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摘要 引水隧洞围岩主要为白垩系泥质岩，属软岩或极软岩，存在变形问题。采用室内试验、地应力测试等方法研究分析了变形机理和影响泥岩变形的因素，结果表明泥岩变形形式为膨胀、挤压复合型变形，工程区泥岩成份、胶结物及环境因素对其工程性质的影响密切，研究成果为工程设计和建设中采取行之有效的防护措施，抑制或减弱泥岩产生对工程不利的变形影响提供了依据。
关键词 矿物成份浸水软化性地应力挤压变性鹏胀变形
中图分类号： TU471 文献标识码： A
宁夏中南部安全水源工程引水线路全长74.4km，其中隧洞总长36km，最大埋深约320m，马蹄形断面，断面最大净高2.45m，最大宽度2.3m，采用钻爆法开挖。隧洞穿过地层为新生界白垩系乃家河组（K1n）、马东山组（K1m）及部分第三系寺口子组（E3s），构造上为向SW或NW缓倾的单斜层，倾角一般在8°～15°，最大30°。围岩岩性以泥岩为主，仅局部夹有泥灰岩及少量砂砾岩。白垩系泥岩呈灰色与暗红色互层，风化后呈薄层状或粉末状。软岩隧洞开挖后往往伴有掉块、局部坍塌；初期支护后围岩缓慢变形，使支护结构承受压力，表现为顶拱下沉、隧洞边墙挤压、喷层开裂或剥落等形式。
1、泥质岩岩性特征
引水隧洞围岩除了约400m长的洞段为第三系寺口子组（E2s）砂质泥岩及砂砾岩外，均为白垩系的泥岩夹少量泥灰岩。
1.1岩石主要成份
白垩系（K1）泥岩，泥晶泥状结构，薄层状构造，岩石主要矿物由泥质矿物和方解石组成，含少量褐铁矿及石英，其中泥质矿物含量约58%～62%，方解石含量为33%～35%。据全岩X射线粉晶衍射分析成果，粘土矿物成分主要为蒙脱石和伊利石，其中伊利石含量略高于蒙脱石。仅少部分含有石膏，但含量较高，达38.2%。化学成份中SiO2含量约31%～44%，CaO的含量12%～23%，Al2O3的含量9%～13%，Fe2O3含量3%～6%。
第三系始新统（E2）砂质泥岩，不等粒砂状泥状结构，弱定向构造，岩石主要由含铁泥质、长石、石英、方解石碎屑及岩屑组成，其中含铁泥质占50%。化学成份中SiO2含量约53%～56%，CaO的含量14%～15%，Al2O3的含量11%～13%，Fe2O3含量2%～3%。
1.2岩石物理力学特性
对隧洞白垩系乃家河组（K1n）、马东山组（K1m）泥质岩及第三系寺口子组（E3s）砂质泥岩，通过钻孔取样进行物理力学性质试验，成果统计见表1。
表1物理力学性质指标汇总表
地层 岩性 统计
项目 天然
密度
g/cm3 抗压强度/MPa 弹性模量/GPa 变形模量/GPa 泊松比 软化系数 摩擦系数 凝聚力 MPa 摩擦系数 凝聚力 MPa
干 天然 湿 干 天然 湿 干 天然 湿 天然 天然 饱和
泥岩 最小值 2.26 24.4 4.0 0.5 1.93 0.57 0.00 1.12 1.33 0.11 0.11 0.16 1.29 0.13 0.50 0.02
K1n 最大值 2.68 60.8 45.2 18.1 27.01 16.80 3.89 21.39 14.67 2.93 0.54 0.9 3.05 5.01 2.24 2.90
平均值 2.51 37.3 23.7 8.5 9.20 7.18 1.64 6.56 5.15 1.12 0.24 0.37 2.07 2.82 1.23 1.29
泥岩 最小值 2.31 10.3 9.0 2.2 0.69 1.77 0.18 0.34 0.70 0.13 0.16 0.1 0.79 0.69
