2.3 地层岩性

2.3.1 沉积岩

隧洞工程区的地层应划分到系、统、组、段，按工程地质性质的不同进行岩组划分（亦即划分到段）。对重要的岩组均应进行勘探试验工作，提供物理力学参数建议值。对于具有特殊性质的岩层分布需勘察清楚，并对其工程地质性质进行测试、试验研究。

万家寨引黄入晋工程的主要经验如下：

（1）对隧洞围岩稳定影响大的膨胀岩、蚀变岩、泥岩、煤层等，在1∶2000～1∶1000比例尺的地质勘察时，精度已详细到层，并在图件中标示其分布情况，同时进行了膨胀岩和蚀变岩的试验研究、煤层分布及塌陷区勘察研究等。

（2）万家寨引黄入晋工程南干线7号隧洞的二叠系上石合子组（P2s）～侏罗系大同组（J1d）的泥质岩具有不同程度的膨胀性。进行了室内和现场原位试验，主要内容有：岩石黏土矿物含量（蒙脱石等含量）、化学活性（岩块干燥饱和吸水率）、成岩胶结强度（胶结系数）、膨胀性力学试验及膨胀势的判定等。并且进行了工程地质评价与建议。这对隧洞设计、施工，特别是TBM顺利施工具有重要意义。

（3）万家寨引黄入晋工程膨胀岩专题研究的主要成果如下。

1）影响泥质岩膨胀性的主要因素。

a．黏土矿物含量。泥质岩中的黏土矿物主要由高岭石、伊利石和蒙脱石三大类组成，在各种黏土矿物中，以蒙脱石的亲水性和膨胀性最强（膨胀性约为伊利石的10倍），表现为物理化学活性强、水稳性差。

蒙脱石[Mg、Al]2[（Si4O10）（OH）2·nH2O]是含镁铝的硅铝酸盐矿物，是在富含镁的微碱性水地球化学环境下形成的。

泥质岩中的有效蒙脱石含量直接控制了泥质岩的膨胀性强弱。所以常把蒙脱石的含量作为判别泥质岩膨胀性的重要指标（表2.3-1）。

b．后期成岩胶结作用及胶结物。由于泥质岩在成岩过程中，经历了固结、胶结、脱水以及重结晶等作用，因此，后期成岩的胶结作用强度和胶结物成分，也是影响和控制岩石膨胀性强弱的重要因素。例如，三叠系刘家沟组（T1l）与和尚沟组（T1h）地层，为红～紫红色砂岩夹泥质岩，泥质岩的蒙脱石含量最高可达18.26%，然而，由于岩石胶结物中含有6%以上的Fe2O3，使其膨胀性和崩解性均不显著。

胶结系数为岩石干抗压强度与饱和抗压强度的比值。按胶结程度和胶结系数评价膨胀性，详见表2.3-1。

c．干燥活化效应。曲永新研究员认为：无论是泥质膨胀岩、还是膨胀土的膨胀性都是在表生地质作用和人类工程活动（如开挖卸荷、干湿交替作用，即干燥活化效应）下诱发产生的。

对于深埋于地下的泥质膨胀岩，因其湿度平衡状态未发改变，就不会出现膨胀。大量实际观察和试验研究结果表明：岩土膨胀的强烈显现是在天然岩石干燥失水（发生裂开）后又浸水发生的，而且与失水和浸水程度有密切关系；也可以说，在泥质膨胀岩的原始地质环境不遭到大的改变的条件下，即使泥岩本身具有较大的膨胀潜势，也不会引发明显的膨胀变形破坏作用。

2）泥质岩膨胀势的判定标准。

由于岩石的膨胀性与蒙脱石矿物含量、比表面积、胶结系数等多种因素有关，所以目前国内外对泥质膨胀岩的研究和判定还没有形成统一的国际标准和国家标准。

曲永新研究员综合比较泥质岩中的蒙脱石矿物含量、比表面积、胶结系数等反映泥质岩膨胀性的基本指标发现，岩块干燥饱和吸水率指标WRDS（RDS为Rock Desication Specificwater absorption的英文缩写），不仅综合了泥质岩的黏土矿物组成、物理化学活性、成岩胶结作用强度等因素对岩石的膨胀性和水稳性的整体影响，而且测试简便快速，可操作性强。

在引黄工程勘察实践中，结合实测地质剖面工作采取泥质岩岩块进行试验分析，采用WRDS作为判定泥质岩膨胀势强弱的第一指标，得到泥质岩膨胀势的初判结果。而后，通过分析黏土矿物成分、测定胶结系数大小、观察岩样浸水崩解特征等辅助指标，对初判结果加以复核，最终得到泥质岩膨胀势的判定结果。引黄工程泥质岩膨胀势的具体划分标准参见表2.3-1。

