膨脹性頁巖鐵路隧道圍巖大變形機制及化學抑制技術研究

李靖杰，張 馨，孫金山，張湘平，趙志濤，董 千，張 震，胡玲玲

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.江漢大學精細爆破國家重點實驗室，湖北 武漢 430023;3.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

泥巖與頁巖在我國分布廣泛，當其礦物成分中富含黏土礦物時，其體積會因水-巖作用而產生一定的膨脹變形，當膨脹變形受到約束時巖石則可產生較大的內應力[1]。因此，受到膨脹巖水-巖作用產生的“膨脹性圍巖壓力”[2]與膨脹巖崩解、軟化等水理劣化機制的影響，使得此類膨脹巖隧道工程常發生圍巖大變形、底鼓、坍塌等工程災害。

目前，在膨脹巖隧道工程災害防治方面，國內外主流的設計方法與施工措施可以歸納為：優化斷面形狀[3-4]、增強支護結構[5-7]、施做緩沖夾層[8]、注漿止水加固[9-11]、洞內外截排水[12-13]等。根據作用機制的不同，可以將這些防治方法分為以“增強支護結構，抵抗圍巖膨脹”的被動治理方法和“減少水分侵入，抑制圍巖膨脹”的主動治理方法。然而，此類傳統的圍巖大變形控制技術存在治理效果不佳、工藝復雜、成本高等問題。

分析膨脹巖致隧道工程發生災害的特有內因，便繞不開膨脹巖中富含的令巖體具有膨脹潛勢的礦物成分。在頁巖中常見的膨脹性礦物當屬黏土礦物——此類膨脹巖被歸屬于第二類膨脹巖[14]。針對黏土礦物的膨脹機制，Prost等[15]指出水是以吸附作用和毛細凝聚的形式存在于黏土顆粒和團聚體之間的，形成的水膜是引起黏土礦物膨脹的原因；賈景超[16]將黏土礦物遇水至飽和的過程分為結晶膨脹與長期膨脹兩個階段，并發現浸泡溶液的濃度與黏土水膜的厚度呈負相關；Li等[17]根據蒙脫土陽離子交換試驗與膨脹試驗發現，陽離子種類亦可影響黏土的膨脹率。值得注意的是，賈景超[16]、Li等[17]以及眾多學者[18-19]都注意到了黏土礦物的膨脹性受到浸泡液體種類與濃度影響這一現象。基于此，采用化學方法抑制巖石膨脹的研究也相繼開展，如Tomislav等[20]采用硅酸鹽溶液抑制頁巖膨脹取得了良好的效果；Shi等[21]通過巖石膨脹試驗與強度試驗證實了氯化鉀(KCl)溶液不僅可以抑制頁巖膨脹，而且可以減少頁巖遇水的軟化效應；周輝等[22]對不同溶液浸泡下的飽和綠泥石片巖開展了力學試驗，發現飽和氯化鈉(NaCl)溶液對比蒸餾水能夠起到一定的抑制軟化作用，并結合巖石雙電層理論分析，很好地佐證了賈景超[16]所提出的細觀膨脹模型。可見，如果能選用適宜的化學試劑，采用化學方法從礦物成分的角度來抑制巖石膨脹潛勢，以達到減少巖石宏觀膨脹、崩解、軟化等水理劣化性質和減小支護結構所受“膨脹性圍巖壓力”的目的，亦不失為一種有效的膨脹巖隧道災害防治方法，但是目前針對此技術路線的研究在隧道工程領域開展得較少。

綜上所述，本文依托某典型鐵路隧道工程，在明確工程所處地層鄂西頁巖的基本特征和分析隧道圍巖大變形問題的主要原因的基礎上，研究化學試劑抑制頁巖膨脹的可行性，以為隧道圍巖大變形的化學抑制技術提供理論基礎。