K1m 最大值 2.47 25.5 29.4 6.8 4.97 6.33 1.94 1.98 4.40 0.54 0.28 0.33 2.52 1.15
平均值 2.40 18.5 20.2 4.3 2.35 4.52 1.13 1.11 2.39 0.23 0.22 1.42 0.95
E2s 砂质
泥岩 最小值 2.06 8.5 0.1 0.02
最大值 2.43 12.1 1.6 0.33
平均值 2.24 10.3 0.3 0.5 3.30 1.13 1.45 0.19 0.18
从试验成果看，白垩系下统泥岩干燥状态和天然状态下，其平均单轴抗压强度为18.5~37.3MPa和20.2~23.73MPa，弹性模量和变形模量也相对较高。但饱和状态下其平均抗压强度仅4.3~8.53MPa，明显低于干燥状态和天然状态，软化系数0.22~0.37，最低仅0.1。同样弹性模量和变形模量也具有相似的规律性，岩石遇水软化特性明显。
第三系砂质泥岩，干燥状态下单轴抗压强度为8.5～12.1MPa，湿单轴抗压强度为0.1～1.6MPa，软化系数为0.02～0.33；干燥状态下弹性模量为3.30GPa，湿弹性模量接近于0.003～1.30 GPa。其湿抗压强度、湿弹性模量明显低于天然状态，属于易软化岩石，水的作用对其力学强度影响很大。
需要指出，上述岩样是从钻孔取的较新鲜完整岩石，实际上岩石的强度还与风化程度和结构面发育程度密切相关。现场看到经过风化的泥岩具有极软岩的特性。除此之外，泥质岩的强度主要取决于胶结物的成份和性质等。
2、泥质岩变形机理分析
隧洞软岩变形是在地下水、高地应力、岩体结构等控制条件下发生的，从变形的原因和形式看，围岩具有挤压变形和膨胀变形复合型变形力学机制：①由于隧道开挖引起地层内部应力不平衡，从而产生挤压性围岩位移；即高地应力比条件下洞周围出现大范围的塑性破坏区，塑性区内岩体的“剪胀”加剧了挤压作用，增大了围岩质点向开挖空间的移动。②由于膨胀性围岩的膨胀作用，隧道洞壁可能产生变形。粘土類矿物、蒙脱石、伊利石等，吸水后体积可膨胀10%~20%；硬石膏遇水发生化学变化体积可增大60%。
2.1挤压变形
为了解隧洞区地应力状态，采用钻孔水压致裂法进行了地应力测量，根据《宁夏中南部城乡饮水安全水源工程地应力测试报告》地应力测试数据，绘制地应力随深度的分布图，如图1所示。
从图1中可以看出，在孔深128260m的测试范围内，地应力量值总体上表现为随深度逐渐增加。最小水平主应力(Sh)的量值在2.916.56之间，最大水平主应力(SH)的量值在3.997.90之间。除个别测点外，与按上覆岩石静岩压力计算的垂向应力(Sv)相比，三向主应力的关系基本表现为SH>Sv>Sh，表明测点附近水平应力占主导地位,属于走滑型应力状态。对实测数据进行线性回归分析后，可得到最大和最小水平主应力随深度变化的线性相关关系。通过测量确定该孔附近最大水平主应力的方向为N54°W。
将岩石的抗压强度（Rb）与围岩的最大正应力（）之比作为判断有无挤压变形及发生变形的程度划分原则。有关研究结果表明：
当RbKv/ <4时会出现应力超限，形成塑性区，围岩稳定性差；
当RbKv/<2时，围岩不稳定，变形显著。
图1钻孔地应力随孔深分布图
Kv—岩体完整系数，利用实测弹性波速求得；
—围岩最大正应力，即水平正应力。按下式计算：
（2.1）
其中，为隧洞横截面和水平面的交线与水平最大主应力方向的夹角。
以隧洞某分段为例，各段强度应力比计算结果见表2。
表2隧洞分段岩体强度应力比计算汇总表
隧洞桩号 埋深