3）膨胀岩对工程的危害。

岩石力学试验成果表明，膨胀岩的力学性质主要受岩石的胶结程度、岩体结构面（主要为节理、层理、层面及微结构面）及其发育程度、干湿效应的综合影响。干湿效应导致软化系数降低（仅0.02～0.17，平均值为0.10），膨胀岩风干浸水和原湿度浸水的强度相差甚大，变形模量相差4～6倍。泥质岩在吸水发生膨胀破坏的同时，自身强度衰减十分明显。因此，膨胀岩对工程的危害实际上包含了膨胀和强度下降两个方面。

4）泥质膨胀岩隧洞的工程对策措施。

a．工程设计方面，主要采取加强衬砌结构和防渗措施。

b．钻爆法施工时，应尽量降低对围岩的爆破扰动、尽快封闭围岩，控制施工用水量、做好排水工作，避免工作段长期积水。

c．TBM施工时，尽量减少停顿，及时衬砌管片，做好回填豆砾石和回填灌浆工作，同时要严格控制施工用水，做好排水工作等。

d．施工地质人员，应注意隧洞岩性的变化，确定膨胀岩的起止桩号，选择相应的衬砌管片。

通过上述工作，钻爆法和TBM施工均能够比较顺利地通过膨胀岩分布区。

我国膨胀岩隧洞较多。大坂隧洞的侏罗系，弱～中膨胀岩约占37%，由于地下水和施工用水的浸泡，使膨胀岩的软化、膨胀作用得到充分发挥，围岩变形塌方，给施工带来很大的困难。甘肃引洮隧洞的第三系黏土岩，遇水后强烈软化膨胀，使TBM衬砌管片遭到破坏。宁夏固原输水隧洞，有较多的白垩系（K1）泥质岩和下第三系（E）黏土岩。为此进行了软岩专题研究，主要包括：岩石物理力学常规试验、膨胀性矿物含量、膨胀性试验、设计施工对策措施研究等。

2.3.2 变质岩

我国变质岩隧洞较多，一般按变质岩组划分地层。

（1）大伙房输水隧洞、引滦入津隧洞、引黄工程北干线1号隧洞等分布有较长的太古界或元古界的片麻岩、混合花岗岩等。其岩体为块状或片麻状，岩石强度高、微风化～新鲜岩体透水性弱，围岩的稳定性较好，适合TBM施工。

（2）陕西省引汉济渭隧洞的变质砂岩，工程地质性质较好，隧洞轴线与岩层走向交角大，围岩稳定性亦好。

（3）千枚岩、片岩、板岩等软岩，具有各向异性，其工程地质性质复杂，对隧洞稳定性影响大，应加强勘察研究。

例如，新疆和田河波波娜输水发电隧洞，长约15km，隧洞围岩为页岩，岩层走向近EW、倾向N、倾角60°～80°。施工支洞近SN向，与页理交角大，围岩稳定性好（弱风化和微风化围岩，没有喷锚支护，能长期稳定，相当Ⅱ类围岩）。主洞近EW向，与页理近于平行，围岩稳定性较差，多为Ⅲ～Ⅳ类围岩。在埋深大于600m洞段，围岩有变形（倾倒、溃屈）、塌方现象，为Ⅳ～Ⅴ类围岩。发电隧洞下平段，岩石微风化，由于位于地下水位以下，岩石具有软化现象，围岩稳定性最差，塌方高度2～5m，属Ⅳ～Ⅴ类围岩（初设为Ⅲ类）。

波波娜输水发电隧洞工程的实践说明，页岩的各向异性非常显著，围岩的稳定性与岩石结构构造、地下水、地应力、隧洞布置方向等均有密切的关系。在隧洞勘察时应提出岩石各向异性的地质参数指标和围岩类别。

又如，四川西溪河青松水电站引水隧洞，长约13.5km，隧洞埋深100～1740m。主要地层为震旦系、寒武系，软岩有绢云母千枚岩、泥质粉砂岩、黏土岩、炭质页岩等，特别是绢云母千枚岩褶曲发育，洞段长度约4km，埋深600m左右，隧洞轴线与岩层走向交角一般为60°。工程业主非常关心TBM施工的围岩大变形问题，为此进行了深钻孔勘探、地应力测试、物探测井、岩石试验（常规物理力学试验和三轴试验）等。勘察的主要结论是：由于实测509m深度最大水平主应力（σH）为10.95MPa，与千枚岩的强度基本相当，岩石强度应力比（S）为1左右，存在围岩大变形的可能，TBM施工风险大。