1 工程概況

1.1 地質概況

鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-6標段位于湖北省襄陽市南漳縣、保康縣境內，正線起訖里程為DK461+845.429～DK497+645，全長為35.634 km。該路線位于揚子準地臺一級構造單元北緣，上揚子陸塊褶皺帶之神農架-荊門臺褶皺帶內，發育有金斗-鞍子寨倒轉背斜，該背斜軸向近東西向，西寬東窄，長約59 km，受土門斷層錯動，東段向南位移4 km，線路范圍內斷層發育，受區域地質構造影響，巖體較為破碎，巖層擠壓嚴重且局部產狀紊亂。

1.2 隧道及工程災害概況

本研究以發生圍巖大變形的黃家溝隧道為例，該隧道起訖里程為D1K468+230～DK476+237，走向為SW232°～256°,全長為7 827.279 m，最大埋深為422 m，其中淺埋隧道段為D1K471+600～D1K471+750、D1K475+000～ D1K475+150，埋深為30 m。隧道洞身通過巖層為志留系下統新灘組頁巖，該頁巖巖質較軟，節理裂隙發育，層狀結構明顯，層間結合力差，同時巖體中還夾雜方解石礦脈，整體性差。

在水文地質條件方面，黃家溝隧道所處區域地下水以第四系孔隙潛水和基巖裂隙水為主，隧道圍巖在無地下水條件下尚具有一定的自穩能力，但是在地下水發育地段，隧道掌子面最大涌水量可達到800 m3/d，此時基巖與軟弱夾層遇水軟化現象嚴重，圍巖自穩能力下降明顯，掌子面多次出現失穩、頂部巖層坍塌等災害，且多次發生初期支護噴射混凝土脫落、拱頂鋼架扭曲變形、初期支護變形侵限等問題，如圖1所示。

圖1 黃家溝隧道工程災害概況

黃家溝隧道D1K471+665～D1K471+675段，位于淺埋溝谷地段，地質剖面圖如圖2所示。黃家溝隧道該淺埋段巖層產狀為N39°W/50°S，并發育有3組優勢節理：①N20°E/75°N、②N50°W/90°、③N60°E/90°。該段采用Vb型復合式襯砌，施工方法采用爆破開挖，三臺階法加臨時仰拱，并輔以φ42小導管及全環型鋼鋼架加強支護。隧道建設過程中，右側出現較大面積的初期支護混凝土崩落、開裂現象，外露出來的鋼架已有明顯的扭曲變形。經量測發現，該段D1K471+670處出現凈空侵限問題，拱頂下沉累計最大值為591 mm，水平收斂累計最大值為610.8mm。

圖2 黃家溝隧道淺埋段地質剖面示意圖

2 頁巖的基本特征與隧道圍巖大變形機制分析

2.1 頁巖的水理特征和礦物成分

本研究選取鄭萬高鐵湖北段隧道內典型的志留系新灘組泥質頁巖作為樣本，對其基本特征進行分析。該頁巖極破碎，節理裂隙發育，巖體中分布有多組方解石礦脈，均勻性極差(圖3)；頁巖呈薄層狀，層理面定向排列明顯、質地光滑且層間結合力極差。

圖3 志留系新灘組泥質頁巖

由于該頁巖的完整性太差無法制備標準巖樣進行單軸強度和彈性參數等測試，故為了得到頁巖的水理特征和礦物成分，將原巖破碎、研磨制成巖塊和巖粉，其中水理試驗所用的巖粉依據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)為研磨過0.5 mm標準篩制成。此外，此巖粉還制作成重塑樣用于開展后續的巖石線性膨脹率試驗和巖心崩解試驗。

經過實驗室測試，該頁巖的水理特征和礦物成分見表1，該頁巖的X射線衍射(XRD)圖譜見圖4。

圖4 頁巖的XRD圖譜

由表1可知：

表1 頁巖的水理特征和礦物成分試驗結果

(1) 該頁巖的礦物成分以黏土礦物為主，黏土礦物的總含量高達91.84%，其中伊利石含量為53.21%，綠泥石含量為38.63%。高含量的黏土礦物是使泥質巖具備膨脹潛勢的內因之一。已有研究表明[23]，泥質巖礦物成分中伊利石含量若達到20%以上，巖石便具有明顯的吸水膨脹特性。