m 地层 σm
（MPa） 抗压强度Rb（MPa) KV RbKv/
干 天然 饱和 干 天然 饱和
15+245-15+677 50 E2S 1.45 10.3 4.0 0.5 0.40 2.8 1.1 0.1
15+677-16+158 115 K1n 3.36 37.3 23.7 3.4 0.31 3.4 2.2 0.3
16+158-16+742 80 K1n 2.33 37.3 23.7 8.5 0.73 11.7 7.4 2.7
16+742-16+835 30 K1n 0.89 37.3 23.7 3.4 0.31 13.0 8.3 1.2
由表1可以看出，第三系砂质泥岩各种状态的强度应力比均小于4，按照以上所述的判断标准，该地层洞段内发生围岩变形的可能性很大。白垩系（K1n）泥岩在天然状态下，部分洞段围岩强度应力比小于4；饱和状态的强度应力比均小于2，说明该段隧洞饱水围岩有产生较大的围岩变形可能性。
围岩变形和破坏与主应力方向有关。若隧洞以垂直应力为最大主应力时，由于隧洞围岩倾角多在8°～15°间，可出现顶板下沉、坍塌、内鼓等变形形式。
2.2膨胀变形
宁夏南部引水工程中泥岩多具弱膨胀潜势。泥岩本身具不规则状、网状微细裂隙，产生遇水软化膨胀，失水收缩开裂现象，这使得引水工程的隧洞衬砌等结构物易遭到破坏。本次对钻孔岩芯试件，进行天然含水状态的膨胀试验，试验成果见表2。
表2 岩石膨胀试验成果表
地层 岩性 统计
项目 加荷
膨胀率 膨胀力
KkPa 径向自由膨胀率 轴向自由膨胀率
K1n
K1m
E2s 泥岩 最小值 0.29% 4.40 0.0% 0.02%
最大值 1.88% 62.2 4.64% 12.73%
平均值 0.7% 20.6 0.64% 1.47%
从试验结果看，天然含水量状态下泥岩的荷载平均膨胀率为0.7%，而膨胀压力在4.4 KPa～62.2KPa，平均值为20.6 kPa，具有一定的膨胀势。有关试验研究成果表明，膨胀性岩体的潜在应力及变形的时间效应十分显著，即应力释放过程是比较长的；另外，膨胀性围岩除具有吸水膨胀的特性外，一般还具有显著的流变特性，使围岩变形可持续3~5年。因此，在隧洞衬砌设计和施工建设中，应考虑膨胀力因素的影响，采取适宜的处理措施，抑制或减弱泥岩产生膨胀和力学强度降低的不利影响。
3、泥质围岩变形影响因素分析
3.1岩石成分对变形影响
泥岩的成分是影响岩石物理力学性质的主要因素。该地区白垩系地层岩性以灰色、黑灰色、暗红色的灰质泥岩为主，夹有浅灰色的泥灰岩及粉砂质泥岩，局部含有极薄层石膏。第三系地层岩性以砂质泥岩为主，砂砾岩为次之。
泥岩的成分包括矿物成分和化学成分，其中，矿物成分对其工程地质性质影响更为明显。而对工程性质影响大的主要成分是粘土矿物。粘土矿物的含量很大程度影响到其力学性质的好坏，一般来说，泥岩中粘土矿物含量越高，其力学强度相对越低；同时，粘土矿物的成分及含量也影响到泥岩的水理性质。已有的研究结果表明，蒙脱石的含量大于6%或伊利石含量达15%以上时对围岩膨胀特性产生明显影响。该地区灰质泥岩中以伊利石、蒙脱石为主的粘土矿物含量较高，一般含量达23.5%~37.0%，其中暗红色灰质泥岩粘土矿物含量高达60%。粘土矿物中伊利石含量略高于蒙脱石，两者均为亲水性矿物。因此，当泥岩中粘土矿物含量较高时常常使泥岩表现出较强的膨胀性、崩解、软化等现象。在水稳性方面，暗红色灰质泥岩会比其他灰质泥岩表现得更差。相同含水率的情况下，其力学强度也低。
