蘭渝線桃樹坪隧道區(qū)域上第三系砂巖工程特性分析

甄秉國(guó)

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

1 工程概況

桃樹坪隧道是蘭渝鐵路第一座隧道，位于蘭州市東崗鎮(zhèn)桃樹坪村，隧道全長(zhǎng)3.20 km。隧道通過區(qū)為黃河高階地及黃土梁峁區(qū)，上部為第四系砂質(zhì)黃土及圓礫土，洞身為上第三系砂巖。

上第三系砂巖礦物成分以石英和長(zhǎng)石為主，粉細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，成巖性差、泥質(zhì)弱膠結(jié)。在無地下水地段，隧道圍巖整體穩(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，施工開挖后多呈飽和的粉細(xì)砂狀，穩(wěn)定性變差，施工難度極大。

2 上第三系砂巖地質(zhì)成因及分布

本套地層為隴東區(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＜296 m。上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，下伏基巖均為上第三系紅色砂巖或碎屑巖類，在地貌上多表現(xiàn)為黃土梁峁和河谷階地上覆風(fēng)積和沖洪積黃土，下伏上第三系泥巖、砂巖及礫巖。

3 砂巖工程特性研究

3.1 砂巖的物理特征

根據(jù)取樣的顆粒分析及顆粒級(jí)配圖(圖1)，桃樹坪隧道上第三系砂巖的顆粒組成以粉細(xì)粒為主，粒徑主要集中于0.075～0.250 mm，黏粒含量低，僅為0.5% ～2.0%。

桃樹坪在施工過程中通過取樣測(cè)得，上第三系砂巖的天然含水率為4% ～10%，天然密度為1.88～2.13 g/cm3，顆粒密度為2.60～2.65 g/cm3，相對(duì)密度為2.64～2.67，孔隙比為0.36～0.44，滲透系數(shù)為1.2×10－4～7.6 ×10－5cm/s。

圖1 砂巖試樣級(jí)配曲線

3.2 砂巖的強(qiáng)度特征

3.2.1 抗壓強(qiáng)度

桃樹坪隧道上第三系砂巖受沉積環(huán)境的影響，形成過程中多以泥質(zhì)弱膠結(jié)，且成巖性差，天然抗壓強(qiáng)度很低，一般＜1 MPa;遇水浸潤(rùn)或擾動(dòng)后極易軟化的特征明顯，其飽和抗壓強(qiáng)度無法通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得;局部夾有鈣質(zhì)膠結(jié)薄層或結(jié)核，天然抗壓強(qiáng)度平均為2.46～7.58 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度約為0.80～2.67 MPa。

3.2.2 抗剪強(qiáng)度

桃樹坪隧道砂巖直接剪切試驗(yàn)，砂巖黏聚力為14.20 ～27.00 kPa，平均為 20.4 kPa，內(nèi)摩擦角為 33°～41°，如圖2 和圖3。

圖2 1#抗剪強(qiáng)度曲線

圖3 4#抗剪強(qiáng)度曲線

3.3 砂巖含水率隨時(shí)間變化研究

考慮到含水砂巖開挖暴露時(shí)間與其圍巖穩(wěn)定性相關(guān)的特性，在隧道開挖過程中按照不同的施工方法和不同時(shí)間段采取了砂巖樣，進(jìn)行了砂巖含水率試驗(yàn)。

1)開挖前后均未降水。圖4曲線數(shù)據(jù)顯示，隧道掌子面開挖0～2 h內(nèi)含水率低，約4%左右;2 h后含水率開始快速上升，約3 h后含水率達(dá)到12%，砂巖開始發(fā)生塑性變形，圍巖基本穩(wěn)定;約5 h后含水率繼續(xù)上升，變形加劇，約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，圍巖失穩(wěn)，并呈現(xiàn)流變狀態(tài)。

圖4 1#斜井X0+45砂巖含水率變化曲線

2)先開挖后降水。圖5為2#斜井X0+020砂巖含水率變化曲線圖，可以看出，在0～2 h內(nèi)，砂巖含水率的增長(zhǎng)速度比較緩慢;2 h掌子面開始有水流滲，含水率迅速增長(zhǎng);在4～5 h后，砂巖局部發(fā)生塑性變形，臺(tái)階開始失穩(wěn)，隨著時(shí)間的推移，砂巖含水率不斷上升。約6 h后含水率達(dá)到19%，基本達(dá)到飽和狀態(tài)，開始流變。隨著降水工作的開展，砂巖的含水率會(huì)逐漸下降，約降水24 h時(shí)后含水率達(dá)到10%左右，圍巖基本穩(wěn)定。