(2) 該頁巖的飽和吸水率為22.43%，根據《巖石與巖體鑒定和描述標準》(CECS 239—2008)中泥質巖膨脹勢分級標準判定，該頁巖具有弱膨脹勢。同時，通過巖石飽和吸水試驗中觀察到，該頁巖巖塊浸水后崩解現象明顯，液體渾濁，泥化現象嚴重，根據文江泉等[24]提出的巖石崩解判別特征，可以認定該頁巖具有強崩解性。

綜上分析可知，該頁巖為具有強崩解性的弱膨脹巖。

2.2 頁巖的微觀結構

膨脹巖的膨脹性還與其微觀結構存在密切的關系，因此本研究采用掃描電子顯微鏡(SEM)對該頁巖的微觀結構進行了觀察。觀察的樣品為干燥狀態下未打磨的頁巖巖塊，以保留其斷面的頁巖初始狀態(見圖5)，考慮到頁巖的各向異性，采用平行層理面與垂直層理面的兩個方向對樣品進行掃描，得到頁巖的微觀結構SEM圖像，見圖6和圖7。

圖5 頁巖的微觀結構SEM圖(×1 000倍)

圖6 平行層理面方向頁巖的微觀結構SEM圖(×2 500倍)

圖7 垂直層理面方向頁巖的微觀結構SEM圖(×2 500倍)

通過分析圖5至圖7可以發現：巖樣微觀結構為由薄片狀黏土礦物將石英、微斜長石、鈉長石等粗顆粒膠凝在一起的粗顆粒骨架-黏土膠凝結構，礦物間以面-面接觸為主；巖石微觀結構中存在大量的微裂隙，其寬度在200～2 000 nm左右，為水分子進入黏土團聚物間與晶胞層間提供了通道，也增加了水-土兩相接觸的相界面面積，導致頁巖遇水膨脹性與崩解性的進一步加劇。需要特別指出的是，在頁巖這種定向層狀微觀結構下，平行層理面方向存在大量的片層結構的邊緣與斷口(見圖6)，黏土礦物于此處暴露的氫氧根、氧原子，作為“水化活性中心”[25]將會率先吸附水分子并產生膨脹，同時這種不均勻膨脹，將會在邊緣、斷口處產生“楔裂力”。大量的研究表明，頁巖層理面強度弱于巖石基質強度，因此原有層間微裂隙將會在“楔裂力”的作用下沿層理面方向進一步向內擴展，增加層間膨脹量，降低層間結合能力，導致頁巖平行層理面方向的急劇軟化，產生順層滑動、溜坍、偏壓等工程災害。

2.3 膨脹性頁巖隧道圍巖大變形機制分析

泥質膨脹巖發生膨脹的3個主要條件為：膨脹性黏土礦物、水和水遷移的路徑[26]。依托工程現場地質條件、隧道災害情況和巖石的室內檢測結果，通過分析可知：

(1) 依托的隧道工程位于頁巖地層中，該頁巖中黏土礦物含量很高，因此應具有較強的流變性，在地應力、水、黏土礦物的共同影響下，隧道圍巖必然不斷發生流變變形，將導致隧道圍巖收斂變形時間較長。

(2) 隧道內巖體存在的天然小型褶皺、節理構造以及后期爆破開挖對巖體造成的人為損傷，使得巖體十分破碎，也導致隧道開挖后圍巖塑性區范圍較大。加之，隧道圍巖產狀與隧道走向之間夾角較大，局部區域為40°～50°，十分破碎的巖體由于受到重力與地應力的影響具有沿結構面進一步發生滑移的趨勢，將會造成支護結構的偏壓與臨空面的坍塌。