有关研究结果表明，粘土矿物与膨胀岩的化学成份、膨胀特性之间有密切的相关关系，化学成分中硅铝分子比的高低，间接反映出蒙脱石与伊利石含量，也是判断泥岩的胀缩性的依据之一，该地区泥岩的硅铝分子比达3.4~4.5，进一步说明该地区泥岩具有膨胀潜势。
3.2胶结物对泥质围岩变形影响
胶结物成分对泥质岩工程性质的影响非常大。由于泥质岩沉积的自然地理环境的不同，其胶结物的成份和表现出来的性质是不同的。它的胶结物有：硅质、铁质、钙质、石膏、泥质等。应该指出，泥质岩的强度主要取决于胶结物成分和性质，换句话说，与泥质岩的胶结程度有关。胶结程度还取决于胶结物含量及胶结形式等。胶结程度的强弱对泥岩的水理性质、结构特征、物化性质有较大的影响，并且最终使其力学性质及抗风化能力及胀缩性等有明显的差别。通过岩矿鉴定、岩石化学成分分析、X-射线衍射分析等试验结果表明，工程区泥质岩及砂砾岩的主要胶结方式为钙质胶结及泥质胶结，白垩系（K1n、K1m）泥质岩胶结物以钙质及钙泥质为主，第三系（E2s）岩层则以泥质胶结为主。岩石胶结程度一般为弱胶结到中等胶结。工程开挖揭露后，泥钙质胶结的暗红色泥岩比其他灰质泥岩的强度衰减及抗风化性有明显差异，而较强胶结的泥灰岩的强度最高，水稳性也好。
3.3环境变化对围岩变形特性的影响及工程措施
隧洞开挖，泥岩暴露地表后，经过一段时间其工程性质出现明显变化。白垩系（K1n、K1m）泥质岩及第三系（E2s）砂质泥岩均具有失水干裂的不良特性，特别是泥岩在干燥后的二次浸水作用下，其工程性质的变化存在着巨大的差异。在保持天然含水状态或三维应力条件下，岩体具有较高的强度，但遇水浸泡后泥岩易软化，强度衰减十分明显，饱水状态下的泥岩在附加应力的长期作用下将产生明显位移变形。
随着岩石的风化程度、干湿交替等环境变化其水稳性也发生变化。试验研究结果和实际观察表明，泥质膨胀性围岩的性状变化是主要因岩石含水量变化引起的，若能保持开挖前的含水量，通常不具备膨胀特性；但开挖后膨胀性围岩逐渐干燥失水，再遇水便要膨胀崩解，其干燥失水越多，膨胀量越大。
4.工程对策建议
基于上述泥质围岩变形机理分析及变形影响因素，对于该引水隧洞工程而言，在施工过程中应避免围岩长时间暴露、风干、充水和浸湿，尽量保持工作面湿润的天然状态，是防止或减少泥岩工程性质恶化而产生失稳或变形的关键。另外，隧洞不同的开挖方式和支护步骤对于隧洞变形量有一定的影响，比如不合理的爆破方式会加重岩石破坏和扰动，支护不力或其達不到预期效果，会造成隧洞围岩潜在变形等。
因此，在施工开挖中应及时采取初期支护措施，尽快全断面封闭，防止风化；施工中洞底积水应及时清除，避免在水中长时间浸泡；钻爆作业采用浅眼、多循环，光面爆破和预裂爆破，以减少爆破对围岩的破坏扰动等，是防止围岩产生大变形，提高隧洞围岩稳定性的重要措施。
5、结语
1）引水隧洞泥质围岩变形位移, 主要与围岩整体强度、地下水、地应力、膨胀性及工程施工方法有关。在以上各因素的相互叠加作用下,往往使围岩加剧恶化，造成变形破坏。
2）隧洞开挖，使本来深埋的岩体变空，一方面，岩体内部原有应力平衡受到破坏，周边围岩向径向释放应力，从而导致边墙内胀、拱顶坍塌；另一方面，由于地下水的浸润，使得这种具有湿胀特性的岩体胀裂和软化，加速变形。
3）天然状态下的泥质岩的工程特性较为稳定，但浸水饱和后其力学强度急剧降低，尤其是泥岩在干燥失水后的再次浸水，使其工程性质将发生巨大的变化，激发诸如蠕变、崩解、膨胀等劣质岩的特性，因此在工程设计和建设中针对这种变化因素，采取行之有效的防护措施，抑制或减弱泥岩产生对工程不利的变形影响，以保证工程的长期稳定和安全运行。
参考文献
