北環(huán)隧道第三系砂巖復雜水穩(wěn)特性研究

朱容辰(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安　710043)Study on Complex Water Stability of Third Series Sandstone of Beihuan TunnelZHU Rongchen

北環(huán)隧道第三系砂巖復雜水穩(wěn)特性研究

朱容辰(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)Study on Complex Water Stability of Third Series Sandstone of Beihuan TunnelZHU Rongchen

摘要蘭州地區(qū)分布的第三系含水砂巖具有異常復雜的工程特性，北環(huán)隧道洞身將穿越該套地層。介紹北環(huán)隧道的地層巖性、地質構造、水文地質特征、巖體物理力學參數，并取巖樣做水穩(wěn)特性試驗。在綜合參考各試驗數據的情況下，分析控制隧道地質條件的工程地質問題，總結了北環(huán)隧道第三系砂巖的水穩(wěn)特征。

關鍵詞北環(huán)隧道第三系砂巖水穩(wěn)特性失穩(wěn)機理

北環(huán)隧道位于蘭州市安寧區(qū)沙井驛鎮(zhèn)及皋蘭縣九合鎮(zhèn)。隧道起止里程HK0+690～HK9+225，隧道長8 535 m，為雙線隧道，隧道洞身最大埋深220 m。地貌上屬低中山區(qū)，地面高程一般1 598～1 860 m，地形起伏較大，自然坡度約20°～45°，地表溝壑縱橫，溝谷多呈“V”字形。山頂平緩處及緩坡多為第四系上更新統(tǒng)風積黃土覆蓋，多基巖裸露，植被稀疏。第三系泥巖夾砂巖段坡面較陡，山頂渾圓；砂巖段地貌隨著巖體工程性質的變化，由陡崖逐漸過渡為渾圓的山丘(見圖1)。

1地層巖性

根據區(qū)域地質資料[1-3]，隧道洞身通過的地層主要為第三系中新統(tǒng)泥巖夾砂巖、砂巖。本套地層屬于上第三系中新統(tǒng)咸水河組，從時代成因及巖性特征可分為上、中、下三段[4]。上段(HK0+690～HK1+050)主要以泥巖為主，泥巖占本段地層厚度的80%左右，上段地層的下部為一層厚約5～8 m的青灰色砂巖，砂巖結構較疏松。中段(HK1+050～HK4+950)為泥巖夾砂巖，泥巖約占本套地層的60%左右，多為互層狀的泥巖、砂巖；本段地層底部為一層細礫巖，膠結較好，較堅硬。下段(HK4+950～HK9+225)為砂巖，本套地層的上部偶夾有0.5～2 m厚的泥巖，巖體為泥質膠結，極少部分為鈣質膠結，下部以純砂巖為主，膠結較差，遇水結構易破壞，工程地質性質差。

2地質構造

該隧道在構造上位于祁連褶皺系的中祁連隆起帶，處于北北西、北西西、北東—北東東構造交匯部位。隧道通過區(qū)的構造主要為李麻砂溝向斜，位于沙井驛與哈家嘴之間，軸向北北西，長約25 km，寬約10 km，向北開闊。兩翼傾角較緩，一般為15°～35°。隧道通過區(qū)位于李麻砂溝向斜構造的西翼，為單斜地層，巖層產狀傾向東，地質構造相對簡單。

3水文地質特征

3.1　地表水和地下水類型

隧道區(qū)地表水較發(fā)育，除進口小溝谷無地表水外，較大的李麻沙溝、拐子溝、八面溝、老羊溝及出口的大拉拉溝均有多處水塘和少量地表水流，地下水類型可分為黃土孔隙裂隙水和基巖裂隙水。

(1)黃土孔隙裂隙水

黃土孔隙裂隙水主要賦存于上更新統(tǒng)砂質黃土中，主要分布于山間洼地，結構疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，有利于大氣降水的入滲。黃土潛水多不連續(xù)分布，沒有統(tǒng)一的潛水面，且季節(jié)性變化大，第四系孔隙潛水水位埋藏變化大，富水性較差。

(2)基巖孔(裂)隙水

該隧道洞身通過區(qū)地下水主要為基巖孔(裂)隙水，賦存于砂巖、泥巖夾砂巖地層中。泥巖結構致密，產狀較平緩，節(jié)理裂隙不發(fā)育，滲透性差，不利于地下水的儲存和運移，僅在局部孔隙發(fā)育地段含少量地下水；砂巖中孔(裂)隙水由于成巖程度或風化帶厚度不一，節(jié)理裂隙發(fā)育程度等因素，變幅較大。本段地下水為孔(裂)隙潛水，埋深一般為42～86 m，溝谷區(qū)埋深較淺，一般在5～14 m，季節(jié)性變化較明顯。地下水的富集受地層巖性、地貌形態(tài)影響較為明顯，巖性含泥質多，膠結性好，地下水貧乏，反之地下水富集；受巖性及補給條件限制，該地區(qū)水量一般不大，但溝谷區(qū)地下水相對富集。