四川西溪河青松水电站引水隧洞勘察成果说明：对变质软岩需做细致的勘探试验及工程地质评价工作。对于深埋长隧洞设计与施工方案的选择具有重要意义。

（4）大理岩为区域变质岩，岩溶是隧洞重要的工程地质问题。

大伙房输水隧洞有8km的大理岩洞段，裂隙性岩溶和管道岩溶均有发育。勘察方法主要有：岩溶调查、钻探、物探（电法、地震法、钻孔CT等）。并预测了岩溶的主要发育部位和隧洞涌水量。在桩号14+026发生塌方、突水、突砂、淹洞后，进行了工程处理勘察、灌浆试验、参加工程处理方案研究工作等。在其余大理岩洞段施工中，加强了施工地质预报工作，采取的方法有：TSP203、超前钻孔、地质综合分析判断等。为隧洞采取全封闭灌浆处理措施，提供了可靠的依据，积累了宝贵的经验。

2.3.3 侵入岩体

我国侵入岩隧洞很多，多为坚硬岩，块状岩体。东部与西部的岩体工程地质性质有时具有较大差异。

西部地区的大型侵入体（花岗岩、闪长岩等）由于多期侵入和遭受多期构造运动的影响，岩性变化大、断裂构造发育、工程地质和水文地质条件复杂。因此，区域构造复杂地区大型侵入岩体的勘察应注意断裂、蚀变岩、放射性、大型脉体、矿体、高承压地下水等问题，并对不同的岩石进行矿物分析，提出石英或二氧化硅的含量等。

例如，中水北方勘测设计研究有限责任公司在天山打的两个深钻孔（600m和840m）时发现以下重要现象：①岩性变化大，计有花岗闪长岩、花岗岩、正长岩、斑岩等，岩石强度变化亦大；②均遇到断层、蚀变岩、高承压地下水、高碱性或高酸性水质等，说明该巨型花岗闪长岩体的完整性遭受一定程度的破坏；③地应力高，孔深500m左右的最大水平主应力已达30MPa以上的量级水平；④曾遭受热液交代、构造挤压、高碱性或高酸性的作用，产生的构造岩带和蚀变岩带强度低、且宽度大；⑤承压地下水水头高，高出钻孔孔口最大达63m。因此该花岗闪长岩体的工程地质条件较为复杂，隧洞工程将遇到许多不良工程地质问题。

而我国中、东部地区的大型侵入岩体，一般是岩性较单一、坚硬、完整、工程地质条件相对较好。

2.3.4 第三系

万家寨引黄工程隧洞、甘肃引洮隧洞等，分布较多的第三系地层。

第三系分为下第三系（E）和上第三系（N）。

下第三系（E）多为河湖相沉积，砂岩、泥岩为主，有的地区含有油气资源、煤、油母页岩等，多为软岩类，是我国重要的含有膨胀岩的地层。隧洞围岩类别以Ⅳ～Ⅴ类为主。

上第三系下组（N1）地层以粉、细砂岩（土），红、绿、紫、灰、黑色泥岩（土）为主，反映当时为干湿交替的气候环境。

上第三系上组（N2）地层以红色泥岩（土）为主夹少量砂岩（土）砾岩，反映当时的气候条件逐渐变为炎热干燥的环境。

上第三系总体特征是：①为岩与土过渡性地层；含水量的大小对岩（土）体的强度影响明显；含水量高时显现土的性质，含水量低时显现岩的一些性质；黏粒含量30%～60%的黏性土具有弱～中膨胀性；②受盐类（碳酸钙、硫酸钙等）胶结作用影响，胶结层的强度相对较高，但因胶结程度不一、强度变化大，隧洞围岩稳定性变化大；③含承压水的砂层和高含水量的黏性土（黏土岩）对隧洞工程危害大，常发生塌方、TBM受困等；④岩（土）体的地震纵波波速（Vp）一般为800～1200m/s，钻孔声波波速一般为1500～1800m/s，变形模量Ed为60～80MPa；隧洞围岩的普氏系数（f）一般为0.8～1.2。