1. 林在贯、高大钊等主编，岩土工程手册，中国建筑工业出版社，1994年10月
作者简介：李明福，出生，1958年7月，工作单位，中水北方勘测设计研究有限责任公司， 从事专业，工程地质，高级工程师，本科，学士学位，长春地质学院水文地质与工程地质专业毕业。
关键词 矿物成份浸水软化性地应力挤压变性鹏胀变形
中图分类号： TU471 文献标识码： A
宁夏中南部安全水源工程引水线路全长74.4km，其中隧洞总长36km，最大埋深约320m，马蹄形断面，断面最大净高2.45m，最大宽度2.3m，采用钻爆法开挖。隧洞穿过地层为新生界白垩系乃家河组（K1n）、马东山组（K1m）及部分第三系寺口子组（E3s），构造上为向SW或NW缓倾的单斜层，倾角一般在8°～15°，最大30°。围岩岩性以泥岩为主，仅局部夹有泥灰岩及少量砂砾岩。白垩系泥岩呈灰色与暗红色互层，风化后呈薄层状或粉末状。软岩隧洞开挖后往往伴有掉块、局部坍塌；初期支护后围岩缓慢变形，使支护结构承受压力，表现为顶拱下沉、隧洞边墙挤压、喷层开裂或剥落等形式。
1、泥质岩岩性特征
引水隧洞围岩除了约400m长的洞段为第三系寺口子组（E2s）砂质泥岩及砂砾岩外，均为白垩系的泥岩夹少量泥灰岩。
1.1岩石主要成份
白垩系（K1）泥岩，泥晶泥状结构，薄层状构造，岩石主要矿物由泥质矿物和方解石组成，含少量褐铁矿及石英，其中泥质矿物含量约58%～62%，方解石含量为33%～35%。据全岩X射线粉晶衍射分析成果，粘土矿物成分主要为蒙脱石和伊利石，其中伊利石含量略高于蒙脱石。仅少部分含有石膏，但含量较高，达38.2%。化学成份中SiO2含量约31%～44%，CaO的含量12%～23%，Al2O3的含量9%～13%，Fe2O3含量3%～6%。
第三系始新统（E2）砂质泥岩，不等粒砂状泥状结构，弱定向构造，岩石主要由含铁泥质、长石、石英、方解石碎屑及岩屑组成，其中含铁泥质占50%。化学成份中SiO2含量约53%～56%，CaO的含量14%～15%，Al2O3的含量11%～13%，Fe2O3含量2%～3%。
1.2岩石物理力学特性
对隧洞白垩系乃家河组（K1n）、马东山组（K1m）泥质岩及第三系寺口子组（E3s）砂质泥岩，通过钻孔取样进行物理力学性质试验，成果统计见表1。
表1物理力学性质指标汇总表
地层 岩性 统计
项目 天然
密度
g/cm3 抗压强度/MPa 弹性模量/GPa 变形模量/GPa 泊松比 软化系数 摩擦系数 凝聚力 MPa 摩擦系数 凝聚力 MPa
干 天然 湿 干 天然 湿 干 天然 湿 天然 天然 饱和
泥岩 最小值 2.26 24.4 4.0 0.5 1.93 0.57 0.00 1.12 1.33 0.11 0.11 0.16 1.29 0.13 0.50 0.02
K1n 最大值 2.68 60.8 45.2 18.1 27.01 16.80 3.89 21.39 14.67 2.93 0.54 0.9 3.05 5.01 2.24 2.90
平均值 2.51 37.3 23.7 8.5 9.20 7.18 1.64 6.56 5.15 1.12 0.24 0.37 2.07 2.82 1.23 1.29
泥岩 最小值 2.31 10.3 9.0 2.2 0.69 1.77 0.18 0.34 0.70 0.13 0.16 0.1 0.79 0.69
K1m 最大值 2.47 25.5 29.4 6.8 4.97 6.33 1.94 1.98 4.40 0.54 0.28 0.33 2.52 1.15