隧道區(qū)地下水主要接受大氣降水補給，地下水從山頂向溝谷自高向低徑流匯集，多在深切溝谷處以泉、面狀滲水或蒸發(fā)的形式排泄。

3.2　地下水特征

為查明第三系砂巖的含水特性，隧道區(qū)共布鉆孔11個。11個鉆孔中除DXSZ-7未揭露到地下水外，其余鉆孔均揭露到地下水，并對有水鉆孔進行了提水試驗。由于鉆孔中的地下水水量小，只能選擇其中水量相對較大的4個鉆孔進行水文地質計算(見表1)。

試驗成果數據及這4個鉆孔所處的地貌位置說明第三系砂巖具有弱富水性。在沖溝、地貌低洼帶，地表有灌溉農田下部的第三系砂巖富水性相對其它地段要好。

3.3　水文地質評價

第三系砂巖成巖程度較差，遇地下水易軟化或崩解。以下對隧道洞身通過砂巖中地下水對隧道施工的影響進行評價。

(1)HK4+950～HK7+295段：洞身通過巖性為砂巖，局部夾泥巖，膠結較好(多為泥、鈣質膠結)，黏粒含量較高，滲透系數相對較小，砂巖中的地下水主要以砂巖裂隙、層間水為主。本段施做4個鉆孔，水位埋深一般在40～86 m，從水位分布高程分析，地下水分布具有不均一性。在同一溝槽，地下水的分布、埋藏也存在明顯差異，其補給來源主要為大氣降水，大氣降水通過節(jié)理裂隙、地表匯水條件較好的溝谷下滲。由于該段砂巖中的地下水的富集受節(jié)理裂隙的控制，故地下水對砂巖工程性質的影響在節(jié)理較發(fā)育段或地表匯水條件較好的溝谷淺埋段較為明顯。

(2)HK7+295～HK7+600段：該段位于沖溝淺埋段，巖性為砂巖，局部夾泥，膠結差，黏粒含量低，滲透系數相對較大。砂巖中的地下水主要以砂巖孔(裂)隙水為主，水位埋深一般在4～14 m，其補給來源主要為大氣降水和溝谷中第四系孔隙水雙重補給。大氣降水、第四系孔隙水通過砂巖節(jié)理裂隙下滲，在風化帶和節(jié)理帶中富集，對砂巖工程性質有很大影響。

(3)HK7+600～HK8+640段：洞身通過巖性為砂巖，泥質弱膠結，黏粒含量較低，滲透系數一般。砂巖中的地下水主要以砂巖裂隙水為主，水位埋深在34 m左右，其補給來源主要為大氣降水。該段地形陡峻，不利與大氣降水通過節(jié)理裂隙下滲補給地下水。地表灌溉農田的灌溉水也對其下部第三系砂巖中的地下水有一定補給。該段砂巖中地下水的富集受節(jié)理裂隙控制，地下水對砂巖工程性質的影響主要在節(jié)理密集帶段、地表人工灌溉用水活動區(qū)。

(4)HK8+640～HK9+225段：洞身通過巖性為砂巖，泥質弱膠結，黏粒含量低，滲透系數相對高。砂巖中的地下水主要以砂巖裂隙水為主，水位埋深一般在42.9～50.3 m，其補給來源主要為大氣降水。該段地下水水位位于隧道洞身以下，但季節(jié)性水位波動可能對砂巖工程性質產生影響。

4物理力學特征

勘察階段，通過鉆探取樣試驗，對北環(huán)隧道HK4+976～HK9+225段第三系砂巖的物理力學參數進行了試驗[5-6]。

4.1　密度

HK4+950～HK7+400段砂巖：天然密度為2.25～2.54 g/cm3，平均為2.25 g/cm3；顆粒密度為2.61～2.69 g/cm3，平均為2.64 g/cm3；HK7+400～HK9+225段砂巖：天然密度為1.86～2.34 g/cm3，平均為2.18 g/cm3；顆粒密度為2.60～2.64 g/cm3，平均為2.61 g/cm3。

4.2　含水率

HK4+950～HK7+400段砂巖：含水率(地下水位以下)為5.1%～6.2%之間，平均為5.4%，數值穩(wěn)定。HK7+400～HK9+225段砂巖：含水率為為5.6%～15.2%，平均為11.2%。HK4+950～HK7+400段砂巖：含水率低于HK7+400～HK9+225段。

4.3　黏粒含量

HK4+950～HK7+400段砂巖：黏粒含量為1.3%～1.7%，平均為1.5%。HK7+400～HK9+225段砂巖：黏粒含量為1.0%～1.7%，平均為1.5%。兩個段落砂巖黏粒含量基本一致。

