西寧至成都鐵路弱膠結(jié)地層結(jié)構(gòu)特征及水穩(wěn)性評價研究

趙 文

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

新建西寧至成都鐵路位于青海、甘肅、四川三省交界地帶。走行于青藏高原東部邊緣與黃土高原過渡地帶，整體呈南北走向，北起青海省東北部的西寧盆地，向南經(jīng)祁連山、穿秦嶺、跨若爾蓋草原、抵岷山山脈，于四川省松潘縣黃勝關(guān)站與成蘭鐵路接軌，項目新建長度509 km[1]。其中拉脊山越嶺段南、北麓廣泛分布第三系、白堊系地層[2]，其中第三系貴德組、白堊系民和組砂、礫巖鉆探揭示呈散沙狀、碎塊狀，且含穩(wěn)定的地下水位，局部具承壓性。其巖性具有結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)程度差、強度低、遇水軟化等特點，屬含水弱膠結(jié)地層[3]。

類比蘭渝鐵路施工階段第三系砂巖的工程地質(zhì)問題，即復雜的水文地質(zhì)條件，砂巖在水作用下穩(wěn)定性變差、變形大、開挖及支護難度大，涌水、涌砂，軟硬不均、降水及開挖困難，施工階段通過大量試驗對掌子面圍巖變形與含水率關(guān)系研究、控制含水率對圍巖穩(wěn)定性影響研究[4-10]才認識第三系砂巖水穩(wěn)性問題。本文在勘察階段通過地面調(diào)查、鉆探分析白堊系民和組、第三系貴德組地層結(jié)構(gòu)特征，通過室內(nèi)巖石試驗、顆粒分析試驗、黏土礦物含量試驗、現(xiàn)場浸水試驗，考慮賦水特征，對各套巖性進行工程水穩(wěn)性綜合評價研究。

2 巖體結(jié)構(gòu)特征

2.1 第三系貴德組巖體結(jié)構(gòu)特征

(1)泥巖：黃褐、棕黃、棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，成分主要以黏土礦物為主，巖芯呈短柱狀，節(jié)長10～20 cm，巖質(zhì)較軟，成巖作用差，錘擊易碎，遇水易崩解。

(2)砂巖：褐黃色，粉砂狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)孔隙不明顯、松散而均勻，黏粒依附在顆粒表面，盆地邊緣砂巖中多含有2～10 mm礫石，盆地中央砂質(zhì)較純，成巖作用差，巖芯呈散狀夾少量短柱狀，遇水成砂狀(圖1)。

(3)礫巖：黃褐、青灰色，礫狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)孔隙明顯、松散而不均勻，黏粒依附在礫石與礫石接觸點，泥砂質(zhì)膠結(jié)，礫石成分以石英巖、砂巖為主，分選一般，巖芯呈柱狀、短柱狀，成巖作用差，錘擊易碎(圖2)。

圖1 貴德組弱膠結(jié)砂巖

圖2 貴德組弱膠結(jié)礫巖

2.2 白堊系民和組巖體結(jié)構(gòu)特征

(1)砂巖：棕紅色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)孔隙明顯、松散而均勻，黏粒依附在顆粒表面，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，巖體呈碎塊狀為主，局部為散砂狀(圖3)，成巖較差，較破碎。

(2)礫巖：棕紅、青灰色，礫狀結(jié)構(gòu)，厚層-巨厚層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)孔隙不明顯、松散而不均勻，黏粒依附在礫石與礫石孔隙內(nèi)，礫石分選不好，巨礫和泥質(zhì)混雜，礫石成分復雜，以花崗巖、板巖、石英巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)，巖體呈柱狀為主(圖4)，局部為碎塊狀，較完整[11]。

圖3 民和組弱膠結(jié)砂巖

圖4 民和組弱膠結(jié)礫巖

3 巖體物理力學特征

取柱狀巖芯進行天然極限抗壓強度試驗，分析巖體堅硬程度，采用綜合測井進行縱波波速測試，分析巖體完整程度[12]，其試驗結(jié)果見表1。

表1 西寧至成都鐵路第三系、白堊系地層物理力學指標

第三系、白堊系屬弱膠結(jié)地層，天然抗壓強度大部分小于5 MPa，由于飽和抗壓強度需要巖樣在水中自由吸水48 h[13]，第三系、白堊系地層已崩解，其飽和抗壓強度均無法測得，屬極軟巖。其聲波波速均大于1.5 km/s，巖體相對較完整。

4 顆粒分析試驗

由于鉆孔揭示第三系、白堊系砂、礫巖呈散沙狀、碎塊狀，遇水極易崩解，磨片制樣困難。取弱膠結(jié)砂巖、礫巖進行顆粒分析試驗[14]，把粒徑小于0.005 mm定義為黏粒含量[15]。其試驗結(jié)果見表2。

表2 西寧至成都鐵路第三系、白堊系地層顆粒分析成果

對于拉脊山南北麓弱膠結(jié)地層而言，其物理與力學特性主要受巖體內(nèi)部黏粒含量的影響。一般情況下，黏粒含量越高，巖石膠結(jié)程度越高。第三系貴德組、白堊系民和組砂、礫巖黏粒含量為0～6%，處于弱膠結(jié)狀態(tài)。