平均值 2.40 18.5 20.2 4.3 2.35 4.52 1.13 1.11 2.39 0.23 0.22 1.42 0.95
E2s 砂质
泥岩 最小值 2.06 8.5 0.1 0.02
最大值 2.43 12.1 1.6 0.33
平均值 2.24 10.3 0.3 0.5 3.30 1.13 1.45 0.19 0.18
从试验成果看，白垩系下统泥岩干燥状态和天然状态下，其平均单轴抗压强度为18.5~37.3MPa和20.2~23.73MPa，弹性模量和变形模量也相对较高。但饱和状态下其平均抗压强度仅4.3~8.53MPa，明显低于干燥状态和天然状态，软化系数0.22~0.37，最低仅0.1。同样弹性模量和变形模量也具有相似的规律性，岩石遇水软化特性明显。
第三系砂质泥岩，干燥状态下单轴抗压强度为8.5～12.1MPa，湿单轴抗压强度为0.1～1.6MPa，软化系数为0.02～0.33；干燥状态下弹性模量为3.30GPa，湿弹性模量接近于0.003～1.30 GPa。其湿抗压强度、湿弹性模量明显低于天然状态，属于易软化岩石，水的作用对其力学强度影响很大。
需要指出，上述岩样是从钻孔取的较新鲜完整岩石，实际上岩石的强度还与风化程度和结构面发育程度密切相关。现场看到经过风化的泥岩具有极软岩的特性。除此之外，泥质岩的强度主要取决于胶结物的成份和性质等。
2、泥质岩变形机理分析
隧洞软岩变形是在地下水、高地应力、岩体结构等控制条件下发生的，从变形的原因和形式看，围岩具有挤压变形和膨胀变形复合型变形力学机制：①由于隧道开挖引起地层内部应力不平衡，从而产生挤压性围岩位移；即高地应力比条件下洞周围出现大范围的塑性破坏区，塑性区内岩体的“剪胀”加剧了挤压作用，增大了围岩质点向开挖空间的移动。②由于膨胀性围岩的膨胀作用，隧道洞壁可能产生变形。粘土類矿物、蒙脱石、伊利石等，吸水后体积可膨胀10%~20%；硬石膏遇水发生化学变化体积可增大60%。
2.1挤压变形
为了解隧洞区地应力状态，采用钻孔水压致裂法进行了地应力测量，根据《宁夏中南部城乡饮水安全水源工程地应力测试报告》地应力测试数据，绘制地应力随深度的分布图，如图1所示。
从图1中可以看出，在孔深128260m的测试范围内，地应力量值总体上表现为随深度逐渐增加。最小水平主应力(Sh)的量值在2.916.56之间，最大水平主应力(SH)的量值在3.997.90之间。除个别测点外，与按上覆岩石静岩压力计算的垂向应力(Sv)相比，三向主应力的关系基本表现为SH>Sv>Sh，表明测点附近水平应力占主导地位,属于走滑型应力状态。对实测数据进行线性回归分析后，可得到最大和最小水平主应力随深度变化的线性相关关系。通过测量确定该孔附近最大水平主应力的方向为N54°W。
将岩石的抗压强度（Rb）与围岩的最大正应力（）之比作为判断有无挤压变形及发生变形的程度划分原则。有关研究结果表明：
当RbKv/ <4时会出现应力超限，形成塑性区，围岩稳定性差；
当RbKv/<2时，围岩不稳定，变形显著。
图1钻孔地应力随孔深分布图
Kv—岩体完整系数，利用实测弹性波速求得；
—围岩最大正应力，即水平正应力。按下式计算：
（2.1）
其中，为隧洞横截面和水平面的交线与水平最大主应力方向的夹角。
以隧洞某分段为例，各段强度应力比计算结果见表2。
表2隧洞分段岩体强度应力比计算汇总表
隧洞桩号 埋深
m 地层 σm
（MPa） 抗压强度Rb（MPa) KV RbKv/
干 天然 饱和 干 天然 饱和
15+245-15+677 50 E2S 1.45 10.3 4.0 0.5 0.40 2.8 1.1 0.1