4.4　滲透系數

HK4+950～HK7+400段砂巖：滲透系數為1.01×10-4～6.49×10-3cm/s。平均為2.01×10-3cm/s，HK7+400～HK9+225段砂巖：滲透系數為3.72×10-4～6.64×10-3cm/s，平均為1.74×10-3cm/s，兩個段落砂巖滲透系數均較低。

4.5　耐崩解系數

HK4+950～HK7+400段砂巖耐崩解指數為5.7%～49.4%，平均為30.1%；HK7+400～HK9+225砂巖耐崩解指數為3.6%～40%，平均為12.4%。HK4+950～HK7+400段砂巖耐崩解指數高于HK7+400～HK9+225段。

4.6　主要力學性質

HK4+950～HK7+400段砂巖抗壓強度為1.11～7.44 MPa，平均為4.15 MPa；HK7+400～HK9+225砂巖抗壓強度為0.15～2.2 MPa，平均為0.66 MPa。HK4+950～HK7+400段砂巖抗壓強度高于HK7+400～HK9+225段。

4.7　水穩(wěn)特性試驗

為了解北環(huán)隧道砂巖的水穩(wěn)特性，選取不同鉆孔洞身附近的巖芯做簡易浸水試驗，試驗結果見表2。

5控制隧道地質條件的工程地質問題

影響隧道圍巖穩(wěn)定性的地質元素主要有巖石性質、地下水、巖體結構特征及巖體中初始應力特征等[7-9]。

5.1　巖性

隧道穿越的第三系砂巖，具結構疏松、膠結差、強度低、黏粒含量低的特點，當隧道洞身位于地下水位以下時，圍巖的工程性質急劇惡化，易發(fā)生涌水、涌砂，導致施工困難等地質問題。

5.2　地下水

地下水對第三系砂巖的穩(wěn)定性起控制性作用。當第三系砂巖含水量低且位于地下水位以下時，工程地質條件一般；當砂巖含水量高且位于地下水位以上時，工程地質性質急劇惡化。

隧道穿越的第三系咸水河組下段的砂巖，與蘭渝鐵路桃樹坪及胡麻嶺隧道穿越的第三系砂巖屬同一套地層。桃樹坪、胡麻嶺隧道在穿越第三系砂巖時，由于其水穩(wěn)性差[10]，施工極為困難。

6結論

(1)該套第三系砂巖主要由粉細砂粒及中粒組成，局部夾有泥巖，黏粒含量較高，膠結較好，工程性質較好；純砂巖處的黏粒含量低，膠結程度差，工程性質較差[10]。由簡易浸水試驗可知，部分鉆孔砂巖試樣浸水后，表層迅速解體、開裂，周圍沉淀細砂，30 min時完全崩解，與桃樹坪隧道同一套砂巖的變形非常相似，均表現為含水率升高時，砂巖易發(fā)生塑性變形或流變。含水率達到極限時，其穩(wěn)定性降低，圍巖將發(fā)生變形、失穩(wěn)；當低于圍巖塑性變形的含水率時，圍巖基本穩(wěn)定，表明含水率的高低對圍巖穩(wěn)定性有顯著影響。

(2)該套砂巖的成分組成、膠結、含水率、滲透系數及耐崩解指數均呈各向異性狀態(tài)，具有不均一性，不同深度內，巖芯軟硬程度、膠結程度、完整程度均不一致。受水浸泡及外部條件的影響，圍巖穩(wěn)定性有較大差異，不確定性較強。

(3)黏粒含量較高的砂巖膠結程度較好，滲透系數相對較低，抗壓強度相對較高，抗水浸泡性較好，穩(wěn)定性相對較好。

(4)不同區(qū)域的第三系砂巖性質稍有不同，其物質組成、膠結程度、水穩(wěn)特性均有區(qū)別；同一區(qū)域的砂巖其物質組成、膠結程度、水穩(wěn)特性亦有區(qū)別，差異比較大。北環(huán)隧道穿越的砂巖可分為上部(HK4+950～HK7+450)、下部(HK7+400～HK9+255)，其工程性質有所差異。上部砂巖具有膠結較好，夾少量泥巖，巖石強度較高，遇水不易軟化、砂化的特點；下部砂巖膠結差，黏粒含量低，巖石強度也低，遇水極易軟化、砂化。總體上是上部好于下部，軟硬交互分布。

(5)隧道穿越第三系砂巖時施工風險較大，當線路以隧道形式穿越時，軌面高程應盡量位于地下水位以上，且選擇砂巖含水率低的段落通過。為降低風險，隧道通過段落越短越好[11]。

參考文獻

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[10]鐵道第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999

[11]何振寧.區(qū)域工程地質與鐵路選線[M].北京：中國鐵道出版社，2004

中圖分類號：P642

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)06-0041-03

作者簡介：朱容辰(1983—)，男，2009年畢業(yè)于成都理工大學地質工程專業(yè)，工學碩士，工程師。

收稿日期：2015-10-12