濟(jì)南地區(qū)盾構(gòu)隧道富水閃長巖物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

劉 浩，徐前衛(wèi)，劉 毅，孫慶文，賀 翔

(1.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201804)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市地下工程建設(shè)的速度也逐漸加快，其地質(zhì)條件和周邊環(huán)境也越來越復(fù)雜，無論是工程規(guī)模還是技術(shù)難度都越來越大，因此加強(qiáng)對巖土體工程性質(zhì)的認(rèn)識尤為重要[1-3]。以濟(jì)南地區(qū)為例，該區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是較為特殊的富水閃長巖地層，巖體強(qiáng)度離散性大，其工程性質(zhì)對于盾構(gòu)選型、刀盤配置以及盾構(gòu)在上軟下硬復(fù)合地層施工具有重要影響[4-8]。

對于巖體而言，其工程性質(zhì)的研究主要包括巖石礦物組成的微觀分析[9-10]和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)兩方面。巖石室內(nèi)實(shí)驗(yàn)則主要涉及耐崩解性[11-12]、單軸和三軸壓縮等實(shí)驗(yàn)[13-14]，據(jù)此獲取巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。 目前，關(guān)于閃長巖工程性質(zhì)的研究，已有一些工程實(shí)踐見諸于報道。例如，周恩革[15]通過研究發(fā)現(xiàn)閃長巖強(qiáng)風(fēng)化帶的物理性質(zhì)非常穩(wěn)定，能有效作為高層建筑的天然地基。但是，鮮見有盾構(gòu)在類似于濟(jì)南地區(qū)富水閃長巖地層中進(jìn)行掘進(jìn)的案例報道。因此，本文以濟(jì)南地鐵R2線長途汽車站在建基坑中鉆芯獲取的不同風(fēng)化程度閃長巖為研究對象，通過對巖石試樣進(jìn)行電鏡掃描，觀察分析其微觀結(jié)構(gòu)和礦物組成；利用單軸壓縮實(shí)驗(yàn)獲取巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等物理力學(xué)參數(shù)，了解巖石單軸壓縮過程的變形特征和破壞類型；借助耐崩解性試驗(yàn)，計算巖石耐崩解性指數(shù)，分析不同深度巖石的耐崩解性。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，對盾構(gòu)施工可能遇到的問題提出相應(yīng)解決措施，供施工決策參考。

1 工程概況

1.1 工點(diǎn)概述

濟(jì)南軌道交通R2線一期工程貫穿濟(jì)南市西部和東部主城區(qū)，連接了西部新城核心區(qū)、老城區(qū)、高新區(qū)、唐冶新城及郭店片區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域，是緩解東西向交通壓力、支撐帶狀城市空間拓展的軌道交通骨干線路。擬建的長途汽車站站—生產(chǎn)路站區(qū)間隧道位于濟(jì)南市堤口路，線路沿北園大街走行，起點(diǎn)里程CK14+322.036，終點(diǎn)里程CK15+995.628，全長1 673.592 m，采用盾構(gòu)法施工。

1.2 工程地質(zhì)

濟(jì)南軌道交通R2線長途汽車站站—生產(chǎn)路站區(qū)間地層自上而下依次由近代人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積(Q4al)粉質(zhì)黏土、黏土，第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)粉質(zhì)黏土及下伏燕山期(δ53)輝長巖、閃長巖等構(gòu)成。第四系最大厚度約5.5 m～13.5 m，生產(chǎn)路站及盾構(gòu)區(qū)間存在卵石夾層，其地質(zhì)縱斷面圖如圖1所示。

圖1 長途汽車站站地質(zhì)縱斷面圖

根據(jù)濟(jì)南地鐵R2線的設(shè)計方案，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，分別會遇到全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化閃長巖，部分?jǐn)嗝嫔踔镣瑫r含2～3種風(fēng)化程度不一的閃長巖。相對于已建及部分在建城市的地層而言，盾構(gòu)在黏土、粉土、砂礫、卵石及花崗巖等各種地層中的掘進(jìn)技術(shù)已較為成熟，而類似于濟(jì)南閃長巖地層的盾構(gòu)掘進(jìn)案例很少有見報道，且風(fēng)險性極高，故亟須開展不同風(fēng)化程度的閃長巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)問題的研究。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件制備及說明