15+677-16+158 115 K1n 3.36 37.3 23.7 3.4 0.31 3.4 2.2 0.3
16+158-16+742 80 K1n 2.33 37.3 23.7 8.5 0.73 11.7 7.4 2.7
16+742-16+835 30 K1n 0.89 37.3 23.7 3.4 0.31 13.0 8.3 1.2
由表1可以看出，第三系砂质泥岩各种状态的强度应力比均小于4，按照以上所述的判断标准，该地层洞段内发生围岩变形的可能性很大。白垩系（K1n）泥岩在天然状态下，部分洞段围岩强度应力比小于4；饱和状态的强度应力比均小于2，说明该段隧洞饱水围岩有产生较大的围岩变形可能性。
围岩变形和破坏与主应力方向有关。若隧洞以垂直应力为最大主应力时，由于隧洞围岩倾角多在8°～15°间，可出现顶板下沉、坍塌、内鼓等变形形式。
2.2膨胀变形
宁夏南部引水工程中泥岩多具弱膨胀潜势。泥岩本身具不规则状、网状微细裂隙，产生遇水软化膨胀，失水收缩开裂现象，这使得引水工程的隧洞衬砌等结构物易遭到破坏。本次对钻孔岩芯试件，进行天然含水状态的膨胀试验，试验成果见表2。
表2 岩石膨胀试验成果表
地层 岩性 统计
项目 加荷
膨胀率 膨胀力
KkPa 径向自由膨胀率 轴向自由膨胀率
K1n
K1m
E2s 泥岩 最小值 0.29% 4.40 0.0% 0.02%
最大值 1.88% 62.2 4.64% 12.73%
平均值 0.7% 20.6 0.64% 1.47%
从试验结果看，天然含水量状态下泥岩的荷载平均膨胀率为0.7%，而膨胀压力在4.4 KPa～62.2KPa，平均值为20.6 kPa，具有一定的膨胀势。有关试验研究成果表明，膨胀性岩体的潜在应力及变形的时间效应十分显著，即应力释放过程是比较长的；另外，膨胀性围岩除具有吸水膨胀的特性外，一般还具有显著的流变特性，使围岩变形可持续3~5年。因此，在隧洞衬砌设计和施工建设中，应考虑膨胀力因素的影响，采取适宜的处理措施，抑制或减弱泥岩产生膨胀和力学强度降低的不利影响。
3、泥质围岩变形影响因素分析
3.1岩石成分对变形影响
泥岩的成分是影响岩石物理力学性质的主要因素。该地区白垩系地层岩性以灰色、黑灰色、暗红色的灰质泥岩为主，夹有浅灰色的泥灰岩及粉砂质泥岩，局部含有极薄层石膏。第三系地层岩性以砂质泥岩为主，砂砾岩为次之。
泥岩的成分包括矿物成分和化学成分，其中，矿物成分对其工程地质性质影响更为明显。而对工程性质影响大的主要成分是粘土矿物。粘土矿物的含量很大程度影响到其力学性质的好坏，一般来说，泥岩中粘土矿物含量越高，其力学强度相对越低；同时，粘土矿物的成分及含量也影响到泥岩的水理性质。已有的研究结果表明，蒙脱石的含量大于6%或伊利石含量达15%以上时对围岩膨胀特性产生明显影响。该地区灰质泥岩中以伊利石、蒙脱石为主的粘土矿物含量较高，一般含量达23.5%~37.0%，其中暗红色灰质泥岩粘土矿物含量高达60%。粘土矿物中伊利石含量略高于蒙脱石，两者均为亲水性矿物。因此，当泥岩中粘土矿物含量较高时常常使泥岩表现出较强的膨胀性、崩解、软化等现象。在水稳性方面，暗红色灰质泥岩会比其他灰质泥岩表现得更差。相同含水率的情况下，其力学强度也低。
有关研究结果表明，粘土矿物与膨胀岩的化学成份、膨胀特性之间有密切的相关关系，化学成分中硅铝分子比的高低，间接反映出蒙脱石与伊利石含量，也是判断泥岩的胀缩性的依据之一，该地区泥岩的硅铝分子比达3.4~4.5，进一步说明该地区泥岩具有膨胀潜势。
3.2胶结物对泥质围岩变形影响