(3) 爆破開挖與隧道施工將會對原巖的結構產生改變。由于隧道所處地層地下水較豐富，輔以巖體內人為產生的裂隙和天然裂隙為地下水遷移提供的路徑，使得隧道開挖后地下水沿裂隙向隧道內滲流，而噴射混凝土不僅不能有效封堵滲流通道，還會使地下水沿混凝土與巖石間的接觸界面不斷向隧道其他斷面擴散，從而使得地下水的侵蝕區域不斷擴散，泥質頁巖遇水后發生顯著的膨脹與崩解，初期支護系統將會受到顯著的膨脹壓力。

上述分析結果表明，依托工程隧道施工發生了圍巖大變形和坍塌等工程災害，通過工程災害發生在有無地下水發育地段的區別可以判定泥質膨脹巖發生膨脹效應是導致工程災害的重要原因之一，且在發生圍巖大變形的區域噴射混凝土、錨桿和鋼拱架的支護效果不理想。

3 抑制頁巖膨脹的化學試劑比選

鑒于依托工程所體現的傳統隧道膨脹變形控制技術存在經濟性和控制效果不理想的問題，其作用機制層面的局限性集中于傳統方案主要采用被動控制的方式，未從根本上改變巖石的膨脹性。因此，本文擬通過采用化學方法抑制頁巖膨脹性進而達到控制隧道圍巖變形的目的。以頁巖重塑樣作為試驗對象，選擇不同的抑制頁巖膨脹的化學試劑開展了巖石線性膨脹率試驗與巖心崩解試驗。

3.1 化學試劑的選取與試驗方案

3.1.1 化學試劑的選取

使用化學方法抑制頁巖膨脹性方面的研究在石油鉆井領域已經取得了諸多成果，這些化學試劑主要是從作用于頁巖、抑制頁巖膨脹和作用于泥餅、提高泥餅質量兩個方面入手來保持頁巖的穩定性。結合隧道施工條件，本文主要以前者的作用機制為標準選取了以下化學試劑：①無機化學試劑，包括氯化鉀(KCl)[21]、碳酸鉀(K2CO3)[27]、硅酸鉀(K2SiO3)[20]、硅酸鈉(Na2SiO3)[20]；②有機化學試劑，包括磺化瀝青粉(FT-1)[28]、聚丙烯酸鉀(K-PAM)[29]、聚陰離子纖維素鉀鹽(K-PAC)[29]、聚乙烯醇(PVA 1788)低黏度型[30]、聚乙二醇(PEG)2000[31]。

根據上述文獻成果將所有化學試劑統一配制成5%KCl、5% K2CO3、5% K2SiO3、5% Na2SiO3、5% FT-1(濁液)、5%PVA 1788、5% PEG 2000、0.5%K-PAM、0.5%K-PAC溶液。

3.1.2 試驗方案

不同化學試劑對頁巖的膨脹性抑制效果與崩解性抑制效果，分別采用巖石線性膨脹率試驗與巖心崩解試驗進行評價。為了確保重塑樣與原巖盡可能相似，試驗設計的重塑樣密度為2.5 g/cm3，與原巖密度(2.4 g/cm3)接近且形狀穩定。具體的試驗方案如下：

(1) 巖石線性膨脹率試驗：首先稱取10 g于105℃下烘干12 h并冷卻的頁巖巖粉，置入內徑為26 mm的測筒中，使用ZYP-40TS型壓片機豎向施加40 MPa壓力，持續時間為5 min，得到重塑樣，并測定筒中重塑樣的初始高度；然后使用NP-01型常溫常壓智能膨脹量測定儀，對浸沒于各種化學試劑中重塑樣的實時膨脹量進行記錄，記錄頻率設置為10 s，記錄時間為24 h，當6 h內重塑樣膨脹量的變化量小于0.1 mm時，即認為膨脹穩定，可以終止試驗。對每種化學試劑進行3組平行試驗，計算3組試驗結果的算術平均值。