試驗(yàn)所用巖樣為風(fēng)化程度不同的閃長巖，取自R2線長途汽車站站在建基坑。考慮到基坑開挖導(dǎo)致巖石暴露時間長，且?guī)r石容易受到機(jī)械設(shè)備等施工荷載的影響，所以采取地面上鉆芯的方式以獲得試驗(yàn)所需的巖樣，根據(jù)前期地質(zhì)勘探情況，取樣深度按40 m考慮。鉆探采用XY-150型工程鉆機(jī)，開孔直徑127 mm，終孔直徑108 mm，鉆孔直徑滿足試驗(yàn)要求。土層及全風(fēng)化巖層采用泥漿護(hù)壁合金鉆頭巖芯管鉆進(jìn)，回次進(jìn)尺1.0 m～1.5 m，巖芯采取率不低于90%；強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化巖層采用金剛石鉆頭清水正循環(huán)鉆進(jìn)，回次進(jìn)尺1.0 m～1.5 m，強(qiáng)風(fēng)化巖層采取率不低于65%，中等風(fēng)化巖層采取率不低于80%。

不同試驗(yàn)采用分類標(biāo)準(zhǔn)不同的巖樣進(jìn)行。圖2為按照國際巖石力學(xué)學(xué)會試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法加工的閃長巖三軸壓縮試驗(yàn)圓柱體試件，其尺寸為Ф50 mm×100 mm，試件兩端面不平行誤差不大于0.05 mm，沿試件高度，直徑的誤差不大于0.3 mm，端面垂直于試件軸線，最大偏差不大于0.25°。

圖2 巖石加工試件圖

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

(1) 巖石掃描電鏡試驗(yàn)。對強(qiáng)、中風(fēng)化閃長巖進(jìn)行電鏡掃描處理，觀察巖石的微觀結(jié)構(gòu)并分析其礦物組成，試驗(yàn)步驟如下：

① 試驗(yàn)選取不同深度的巖樣5組，見表1。將各組巖樣加工成邊長約為1 cm的石塊并進(jìn)行打磨。

② 將石塊放入烘干箱內(nèi)，在設(shè)定溫度(105℃～110℃)下烘干后，放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫。

③ 將石塊放入鍍膜機(jī)內(nèi)鍍膜。

④ 把石塊放入載物臺并用導(dǎo)電膠將其固定，然后將其裝入機(jī)箱。

⑤ 采集不同放大倍數(shù)下的電鏡掃描圖片。

表1 巖石掃描電鏡試驗(yàn)取樣分組表

(2) 巖石耐崩解循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)選取不同深度的巖石并分成四組，見表2。每組巖樣各取40 g～60 g的巖塊10塊。

表2 巖石耐崩解循環(huán)試驗(yàn)取樣分組表

(3) 巖石單軸及三軸壓縮試驗(yàn)。采用微機(jī)控制RLW-1000型巖石三軸流變儀進(jìn)行試驗(yàn)。在三軸壓縮試驗(yàn)中，先施加50 kN的縱向載荷固定試樣，然后緩慢施加圍壓到指定值范圍，穩(wěn)定數(shù)分鐘，使圍壓基本保持恒定且變動范圍不超過指定值的2%后，以0.5 MPa/s的速率加載，直至試件破壞。單軸壓縮試驗(yàn)不考慮圍壓施加，其余步驟與三軸壓縮試驗(yàn)相同。

3 巖石電鏡掃描成分檢測試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

(1) 礦物組成。對巖石標(biāo)本進(jìn)行觀察，巖石呈灰色。其中淺色礦物含量較多，主要為斜長石、堿性長石，肉眼可見帶狀斜長石、堿性長石，斜長石含量約為60%。另外，含有少量暗色礦物，主要為角閃石、輝石，肉眼可見褐綠色角閃石顆粒，含量約為20%。由電鏡掃描情況可見，巖石含有少量片狀黑云母，可觀察到黑云母出現(xiàn)綠泥石化，如圖3所示。