胶结物成分对泥质岩工程性质的影响非常大。由于泥质岩沉积的自然地理环境的不同，其胶结物的成份和表现出来的性质是不同的。它的胶结物有：硅质、铁质、钙质、石膏、泥质等。应该指出，泥质岩的强度主要取决于胶结物成分和性质，换句话说，与泥质岩的胶结程度有关。胶结程度还取决于胶结物含量及胶结形式等。胶结程度的强弱对泥岩的水理性质、结构特征、物化性质有较大的影响，并且最终使其力学性质及抗风化能力及胀缩性等有明显的差别。通过岩矿鉴定、岩石化学成分分析、X-射线衍射分析等试验结果表明，工程区泥质岩及砂砾岩的主要胶结方式为钙质胶结及泥质胶结，白垩系（K1n、K1m）泥质岩胶结物以钙质及钙泥质为主，第三系（E2s）岩层则以泥质胶结为主。岩石胶结程度一般为弱胶结到中等胶结。工程开挖揭露后，泥钙质胶结的暗红色泥岩比其他灰质泥岩的强度衰减及抗风化性有明显差异，而较强胶结的泥灰岩的强度最高，水稳性也好。
3.3环境变化对围岩变形特性的影响及工程措施
隧洞开挖，泥岩暴露地表后，经过一段时间其工程性质出现明显变化。白垩系（K1n、K1m）泥质岩及第三系（E2s）砂质泥岩均具有失水干裂的不良特性，特别是泥岩在干燥后的二次浸水作用下，其工程性质的变化存在着巨大的差异。在保持天然含水状态或三维应力条件下，岩体具有较高的强度，但遇水浸泡后泥岩易软化，强度衰减十分明显，饱水状态下的泥岩在附加应力的长期作用下将产生明显位移变形。
随着岩石的风化程度、干湿交替等环境变化其水稳性也发生变化。试验研究结果和实际观察表明，泥质膨胀性围岩的性状变化是主要因岩石含水量变化引起的，若能保持开挖前的含水量，通常不具备膨胀特性；但开挖后膨胀性围岩逐渐干燥失水，再遇水便要膨胀崩解，其干燥失水越多，膨胀量越大。
4.工程对策建议
基于上述泥质围岩变形机理分析及变形影响因素，对于该引水隧洞工程而言，在施工过程中应避免围岩长时间暴露、风干、充水和浸湿，尽量保持工作面湿润的天然状态，是防止或减少泥岩工程性质恶化而产生失稳或变形的关键。另外，隧洞不同的开挖方式和支护步骤对于隧洞变形量有一定的影响，比如不合理的爆破方式会加重岩石破坏和扰动，支护不力或其達不到预期效果，会造成隧洞围岩潜在变形等。
因此，在施工开挖中应及时采取初期支护措施，尽快全断面封闭，防止风化；施工中洞底积水应及时清除，避免在水中长时间浸泡；钻爆作业采用浅眼、多循环，光面爆破和预裂爆破，以减少爆破对围岩的破坏扰动等，是防止围岩产生大变形，提高隧洞围岩稳定性的重要措施。
5、结语
1）引水隧洞泥质围岩变形位移, 主要与围岩整体强度、地下水、地应力、膨胀性及工程施工方法有关。在以上各因素的相互叠加作用下,往往使围岩加剧恶化，造成变形破坏。
2）隧洞开挖，使本来深埋的岩体变空，一方面，岩体内部原有应力平衡受到破坏，周边围岩向径向释放应力，从而导致边墙内胀、拱顶坍塌；另一方面，由于地下水的浸润，使得这种具有湿胀特性的岩体胀裂和软化，加速变形。
3）天然状态下的泥质岩的工程特性较为稳定，但浸水饱和后其力学强度急剧降低，尤其是泥岩在干燥失水后的再次浸水，使其工程性质将发生巨大的变化，激发诸如蠕变、崩解、膨胀等劣质岩的特性，因此在工程设计和建设中针对这种变化因素，采取行之有效的防护措施，抑制或减弱泥岩产生对工程不利的变形影响，以保证工程的长期稳定和安全运行。
参考文献
1. 林在贯、高大钊等主编，岩土工程手册，中国建筑工业出版社，1994年10月
作者简介：李明福，出生，1958年7月，工作单位，中水北方勘测设计研究有限责任公司， 从事专业，工程地质，高级工程师，本科，学士学位，长春地质学院水文地质与工程地质专业毕业。