圖5 2#斜井X0+020砂巖含水率變化曲線

3)開挖前持續(xù)超前降水。圖6為4#斜井DK5+880砂巖含水率變化曲線，可以看出，隧道開挖過程中，分層超前降水，掌子面下斷面中部砂巖含水率與時(shí)間的關(guān)系。分析可知，砂巖含水率保持在6% ～7%之間，且變化幅度不大，圍巖基本穩(wěn)定，說明持續(xù)降水，可保持圍巖穩(wěn)定。

3.4 上第三系砂巖工程特性

1)上第三系砂巖原始狀態(tài)下具有密實(shí)度高、不擾動(dòng)狀態(tài)下承載力和變形模量比較高的特性。但第三系砂巖為泥質(zhì)弱膠結(jié)，成巖作用差，由于黏粒含量少，結(jié)構(gòu)脆弱，極易破壞，穩(wěn)定性差，工程性質(zhì)極差?？梢姡苯永蒙系谌瞪皫r，不僅在工程技術(shù)上要求較高，而且工程造價(jià)也會(huì)大幅提高，因此對(duì)此類砂巖特性的認(rèn)識(shí)，直接關(guān)系到工程的投資和安全。

圖6 4#斜井 DK5+880砂巖含水率變化曲線

2)上第三系砂巖的成分組成、膠結(jié)及含水情況具有不均一性，受水浸泡及外部條件的影響，圍巖穩(wěn)定性隨時(shí)間滯后且顯著變差，受水的影響之大，極其罕見。上第三系砂巖是一種特殊工程性質(zhì)的巖層，現(xiàn)有的勘察手段(鉆探、物探、測(cè)試)難以查明其在水的作用下開挖后工程性質(zhì)迅速惡化的特性。因此，對(duì)其異常復(fù)雜的巖性特征和水穩(wěn)特性的認(rèn)識(shí)還需在工程建設(shè)中進(jìn)一步研究。

3)通過試驗(yàn)分析，上第三系砂巖主要由粉細(xì)砂粒及少量黏粒組成，膠結(jié)程度差，工程性質(zhì)較差。在含水率低的情況下，砂巖的顆粒受力平衡，處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)含水率逐漸升高時(shí)，砂巖結(jié)構(gòu)極易發(fā)生破壞，易發(fā)生塑性變形或流變，圍巖穩(wěn)定性迅速變差，具有十分復(fù)雜的水穩(wěn)特性，穩(wěn)定性隨含水率變化和時(shí)間延續(xù)具有顯著變化的特點(diǎn)。經(jīng)分析研究，3～5 h為圍巖開始塑性變形的臨界時(shí)間點(diǎn)，7～10 h為圍巖開始流變的臨界時(shí)間點(diǎn);砂巖發(fā)生塑性變形的含水率為12% ～16%，發(fā)生流變的含水率為18% ～19%;當(dāng)砂巖含水率達(dá)到上述極限時(shí)，其穩(wěn)定性大大降低，圍巖將發(fā)生變形，并導(dǎo)致失穩(wěn);超前降水能夠控制圍巖含水率在5%～9%，低于圍巖塑性變形的含水率，圍巖基本穩(wěn)定。表明通過超前降水控制圍巖的含水率保持圍巖的穩(wěn)定性具有良好的效果。

4 結(jié)論

1)上第三系砂巖具有異常復(fù)雜的工程特性，地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響非常大，在鐵路建設(shè)中尚未曾遇到過類似的大型地下洞室工程實(shí)例，是一個(gè)世界性施工技術(shù)難題。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析以及施工實(shí)踐證明，超前降水能控制圍巖含水率低于砂巖塑性變形含水率，保持圍巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。因此，超前降水是有效解決上第三系含水砂巖穩(wěn)定性的首要措施。

2)上第三系砂巖厚度較大，巖性較均，施工中應(yīng)盡量堅(jiān)持“早、快、少”的原則?！霸纭睘樵缃邓?、超前降水，控制圍巖含水率低于砂巖塑性變形含水率，保持圍巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài);“快”為快開挖、快支護(hù)，及時(shí)封閉圍巖;“少”為少擾動(dòng)。

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