甘肅地區(qū)隧道工程第三系砂巖水穩(wěn)特性淺析

權(quán)董杰

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司，陜西西安　710043)

第三系咸水河組下段砂巖成巖性差、泥質(zhì)弱膠結(jié)。隧道工程穿過(guò)該段地層時(shí)，在無(wú)地下水地段，圍巖整體穩(wěn)定性較好；在含地下水地段，砂巖遇水后結(jié)構(gòu)迅速破壞，穩(wěn)定性變差，易產(chǎn)生變形，施工開(kāi)挖后多呈粉細(xì)砂狀；地下水富集段圍巖穩(wěn)定性差，收斂變形較大，施工難度大。新建蘭渝鐵路桃樹(shù)坪隧道及胡麻嶺隧道均通過(guò)該地層，目前處于施工階段，開(kāi)挖極為困難，導(dǎo)致工期拖延。新建蘭州至中川機(jī)場(chǎng)鐵路蘭州北至周家莊貨車(chē)直徑線(xiàn)北環(huán)隧道亦通過(guò)該地層，尚未施工。該砂巖地層的水穩(wěn)特性對(duì)于線(xiàn)路工程影響較大。

1　第三系砂巖概況

1.1　形成背景及分布

根據(jù)甘肅省區(qū)域地質(zhì)志，上第三系地層劃分為隴東區(qū)、隴西盆地的甘肅群，為一套桔黃色、淺棕黃色泥質(zhì)砂巖，泥巖互層，屬陸相湖盆及山間凹地沉積，厚度小于296 m，沉積地質(zhì)時(shí)代距今約2 400～250萬(wàn)年；下第三系地層劃分為隴東區(qū)、隴西盆地東部的固原群，為一套紫紅色及淺棕紅色砂巖、泥巖、礫巖互層，厚度10～300 m不等，屬陸相湖盆及山間凹地型沉積，沉積地質(zhì)時(shí)代距今約6 500～2 400萬(wàn)年。

第三系砂巖在蘭州盆地和定西盆地分布范圍較廣，沉積厚度較大。蘭州除新城盆地(河口、新城一帶)基底為白堊系地層外，榆中(定遠(yuǎn))、城關(guān)、七里河、安寧堡及西固盆地，下伏基巖均為第三系紅色砂巖或碎屑巖類(lèi)，在地貌上多表現(xiàn)為黃土梁、峁，以及河谷階地上覆風(fēng)積和沖、洪積黃土。

1.2　工程地質(zhì)特征

第三系砂巖顆粒組成以粉細(xì)粒及中粒為主，顆粒較均一，泥質(zhì)或泥鈣質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較均勻，成巖性較差，屬軟質(zhì)巖石。礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，天然抗壓強(qiáng)度低，遇水浸潤(rùn)或擾動(dòng)后極易軟化，砂巖的黏粒含量對(duì)砂巖顆粒密度、耐崩解性、抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度等工程性質(zhì)均有較大影響。該地層巖性較為單一，屬新生代沉積，天然狀態(tài)下，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較小，節(jié)理、裂隙不甚發(fā)育，地下水為以孔隙水為主的孔隙裂隙水。

2　工程實(shí)例水穩(wěn)特性

2.1　工程概況

桃樹(shù)坪隧道和胡麻嶺隧道位于新建蘭州至重慶鐵路(蘭渝線(xiàn))，桃樹(shù)坪隧道長(zhǎng)3 225 m，DK3+430～DK6+655為第三系砂巖段落；胡麻嶺隧道長(zhǎng)13 611 m，DK76+350～DK79+600段為第三系砂巖段落。其中，桃樹(shù)坪隧道穿行于黃河高階地下部，地形起伏較大，高程一般為1 660～1 770。黃河高階地頂部較平坦，伴有切割溝谷，進(jìn)出口及溝谷地段出露圓礫土，其余地段大都黃土覆蓋。胡麻嶺隧道地處黃土梁峁區(qū)，地形起伏較大，地面高程約為2 105～2 430 m，沖溝發(fā)育，下切較深，沖溝溝壁陡峭，垂直山脊多呈樹(shù)杈狀分布，黃土覆蓋層較厚。

北環(huán)隧道位于蘭州北至周家莊貨車(chē)直徑線(xiàn)，長(zhǎng)4 275 m，里程HK4+950～HK9+225，屬低中山區(qū)，地面高程為1 598～1 860 m，地形起伏較大，溝壑縱橫，自然坡度約20°～45°，溝谷多呈“V”字形，山頂平緩處及緩坡處多為風(fēng)積黃土覆蓋，植被稀疏。北環(huán)隧道與桃樹(shù)坪隧道、胡麻嶺隧道分屬不同地貌類(lèi)型(見(jiàn)表1)。