上第三系隧洞围岩性质复杂，对TBM施工影响很大。在万家寨引黄工程勘察中，对上第三系进行了勘察研究。采用钻探、物探（电法、地震法、声波测井）、物性试验（颗粒分析、矿物分析、塑性指数、液性指数、天然含水量等）、力学试验（天然及不同含水量条件下的变形模量、抗剪强度、承载力、膨胀性等）；提出岩（土）体物理力学指标、隧洞围岩的普氏系数、隧洞主要工程地质问题、评价围岩的稳定性等。

施工中，TBM掘进困难，曾发生围岩塌方、泥裹刀、围岩大变形等，后续工程处理复杂，因此提出：总体上第三系地层不宜采用TBM施工；含水量高（W≥15%）的上第三系地层（如红土、黏土、砂层等）采用TBM施工风险性大，宜采用钻爆法施工。采用钻爆法施工时，需做好一期（喷锚或混凝土衬砌）支护及时封闭围岩，避免围岩的含水量发生大的变化造成塌方。

2.3.5 第四系

（1）在隧洞的进出口和穿过低洼沟谷、断陷盆地的部位常有第四系分布。因此需查明第四系的地质年代、成因类型、物质组成、结构类型、胶结特征、岩土分界面的分布及水文地质条件等。提出隧洞围岩的普氏系数、物理力学指标，评价洞口开挖边坡的稳定性等。

（2）隧洞穿过较大的沟谷时，应注意覆盖层厚度的勘察，分析出现基岩深槽的可能性。特别是TBM施工的隧洞，要采用多种手段勘察，尽量避免TBM隧洞出现松散覆盖层洞段，造成TBM施工困难。例如，某隧洞穿过35号沟时（沟宽约400m，隧洞埋深50～70m）遇到基岩深槽，含水砂砾石层的涌水突泥（砂砾石），使TBM被淹、被困。

（3）万家寨引黄工程黄土勘察主要经验。万家寨引黄工程位于晋西北黄土分布区，隧洞无法避开中、上更新统黄土地层。黄土洞总长约2200m，隧洞开挖直径5.40～6.10m，为此进行了黄土工程地质研究。其主要经验如下。

1）Q3黄土。①Q3黄土呈浅黄色，结构疏松，柱状节理较发育，成因类型有冲洪积、坡洪积、风积等。黄土的干密度和抗剪强度随埋深的增大有变大的趋势；湿陷性和压缩性，随埋深的增大有变小的趋势。②Q3黄土的湿陷系数及湿陷性等级与干密度、孔隙比有密切的关系（表2.3-2）。③Q3黄土的微观结构与湿陷等级的关系（表2.3-3）。④Q3黄土隧洞工程地质问题主要有：开挖围岩不稳定易塌方、湿陷变形、渗透稳定等。因此需要采取短开挖、强支护及防渗措施。⑤采用TBM施工，由于机械的振动与扰动使围岩塌方严重，管片衬砌不能有效地解决隧洞防渗问题，经过黄土隧洞灌浆试验证明，灌浆不能解决黄土湿陷变形问题。因此不适合采用TBM施工。

2）Q2黄土。中更新统（Q2）地层厚度20～40m，可分为上、下两段。上段（Q2-2）主要为浅棕红色～棕黄色的黄土状粉质黏土夹粉土，中部含有多层礓石结核层。下段（Q2-1）主要为砂砾石与粉质黏土互层，该段底部的砂砾石分布广泛。由于其下伏的上新统（N2）红土是区域相对隔水层，使砂砾石层常含有较丰富的地下水，并使Q2黄土含水量较高，呈可塑～软塑状，严重恶化了该土层的工程地质性质，隧洞围岩的普氏系数（f）为0.5～0.8，围岩稳定性极差。

万家寨引黄入晋工程Q2黄土隧洞总长1567m，其中常规钻爆法施工洞段长1267m，TBM法施工洞段长约300m。钻爆法施工时，采用短进尺、强支护、加强地面和洞内排水及衬砌紧跟的方法是可行的。若采用TBM法施工则需查明土层的地下水和土的含水量情况，在土层中无地下水，且土的含水量小于10%时方可考虑采用TBM施工。总体来讲，Q2黄土隧洞不适合TBM法施工。

3）在第四系分布区，需查明岩土、岩组、岩性的界线及地层的不整合面（带）的分布等。这些往往是工程地质特性发生重大变化的地方。

2.3.6 隧洞工程特殊性岩土

2.3.6.1 问题的提出

随着隧洞工程的实践，一些岩土由于具有特殊的物质组成、结构构造、独特的物理力学性质与水理性质，对隧洞围岩稳定性影响很大，需采取复杂的工程处理措施，是隧洞不良工程地质问题的重要内在原因；这些岩土称为隧洞工程特殊性岩土或地下工程特殊性岩土。他有别于《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）主要针对建筑物地基提出的特殊性岩土——湿陷性土、红黏土、软土、混合土、填土、多年冻土、膨胀岩土、岩渍土、风化岩和残积土、污染土等10种。