巖體的主要礦物成分為斜長石、堿性長石、角閃石、輝石和云母礦，巖體主要以硅酸鹽礦物為主，這是隧道圍巖總體較為堅硬的主要原因。另一方面，由于巖體含有大量的斜長石、云母等礦物，使得定向性的板塊狀結(jié)構(gòu)發(fā)育，各向異性明顯，容易在受力時發(fā)生層間變形錯動、剝離或潰曲破壞，而綠泥石富集成膜時會降低巖體強(qiáng)度，遇水軟化后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度顯著減弱，結(jié)構(gòu)劣化時更為明顯。

圖3 部分巖樣電鏡掃描圖(片狀云母及綠泥石化)

(2) 微觀結(jié)構(gòu)。圖4是部分巖樣電鏡掃描結(jié)果，可以看出巖石普遍呈塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較緊密，礦物具有一定方向性，不同深度巖樣風(fēng)化程度不同。

圖4 部分巖樣電鏡掃描圖(塊狀結(jié)構(gòu)及微裂隙)

提高放大倍數(shù)可以看到風(fēng)化閃長巖微裂隙較為發(fā)育，寬度為3 μm～15 μm，部分裂隙之間具有連通性，少量微裂縫中石英充填。微結(jié)構(gòu)面的存在大大降低了巖石的強(qiáng)度，由于巖石中這些缺陷的存在，當(dāng)其受力時，在微孔或微裂隙末端，易造成應(yīng)力集中，使裂隙可能沿末端繼續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致巖石在比完全無缺陷時所能承受的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力低的多的應(yīng)力值的作用下破壞。

3.2 結(jié)果分析

圖5是在同等放大1 000倍的前提下不同深度閃長巖掃描電鏡的結(jié)果。A1強(qiáng)風(fēng)化閃長巖比較破碎，并且風(fēng)化比較明顯，微裂隙發(fā)育，微裂隙寬度為3 μm～10 μm，裂隙之間具有連通性，少量微裂縫中石英充填；A2中風(fēng)化閃長巖比較破碎，并且風(fēng)化比較明顯，微裂隙發(fā)育，微裂隙寬度為3 μm～10 μm，裂隙之間具有連通性，樣品存在少量孔隙；A3中風(fēng)化閃長巖礦物具有一定向性，巖石比較破碎并且風(fēng)化比較明顯，微裂隙發(fā)育明顯，微裂隙寬度為5 μm～15 μm，裂隙之間具有一定連通性；A4中風(fēng)化閃長巖，結(jié)構(gòu)緊密，巖石風(fēng)化比較明顯，少量微裂隙發(fā)育，微裂隙寬度為5 μm～10 μm，裂隙之間連通性較差；A5中風(fēng)化閃長巖結(jié)構(gòu)緊密，風(fēng)化程度較低，長石晶體具有一定向性，少量微裂隙發(fā)育，微裂隙寬度為3 μm～10 μm，裂隙連通性較差。可以看出，A4、A5中風(fēng)化閃長巖巖樣裂隙發(fā)育程度相較而言明顯不如A1、A2和A3巖樣，且A2和A3中風(fēng)化閃長巖巖樣裂隙發(fā)育最為明顯，這說明巖樣裂隙發(fā)育程度在不同深度上存在差異，間接說明了閃長巖的強(qiáng)度具有變異性和隨機(jī)性，其與巖樣深度和風(fēng)化程度相關(guān)性較小。

圖5 不同深度閃長巖試樣放大1 000倍電鏡掃描結(jié)果

4 巖石耐崩解循環(huán)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

將4組巖樣每次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)下的殘留顆粒質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計，如表3所示。

表3 巖樣每次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)下的殘留顆粒質(zhì)量統(tǒng)計表

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)表3統(tǒng)計結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在經(jīng)歷8次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)后，B1巖樣由最初的517.2 g降至309.3 g，質(zhì)量減少40.2%；B2巖樣由最初的561.5 g降至404.6 g，質(zhì)量減少27.9%；B3巖樣由最初的558.3 g降至409.7 g，質(zhì)量減少26.6%； B4巖樣由最初的528.2 g降至490.2 g，質(zhì)量減少7.2%。

繪制各組巖樣經(jīng)歷不同循環(huán)次數(shù)時崩解殘留物質(zhì)量變化曲線及循環(huán)2次和8次的質(zhì)量損失率直方圖，如圖6所示。