表1　地形地貌對(duì)照

2.2　物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)綜合勘探、隧洞施工及取樣試驗(yàn)，對(duì)第三系砂巖的含水量、黏粒含量、滲透系數(shù)、浸水特性、抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)。通過(guò)物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表2)，三條隧道洞身通過(guò)的第三系砂巖物理力學(xué)性質(zhì)基本一致，主要為泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較差。其中，北環(huán)隧道HK4+960～HK7+400段砂巖局部為鈣質(zhì)膠結(jié)，黏粒含量略高，天然密度及抗壓強(qiáng)度較大。

表2　北環(huán)隧道、桃樹(shù)坪隧道、胡麻嶺隧道物理力學(xué)對(duì)比

2.3　水穩(wěn)特征

(1)桃樹(shù)坪、胡麻嶺隧道

桃樹(shù)坪隧道和胡麻嶺隧道現(xiàn)場(chǎng)施工揭示，第三系砂巖成巖性差，泥質(zhì)弱膠結(jié)，遇水浸潤(rùn)(泡)或長(zhǎng)時(shí)間暴露極易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，砂巖含水率較低或無(wú)滲水時(shí)，圍巖穩(wěn)定性較好；當(dāng)含水率過(guò)高以致有滲水時(shí)，在水的作用下，加之施工擾動(dòng)，其工程性質(zhì)迅速惡化，開(kāi)挖后圍巖迅速變差，多呈粉細(xì)砂狀，拱部及邊墻變形，坍塌嚴(yán)重，穩(wěn)定性極差，出現(xiàn)不同程度的涌砂、涌水，施工難度大。

圖1　桃樹(shù)坪隧道某斷面含水率變化曲線(xiàn)

圖1為桃樹(shù)坪隧道某處開(kāi)挖過(guò)程中砂巖含水率變化曲線(xiàn)。隧洞開(kāi)挖過(guò)程中砂巖含水率變化較大，0～2 h內(nèi)含水率低，約4%左右；2 h后含水率開(kāi)始快速上升，約3 h后含水率達(dá)到12%，砂巖開(kāi)始發(fā)生塑性變形，圍巖基本穩(wěn)定；5 h后含水率繼續(xù)上升，變形加劇，10 h后含水率約為18%，砂巖穩(wěn)定性大大降低，工程性質(zhì)迅速惡化，發(fā)生流變。

圖2為胡麻嶺隧道某處開(kāi)挖過(guò)程中砂巖含水率變化曲線(xiàn)圖。此段砂巖開(kāi)挖過(guò)程開(kāi)挖0～4 h內(nèi)含水率較低，約4%～6%左右；4 h后含水率開(kāi)始快速上升，在開(kāi)挖后6 h含水率達(dá)到14%，砂巖開(kāi)始發(fā)生塑性變形，砂巖的穩(wěn)定性較好。8 h后含水率繼續(xù)上升，在11 h后局部砂巖飽和，開(kāi)始發(fā)生流變，圍巖的穩(wěn)定性大大降低，工程性質(zhì)迅速惡化。

圖2　胡麻嶺隧道某斷面含水率變化曲線(xiàn)

(2)北環(huán)隧道

勘探過(guò)程中，沿隧洞線(xiàn)路方向取7個(gè)鉆孔中洞身位置巖芯進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)(見(jiàn)表3)。通過(guò)浸水試驗(yàn)可見(jiàn)，除個(gè)別鉆孔巖芯浸水后無(wú)較大變化外，其余試樣砂巖遇水崩解，速度較快，30 min后結(jié)構(gòu)均被破壞，手搓呈砂狀，或直接解體為散砂狀。經(jīng)觀(guān)察，浸水無(wú)變化試樣中，砂巖主要為鈣質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)度較高，浸水后不易崩解，在地層中主要以薄層狀、透鏡體狀或結(jié)核狀發(fā)育，分布無(wú)規(guī)律性。

