質的變化存在著巨大的差異。在保持天然含水狀態或三維應力條件下，巖體具有較高的強度，但遇水浸泡后泥巖易軟化，強度衰減十分明顯；隨著巖石的風化程度、干濕交替等環境變化，其水穩性和膨脹性也發生變化。試驗研究結果和實際觀察表明，親水性的泥巖崩解及膨脹性主要是由于巖石含水量變化引起的，即巖石經過干燥失水后產生的，泥巖若能保持隧洞開挖前的含水量，通常不具備膨脹特性，而開挖后膨脹性圍巖逐漸干燥失水，再遇水便要膨脹崩解，其干燥失水越多，膨脹量越大。

5 針對軟巖工程地質特性應采取的工程措施

基于軟巖的強度、流變性質、浸水崩解性、遇水膨脹性及巖塊卸荷聲波衰減等工程特性，結合巖石成分、膠結物特性、環境變化等影響軟巖工程地質特性的主要因素，對輸水隧洞工程而言，建議在施工過程中采取的主要工程措施有：

（1）避免圍巖長時間暴露、風干、充水和浸濕，盡量保持工作面濕潤的天然狀態，是防止或減少泥巖工程性質惡化而產生失穩或變形的重要措施。

（2）及時采取初期支護措施，盡快封閉。根據巖體卸荷效應試驗成果，在5～8 h 內完成混凝土噴護較為適宜。

（3）洞底積水應盡快清除，把隧洞疏排水工作作為隧洞有效支護的一個重要保障，盡量避免水與軟巖接觸的機會和時間。

（4）在鉆爆作業中應控制好裝藥量和改進工藝，減少爆破對圍巖的破壞擾動，也是提高隧洞圍巖的力學強度、保障圍巖穩定性的重要一環。

（5）及時對隧洞底部進行硬化，以避免除渣過程中對洞底巖石結構的破壞，降低洞底巖石的承載力，造成隧洞二次襯砌的沉降變形。

6 結語

寧夏中南部地區白堊系（K1n、K1m）及第三系（E2s）泥質巖多屬軟巖—極軟巖，其黏土礦物含量一般達到或超過50.0%，具有膠結程度較弱、力學強度較低的工程特性，可能引發輸水隧洞的圍巖變形破壞。

天然狀態下的泥質巖工程特性較為穩定，但浸水飽和后其力學強度急劇降低，尤其是泥巖在干燥失水后的二次浸水作用下其工程性質將發生巨大的變化，可能產生蠕變、崩解、膨脹等現象，在工程設計和建設中應充分考慮這些因素，并采取行之有效的處理措施，抑制或減弱軟巖產生對工程不利的影響，以保證工程的長期穩定和安全運行。

[1]林在貫，高大釗.巖土工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1994.