5 黏土礦物含量試驗

黏土礦物主要包括蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石及混層結(jié)構(gòu)等，而黏土礦物晶體結(jié)構(gòu)的差異使巖體表現(xiàn)出不同的力學特性。黏土礦物的成分及含量不同，引起巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、物理力學性質(zhì)、水理性質(zhì)也不相同。吸水后使得巖石內(nèi)產(chǎn)生不均勻應力，同時部分黏土礦物的膠結(jié)物被稀釋、軟化或溶解，于是導致巖石發(fā)生泥化、軟化、膨脹和崩解等一系列物理現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象整體表現(xiàn)出巖石的水穩(wěn)性。本次試驗采用X射線衍射分析[16]，其測試結(jié)果詳見表3。

表3 第三系、白堊系地層黏土礦物比例含量、種類

第三系貴德組弱膠結(jié)巖地層黏土礦物成分以伊/蒙混層為主，其次為蒙脫石、伊利石、含少量高嶺石、綠泥石，伊/蒙混層占43%～63%，蒙脫石占4%～24%。

白堊系民和組弱膠結(jié)巖地層黏土礦物成分以伊/蒙混層為主，其次為伊利石、蒙脫石、高嶺石，含少量綠泥石，伊/蒙混層占50%～68%，蒙脫石占13%。

第三系、白堊系弱膠結(jié)砂、礫巖因其內(nèi)部黏土礦物含量較高及孔隙度較高，結(jié)構(gòu)壓實性差等特點，水分子易進入黏土礦物晶胞層間及碎屑顆粒之間，黏土礦物遇水極易與水發(fā)生作用，形成層間膨脹和粒間膨脹，導致弱膠結(jié)巖石結(jié)構(gòu)性損傷。

6 賦水性特征

第三系貴德組地層位于化隆盆地，盆地邊緣以礫巖、泥巖為主，盆地中心以泥巖、砂巖為主，盆地邊緣地下水主要靠上部含水層的垂向補給及拉脊山基巖裂隙水的側(cè)向補給，該段地層多為含地下水，屬含水地層。盆地中心地層具備地下水的賦存條件，但由于泥巖的阻隔，地下水的徑流條件較弱，局部可能賦存地下水。

白堊系民和組地層位于西寧盆地，上部為砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖，中部以粉砂質(zhì)泥巖，底部為砂巖夾礫巖為主，該段以砂、礫巖為主，地表基巖裸露，地下水可以接受降水、溝水的垂向入滲補給及拉脊山山區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向補給。根據(jù)現(xiàn)有的鉆探資料顯示，多揭示有裂隙孔隙地下水，且于盆地中心揭示有承壓水，承壓水溢流出地表，且流量穩(wěn)定，屬含水地層[17]。

7 現(xiàn)場浸水試驗

為查明第三系、白堊系地層工程水穩(wěn)特性，取鉆孔洞身附近巖芯進行現(xiàn)場浸水試驗[18-20]，觀察不同時間點下巖體浸水過程的吸水、泥質(zhì)析出、掉渣開裂情況，詳見表4。

表4 寧至成都鐵路第三系、白堊系地層浸水試驗

根據(jù)吸水情況初判其膠結(jié)的填充方式，根據(jù)泥質(zhì)析出情況初判其膠結(jié)物類型，最后根據(jù)泡水時間長短情況判定其水穩(wěn)性。

8 水穩(wěn)性綜合評價

結(jié)合顆粒分析試驗、黏土礦物含量試驗、巖芯現(xiàn)場浸水試驗試驗結(jié)果，對成巖情況、膠結(jié)類型、水敏感性特征、賦水性特征進行歸納分類，并進行水穩(wěn)性綜合評價。詳見表5。

第三系貴德組泥巖、白堊系民和組礫巖浸水2～5 h呈碎塊狀，水敏感性一般，屬泥質(zhì)弱膠結(jié)、孔隙式膠結(jié)，水穩(wěn)性綜合評價較差；第三系貴德組砂、礫巖與白堊系民和組砂巖浸水30 min～2 h呈散沙狀、碎塊狀，水敏感性差，屬未膠結(jié)、接觸式膠結(jié)，水穩(wěn)性綜合評價極差。

表5 西寧至成都鐵路第三系、白堊系地層水穩(wěn)性綜合評價

9 結(jié)論

(1)第三系貴德組、白堊系民和組砂、礫巖黏粒含量為0～6%，屬弱膠結(jié)巖，黏土礦物以伊/蒙混層為主，遇水易形成層間膨脹和粒間膨脹，導致巖石結(jié)構(gòu)性損傷。

(2)西寧盆地、化隆盆地中心均具備形成承壓水的條件，建議線路選擇盡量走形于盆地邊緣，降低承壓水頭高度或繞避承壓水對隧道工程的影響。

(3)通過顆粒分析試驗、黏土礦物含量試驗、浸水試驗綜合分析認為，拉脊山北麓的白堊系民和組砂巖及拉脊山南麓的第三系貴德組砂、礫巖為接觸式膠結(jié)，水穩(wěn)性綜合評價極差，建議線路盡量繞避，無法繞避時隧道洞身盡量選擇礫巖段落通過。