Ｒｅｓｅａｒｃｈ研究探讨２５７● 炭质页岩隧道特性与大变形机理初探 温立钊 （青海省公路建设管理局） 中图分类号：Ｇ３２２文献标识码：Ｂ 文章编号１００７—６３４４（２０１６）１卜０２５７—０１ 摘要：本文通过查阅大量的相关论文，我们得到了炭质页岩工程特性，以及总结了炭质页岩隧道变形破坏特征与相关的工程力 学特性。为今后相关地区隧道建设相关活动提供了相应的基础资料与工程实践借鉴，有一定的工程参考价值。 关键词：炭质页岩；工程特性；隧道变形 １炭质页岩工程特性 炭质页岩属于软岩的一种类型，软岩有两个基本力学属性软化临界荷载和软 化临界深度【９】。软化临界荷载是指能使岩石产生明显变形的最小荷载；与软化Ｉ临 界荷载相对应的是软化临界深度，软岩在工程中存在塑性变形大、围岩压力强、 支护难现象，但是当小于某一深度时，这些现象明显消失，这一Ｊ｝缶界深度称为软 岩的软化临界深。 结合大量隧道勘察、施工揭示围岩状况分析，炭质页岩是一种碳化机制页岩， 由海槽碎屑物沉积而形成，包含黏土矿物、沉积碎屑物和少量金属氧化物，属于 粘土岩。呈灰黑色或褐色，页状薄片构造，质软，易剥离，用硬物打击易裂成碎 片。其主要工程力学性质有： （１）各向异性：不同于其他硬质岩，炭质页岩由于显著的页理构造，结构面 控制着炭质页岩的力学行为，造就了其明显的各向异性力学特性。 （２）可塑性：炭质页岩含有大量的黏土矿物和碎屑，变形是由于岩石中节理、 裂缝、结构面扩容引起的，所以即使作用力取消之后，变形也不可恢复，这就是 炭质页岩的可塑性。隧道开挖以前处于初始地应力平衡状态，开挖后平衡被破坏， 围岩应力就会在瞬间重新分布，洞室围岩应力由三维应力状态转变为二维应力状 态，洞室切向应力增大，ｌ临空面达到最大值，径向应力由洞室临空面向围岩深处 逐渐增大，最终形成距离临空面不同距离的塑性流动区、塑性软化区、塑性硬化 区和弹性区。这四个区域的力学行为对应于岩石的全应力一应变曲线中的相应段， 其中弹性区对应于岩石全应力一应变曲线的弹性变形阶段，塑性硬化区对应于全应 力一应变曲线的塑性硬化阶段，塑性软化区对应于曲线的峰后软化阶段，塑性流动 区对应于岩石的松动破坏阶段。 （３）横纵向多变性：主要分为岩性多变性和构造多变性。炭质页岩属于沉积 型岩石，成岩时间短，埋深、水、工程应力等的作用对岩性的影响很大，使得隧 道纵向上的岩体呈现多种差异较大的岩性。受构造应力和层理构造影响，水平方 向相距很近的两个平行的开挖面岩体强度会相差很大，出现横向上岩体发育较好 与破碎的差异。炭质页岩横纵向多变性会使得隧道工程在同样的工程应力下，围 岩产生不同物理力学参数和本构关系，让炭质页岩隧道工程更加复杂化，增加施 工和支护难度。 （４）膨胀性：膨胀性是指炭质页岩中所含有的矿物如蒙脱石，在力或水的作 用下体积增大的现象。 （５）崩解性：炭质页岩中含有的矿物成分破碎性较强，胶结较弱，在一定条 件下发生崩解的性质。根据崩解机理分为低应力软岩、高应力软岩和节理化软岩 崩解。低应力软岩的崩解是由于其包含的黏土矿物在水的作用下发生膨胀，膨胀 力不均匀分布造成结构体解体、崩裂现象。高应力和节理化软岩的崩解表现在工 程力的作用下，裂缝中的应力集中引起结构体解体、崩裂的现象。 ２炭质页岩隧道变形破坏特征 结合大量隧道工程实际情况，总结炭质页岩变形破坏特征如下： （１）岩体抗压强度低。根据姜路岭隧道开挖可知围岩级别为Ⅳ一Ⅵ级。岩体 抗压强度低导致炭质页岩自稳能力弱，因此隧道开挖后应及时进行初期支护，否 则掌子面围岩将发生挤出性坍塌。 （２）变形速度快。多数隧道开挖支护后，变形速度很快，日均沉降量达到ｌＯ ～５０ｒａｍ。 （３）变形量大。多数隧道累计沉降变形量一般达到２５０～８００ｒａｍ，部分最大 监测值超过１０００ｍｍ，过大的变形对初支和二衬造成了严重的负担，导致钢拱架变 形严重，换拱频繁。 （４）变形时间长。根据大量隧道监控量测数据显示累计变形量２５～５０ｃｍ的 检测点收敛时间为４ｏ～６０天，超过这个累计变形量炭质页岩就会因流变性很难再 收敛。 （５）松动圈范围大。隧道开挖后围岩应力重分布，形成距离临空面不同范围 的应力区域，其中临近隧道临空面的松动圈是着重支护的对象。 （６）破坏形式多样。常见的有：掌子面塌方、初期支护侵限、初期支护塌方、 二衬掉块、开裂，底鼓等。 ３炭质页岩隧道大变形原因分析 （１）地质原因：炭质页岩主要为沉积碎屑物组成，成岩时间较短、层理构造、 胶结差、自承能力差是造成大变形的内在因素。控制炭质页岩隧道变形的地质因 素包括岩性因素、构造应力因素、岩体走向因素和水的作用因素等。 （２）勘察设计原因：隧道勘察的目的在于为规划、设计、施工提供所需的地质 资料，应查明地形地貌、地层岩性、地质构造、特殊地质、地下水等信息。对以后 的施工提供最为直观的预判资料，及时更正施工对策，保证施工安全，。然而出于 成本考虑或人为方面的原因，实际勘察中仍存在不够详细、勘察周期短、新勘察技 术应用难以推广、勘察资料粗糙等问题，导致许多隧道工程施工中应变不及时。设 计方面的理论基础仍然是小变形假设，不足以应对炭质页岩的大变形非线性问题。 （３）施工原因：在炭质页岩隧道工程中，松动圈范围很大，单独依靠钢架和 混凝土组合的初期支护很难有效控制围岩变形，而在许多软岩工程中，锚杆法已 经被证明是控制软岩大变形的有效手段之一，施工中锚杆必须能够伸到松动圈外 围，充分发挥锚固连接的作用。隧道在穿越炭质页岩施工过程中必须注意细节， 灵活使用工法，调整支护参数。比如根据开挖揭露围岩情况及时调整开挖进尺， 利用初期支护监控量测反馈数据调整支护参数，选择二次衬砌施作时机，控制施 工进度与施工质量之间的矛盾，加强预防塌方事故等。这些都是炭质页岩在施工 中需要着重处理的施工中需要着重处理的问题，然而在实际操作中，对这些工程 细节的处理容易存在疏忽、漠视，致使隧道出现大变形、失稳塌方等灾害。 ４炭质页岩变形力学机制 炭质页岩是一种典型的软岩类型，造成软岩大变形破坏的原因有很多方面， 其中根本性原因是控制软岩的复杂变形力学机制。为了使软岩的支护效果达到最 佳，研究学 ”讨软岩的力学机制做了系统的研究。一般将软岩的变形机制分成两 类：一类是软岩中含有膨胀性矿物．在水或者工程力的作用下发生膨胀；二是隧 道开挖施工扰动后重分布的应力超过围岩强度而发生失稳破坏。 陈宗基教授把围岩变形机制概括为塑性楔体、流动变形、围岩膨胀、扩容、 挠曲５个方面。何满潮教授［９１根据大量软岩巷道工程， 将软岩的变形力学机制归 纳为物化膨胀型、应力扩容型和结构变形型三大类，各类中又依据引起变形的严 重程度分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个等级，共１３大类。其中物化膨胀型变形力学机制可 以细分为分子膨胀机制、胶体膨胀机制和毛细膨胀机制；应力扩容变形力学机制 根据各种影响力的不同，分为构造应力机制、水的作用机制、自重应力和工程偏 应力机制；结构变形型变形力学机制根据岩层层理或节理的形态不同分为断层型、 软弱夹层型、层理型、优势节理型和随机节理型等变形力学机制。 ５结论 通过研究我们对炭质页岩工程力学特性、破坏特征、大变形原因、大变形分 级和大变形机制进行了详细的探究。总结出了炭质页岩各向异性、可塑、横纵向 多变性、膨胀、崩解、流变和易扰动的工程特性。正是这样的工程特性造成了炭 质页岩隧道变形量大，变形时间长，变形速度快和破坏形式多样的变形破坏特征。 多数炭质页岩隧道的变形破坏模式归纳为五类：掌子面塌方、初期支护侵限、初 期支护塌方、二衬开裂和底鼓。 参考文献 ［１】何满潮，景海河，孙晓明．软岩－ｖ－￣．５ ，Ｍ】．北京：科学出版社，２００２． ［２］高美奔，李天斌，孟陆波等．隧道软岩大变形力学机制及防治措施综述【Ｊ１ ．施＿Ｔ－技术．２０１３．４２：２４７—２５１． 【３］陈宗基，闻萱梅．膨胀岩与隧道稳定【Ｊ】．岩石力学与工程学报，１９８３，２（４］： ７一ｌ１．