通過(guò)浸水試驗(yàn)，結(jié)合隧洞區(qū)砂巖物理力學(xué)性質(zhì)，北環(huán)隧道HK4+960～HK7+400段砂巖工程性質(zhì)整體相對(duì)較好，強(qiáng)度較高，含水率較低，局部工程性質(zhì)差，如DXSZ-1鉆孔75 m試樣，DH1Z-21鉆孔60 m試樣在靜水環(huán)境中，結(jié)構(gòu)破壞。HK7+400～HK9+255段砂巖工程性質(zhì)差，強(qiáng)度低，含水率高，遇水易砂化，局部可能出現(xiàn)工程性質(zhì)較好段落，如DXSZ-4鉆孔45～65 m巖芯浸水無(wú)明顯變化。

表3　北環(huán)隧道第三系砂巖巖芯浸水試驗(yàn)

2.4　水文地質(zhì)特征

北環(huán)隧道、桃樹(shù)坪隧道及胡麻嶺隧道洞身通過(guò)的砂巖，含水率較低或無(wú)水浸潤(rùn)時(shí)，圍巖穩(wěn)定；遇水后，穩(wěn)定性迅速變差，軟化呈砂狀。因此，隧道洞身區(qū)水文地質(zhì)條件，決定該套砂巖的穩(wěn)定性。

桃樹(shù)坪隧道洞身主要穿越粗、細(xì)圓礫(局部有膠結(jié))下部的第三系粉細(xì)砂巖，地下水主要為第三系砂巖中孔(裂)隙水，地下水有統(tǒng)一的地下水位，富水性好。桃樹(shù)坪隧道TTZ-2、TTZ-3鉆孔出水量分別為46.4 m3/d和5.6 m3/d。胡麻嶺隧道洞身主要穿越第四系砂質(zhì)黃土下部的第三系粉細(xì)砂巖，地下水主要為基巖孔(裂)隙水，地下水無(wú)統(tǒng)一的地下水位，但由于隧道洞身上部有常年流水溝奶長(zhǎng)溝的地表水下滲補(bǔ)給，砂巖富水性較好，如HMSZ-3鉆孔出水量為14.08 m3/d。北環(huán)隧道洞身穿過(guò)第四系砂質(zhì)黃土下部的第三系砂巖，地下水主要為基巖孔(裂)隙水，地下水無(wú)統(tǒng)一水位，埋深一般在42～86m，溝谷區(qū)埋深較淺，一般在5～14m左右，受大氣降水補(bǔ)給，季節(jié)性變化較明顯，砂巖富水性一般。經(jīng)鉆孔提水試驗(yàn)，北環(huán)隧道鉆孔水量約為0.2～3m3/d。

通過(guò)對(duì)比，胡麻嶺隧道與北環(huán)隧道水文地質(zhì)條件類(lèi)似，從鉆孔水量相比較桃樹(shù)坪最大，胡麻嶺次之，北環(huán)隧道最小，隧道洞身第三系砂巖水穩(wěn)特征也與此順序基本一致，且可預(yù)計(jì)北環(huán)隧道HK4+960～HK7+400段砂巖水穩(wěn)性強(qiáng)于HK7+400～HK9+255段。

3　結(jié)束語(yǔ)

(1)甘肅地區(qū)第三系砂巖分布廣泛，原始狀態(tài)下密實(shí)度、承載力和變形模量較高，但多為泥質(zhì)弱膠結(jié)，成巖作用差，由于黏粒含量少，具有結(jié)構(gòu)脆弱、強(qiáng)度低、復(fù)雜的水穩(wěn)特性，遇水工程性質(zhì)迅速惡化。

(2)該組砂巖遇水變差，對(duì)該地層的認(rèn)識(shí)，應(yīng)結(jié)合工程區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行區(qū)別對(duì)待。

(3)線(xiàn)路遇到該段砂巖時(shí)，條件允許下應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)繞避，若無(wú)法繞避時(shí)，應(yīng)與該地層大角度相交通過(guò)，隧道工程應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)抬坡，選擇從地下水位以上通過(guò)。

(4)隧道工程施工中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該組地層施工工法研究，同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)工作。

[1]地質(zhì)部甘肅地質(zhì)局.中華人民共和國(guó)區(qū)域地質(zhì)圖說(shuō)明書(shū)(1∶20 000蘭州幅)[R].甘肅：地質(zhì)部甘肅地質(zhì)局，1965：15-16

[2]TB10012—2001鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[3]GB50021—2001巖土工程勘察規(guī)范[S]

[4]鐵路第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1999：17-40

[5]《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007

[6]GB/T50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]

[7]TB10002—2005鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[8]何振寧.區(qū)域工程地質(zhì)與鐵路選線(xiàn)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2004