(2) 巖心崩解試驗：首先稱取10 g風干頁巖巖粉置于模具中，使用ZYP-40TS型壓片機及配套模具豎向施加40 MPa壓力，持續時間為5 min，得到直徑為26 mm、厚(7.5±0.2) mm的圓柱型人造巖心，并將其在105℃下烘干12 h后冷卻，得到干燥巖心；然后將干燥巖心放入裝有100 mL化學試劑對巖心的培養皿中，分別在浸泡5 min、30 min、180 min、1 440 min時拍照，觀察不同化學試劑對巖心的崩解性抑制效果。針對不透明試劑，在指定時間，用針管緩慢抽出試劑后拍照觀察。

3.2 不同化學試劑對頁巖膨脹性的抑制效果

不同化學試劑對頁巖試樣的線性膨脹率時程曲線和最終膨脹率結果，見圖8和表2。

圖8 不同化學試劑對頁巖試樣的線性膨脹率時程曲線

由圖8和表2可知：

表2 不同化學試劑對頁巖試樣的線性膨脹率試驗結果

(1) 所選用的化學試劑中除了PEG 2000外，其余化學試劑對頁巖的膨脹性均具有不同程度的抑制效果，其中：有機化學試劑中，5%FT-1(濁液)對頁巖的膨脹性抑制效果最好；無機鹽類化學試劑中，5%K2SiO3溶液對頁巖的膨脹性抑制效果最好。

(2) 頁巖試樣的線性膨脹率時程曲線呈現出明顯的三個階段[見圖8(b)]，即加速膨脹階段、減速膨脹階段和緩慢變形階段[19]。圖8(a)為從圖8(b)中截取的前2 h頁巖的線性膨脹率時程曲線，如圖8(a)所示，大部分頁巖試樣在前20 min的線性膨脹率增加劇烈， 該時間段頁巖試樣所產生的線性膨脹率普遍占到24 h頁巖試樣線性膨脹率的70%以上，為膨脹潛勢的快速釋放階段。在有機化學試劑中，FT-1、K-PAM和K-PAC 3種化學試劑展現出顯著地降低前期頁巖線性膨脹率的效果，三者前20 min的頁巖線性膨脹率相較24 h頁巖線性膨脹率占比均在33%以下，其作用效果減緩了頁巖膨脹潛勢的釋放；同時，這3種化學試劑對頁巖的膨脹性也具有良好的抑制效果，其24 h頁巖線性膨脹率分別只有蒸餾水浸泡下24 h頁巖線性膨脹率的42.41%、64.58%、61.04%。在無機鹽類化學試劑中，K2SiO3和Na2SiO32種化學試劑對頁巖的膨脹性具有較好的抑制效果，其24 h頁巖線性膨脹率分別只有蒸餾水浸泡下24 h頁巖線性膨脹率的50.31%和57.69%，且在相同質量分數的情況下，K2SiO3的抑制效果比Na2SiO3高7.38%，這是因為鉀離子具有比鈉離子更小的水化能和更好的同黏土礦物結合的能力[32-34]，使得鉀離子抑制黏土礦物膨脹性的效果更好。

但值得注意的是，化學試劑FT-1對頁巖雖然具有良好的膨脹抑制效果，但是其在0～24 h時段內不能使頁巖試樣膨脹率穩定。將試驗時間延長至48 h，24～48 h時段頁巖試樣的線性膨脹率增長量為1.19%，膨脹速率明顯下降但依然無法達到頁巖試樣膨脹率穩定；而化學試劑K2SiO3則未出現此種現象。

3.3 不同化學試劑對巖心崩解性的抑制效果

巖心崩解性是膨脹巖的重要特征之一。將人工巖心分別浸泡在不同化學試劑中24 h，得到的人造巖心崩解試驗結果照片，見圖9。

圖9 不同化學試劑對人造巖心崩解試驗結果照片(24 h)