圖6 殘留塊體形態(tài)變化曲線及質(zhì)量損失率直方圖

由圖6可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，4組巖樣殘留物質(zhì)量逐漸減小，其中B1和B4巖樣殘留物質(zhì)量隨循環(huán)次數(shù)增加呈近似線性關(guān)系降低，其崩解質(zhì)量損失相對均勻。B1巖樣質(zhì)量減小幅度明顯大于其他巖樣，B4巖樣質(zhì)量減小幅度最小，說明風(fēng)化程度與巖石耐崩解性相關(guān)。

定量分析閃長巖的耐崩解性，采用巖石二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)反映巖石抵抗軟化和崩解的能力。其計算公式如下：

(1)

式中：Id2為巖石二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)，%；ms為原試件烘干質(zhì)量，g；mr為殘留試件烘干質(zhì)量，g。

巖石耐久性劃分見表4，將經(jīng)計算所得各組巖樣二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)匯總至表5。可以看出，B1、B2、B3巖樣均為高耐久性，B4巖樣為極高耐久性。其中，B1巖樣的耐崩解性相對較差，這說明閃長巖風(fēng)化程度越高，其耐崩解性越差。但就總體而言，盾構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化閃長巖地層中正常掘進(jìn)時，考慮到巖石耐久性程度較高，故可以忽略其遇水崩解的不利影響，亦即巖石滲透性不發(fā)生明顯變化。

表4 巖石耐久性劃分表

表5 各組巖樣二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)匯總表

5 巖石三軸壓縮試驗(yàn)及單軸壓縮試驗(yàn)

5.1 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)整理計算，試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。可以看出，對于不同深度的6組巖樣，其軟化系數(shù)、吸水率差距不大，而其彈性模量、泊松比差異很大，同時與深度并無明顯相關(guān)性，空間變異性較大。不僅如此，除了D1巖樣外，其余5組巖樣單軸極限抗壓強(qiáng)度均為15 MPa～20 MPa，巖體自上而下并未因風(fēng)化程度的不同而呈現(xiàn)強(qiáng)度逐漸增加的趨勢，這說明淺層的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化閃長巖地層可能存在球狀風(fēng)化、軟硬不均現(xiàn)象。因此，在盾構(gòu)施工中不僅應(yīng)注意襯砌所受圍巖壓力的變化，更要注意球狀風(fēng)化、軟硬不均對刀盤切削巖體的影響，表現(xiàn)為刀具磨損嚴(yán)重、刀盤偏磨等現(xiàn)象。

5.2 三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)整理計算，巖石三軸試驗(yàn)結(jié)果匯總至表7。對于不同深度的7組巖樣，在自然含水狀態(tài)下，其密度存在一定差異。針對中風(fēng)化閃長巖，側(cè)向壓力2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa下巖石的平均最大主應(yīng)力分別為22.995 MPa、49.320 MPa、70.620 MPa、81.540 MPa，根據(jù)以上數(shù)據(jù)所繪制莫爾圓如圖7所示，可得中風(fēng)化閃長巖的黏聚力為0.861 MPa，內(nèi)摩擦角為55.11°。由此可見，中風(fēng)化閃長巖具有較高的抗剪切強(qiáng)度，這就要求盾構(gòu)刀盤、刀具須具有較高的抗沖切能力。

表6 巖石單軸試驗(yàn)結(jié)果匯總表

表7 巖石三軸試驗(yàn)結(jié)果匯總表

圖7 莫爾圓應(yīng)力參數(shù)曲線圖

6 結(jié) 論

(1) 巖體主要以硅酸鹽礦物為主，這是中風(fēng)化、微風(fēng)化閃長巖總體較為堅硬的主要原因，故在配置刀盤刀具時應(yīng)考慮具有足夠的抗沖擊性和耐磨性。

(2) 由于斜長石、云母、綠泥石等礦物的存在，使得巖體易發(fā)生層間變形錯動，剝離或潰曲破壞，故在全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化閃長巖中掘進(jìn)時，尤其要注意盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)的問題。

(3) 閃長巖強(qiáng)度自上而下并未因風(fēng)化程度的不同而逐漸增加，即閃長巖地層存在球狀風(fēng)化、軟硬不均現(xiàn)象。因此，在盾構(gòu)施工中要注意刀具磨損嚴(yán)重、刀盤偏磨等不利情況的發(fā)生。