提出和研究隧洞特殊性岩土对正确认识隧洞地质灾害、确定合理的工程设计方案、适宜的施工方法、规避隧洞地质灾害等具有重要意义。

2.3.6.2 隧洞特殊性岩土种类

目前发现的隧洞特殊性岩土有：断层构造岩、膨胀岩、蚀变岩、上第三系红黏土及疏松砂岩、湿陷性黄土、高放射性岩等。

1．断层构造岩

断层构造岩的物质组成和结构构造复杂、强度低、具有复杂的物理力学性质与水理性质是其主要特征。断层构造岩造成隧洞围岩稳定性差、塌方、涌水等工程地质问题；特别是在大埋深的条件下，是产生隧洞大变形、大塌方的重要内在原因。因此，断层构造岩是特殊性岩，其工程地质特性与断层的规模、性质、活动性、胶结程度等多种因素有关。目前对断层构造岩的研究尚不够深入，仅以Ⅳ、Ⅴ类围岩表示是不够的，对断层构造岩进行深化研究是必要的。

2．膨胀岩

膨胀岩遇水膨胀、崩解、强度强烈下降、失水收缩，是其主要地质特性。膨胀岩的特殊性质对隧洞围岩稳定性影响很大，是产生隧洞不良工程地质问题的重要原因之一。万家寨引黄入晋工程勘察中进行了专题研究，较好地解决了膨胀岩对隧洞工程的危害。

3．蚀变岩

我国的隧洞工程，特别是西部地区，发现了许多类型的蚀变岩，主要有构造蚀变岩、侵入体热液交代蚀变岩、侵蚀性地下水或侵蚀性矿物产生的蚀变岩等。该类岩石结构松散、强度低、具有微膨胀性和很差的水理性质等，导致围岩稳定性差，易发生围岩变形与塌方，特别是在深埋隧洞中的蚀变岩是隧洞发生大变形、大塌方的重要原因。

例如，青海省引大济湟发电隧洞F3～F4区域大断裂带，宽度约110m，隧洞埋深690～830m，断裂带中的石英闪长岩和三叠系砾岩、砂岩等已蚀变岩化，含有高岭石、绿泥石等蚀变矿物，砾岩、砂岩揉皱发育，为构造蚀变岩。隧洞开挖后围岩变形速率快，失稳快，围岩出水后，出现涌砂现象，造成多次TBM受困。常规法施工时需采取超前支护、喷锚支护、钢支撑及锚索等措施，施工难度大，严重影响了施工工期。又如，新疆下坂地输水发电隧洞，在埋深约900m处出露一条宽约1.0m的闪长岩，产生构造蚀变岩带，该带与隧洞夹角小，一期支护较差，产生塌方高11m、方量约700m3的大塌方。因此，勘察研究蚀变岩的成因类型、物质组成、结构构造、物理力学性质与水理性质以及在高地应力条件下隧洞围岩的稳定性等具有重要的工程意义。

4．上第三系红黏土及疏松砂岩

上第三系为岩土过渡性地层，胶结差、强度低，含水量高时显示土的特性，干燥时显示一些岩石的特性为其主要特征。上第三系地层岩性复杂、性质多变，其中含水量高的红粘土及疏松砂岩是隧洞工程的特殊不良岩土层。在引大济湟输水隧洞和万家寨引黄入晋输水隧洞中均产生过大的塌方、TBM受困等。因此，对上第三系地层进行深入的工程地质研究是必要的。

5．湿陷性黄土

湿陷性黄土具有大孔隙结构、柱状节理、遇水崩解、湿陷为主要地质特性，输水隧洞开挖需采取强支护措施和严格的防渗措施为特点。因此湿陷性黄土为特殊性土。万家寨引黄入晋工程对黄土进行了工程地质研究，取得了丰富的成果与经验。

6．高放射性岩

放射性元素的成矿类型有侵入、蚀变、沉积等多种成因，可分布在岩浆岩、变质岩及沉积岩等多种岩石中。在隧洞的勘察设计阶段，需委托具有相应资质的单位进行放射性评价工作。

钻爆法施工隧洞，高放射性岩可以通过辐射、附着及吸入对人体造成危害。新疆阿拉山口输水隧洞工程中遇到高放射性岩，给工程带来很大的影响。因此，高放射性岩为特殊性岩。