由圖9可以看出：在所選化學試劑中，K-PAM和K-PAC對人造巖心的崩解性抑制效果最好，巖心浸泡24 h后依然保持完整；K2SiO3和Na2SiO3對于人造巖心的崩解性也具有良好的抑制效果，巖心浸泡24 h后上端面邊緣出現明顯的環向裂縫，裂縫深入巖心內部但并未貫穿，巖心得以保持整體形態，并未完全崩解。而在巖石線性膨脹率試驗中對頁巖膨脹性抑制效率最高的化學試劑是FT-1，但其對于巖心崩解性的抑制效果有限。造成該現象的原因應該從試驗情況與試劑作用機制兩個方面進行討論：

(1) 巖心崩解試驗中的試樣與巖石線性膨脹率試驗中的試樣所處的邊界條件不同。巖心崩解試驗中的試樣并不似巖石線性膨脹率試驗中的試樣那般受到側向約束，其處于自由膨脹狀態。因此，若要保持試樣整體穩定，所選用的化學試劑除了需要對頁巖具有良好的膨脹性抑制效果外，其還應具有一定的黏結作用。在常溫下，硅酸鹽可以在頁巖表面產生無機聚合物[20]以起到黏結作用，而K-PAM和K-PAC兩類聚合物鉀鹽通過其聚合陰離子上大量的羥基(—OH)與黏土礦物之間的氫鍵[35]亦能提供良好的黏結作用。

(2) 化學試劑FT-1以通過封堵頁巖孔隙為機制來抑制頁巖膨脹。此封堵作用能夠很好地減緩水分子侵入頁巖內部，減緩水-巖反應，這一點已經在巖石線性膨脹率試驗中得到了體現。但是，化學試劑FT-1對于頁巖的黏結作用卻十分有限，這是因為瀝青類化學試劑的黏結效果與溫度和應力環境有很大的關系，當溫度到達軟化點附近時，FT-1可以獲得更好的黏結與封堵效果，但是試驗溫度并未達到軟化溫度，從而導致其在巖心崩解性抑制效果方面的表現不佳。

4 結 論

本文以典型的圍巖大變形隧道工程為背景，分析了鄂西頁巖的基本特征，揭示了隧道圍巖大變形問題的主要原因，研究了化學試劑抑制頁巖膨脹的可行性，得到的主要結論如下：

(1) 鄭萬高鐵湖北段志留系新灘組泥質頁巖中富含伊利石和綠泥石，具有顯著的膨脹性和崩解性，屬強崩解性弱膨脹巖；隧道所處地層節理、裂隙與地下水較發育，頁巖遇水后發生了顯著的膨脹與崩解；巖體受構造作用的影響顯著，存在較高的構造應力，隧道圍巖發生了塑性變形和流變變形。上述因素導致該隧道工程局部路段發生了圍巖大變形，初期支護受損等問題。

(2) 除5%PEG 2000化學試劑外，配置的其余化學試劑均可不同程度地抑制頁巖的膨脹性，5%磺化瀝青粉(FT-1)濁液和5%硅酸鉀(K2SiO3)溶液對頁巖膨脹性具有較好的抑制效果，其中FT-1濁液可以有效減緩頁巖膨脹潛勢的釋放，但是頁巖膨脹穩定時間也顯著延長。

(3) 配置的部分化學試劑也可抑制頁巖崩解性，其中聚丙烯酸鉀(K-PAM)和聚陰離子纖維素鉀鹽(K-PAC)對頁巖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對頁巖的崩解性抑制效果有限。

實際隧道工程建設過程中，影響隧道圍巖大變形產生的因素很多，本文主要從隧道圍巖遇水膨脹的角度出發進行了研究，同時隧道施工方法、支護方案和支護時間等都會對隧道圍巖變形產生較大的影響，因此分析多因素耦合作用下隧道圍巖大變形機制也將是下一步工作的研究重點;此外，各種化學試劑在實際隧道工程環境中的穩定性與適配性，也需要進一步的研究。