蘭州地區(qū)某隧道第三系砂巖工程特性研究

成 誠

（中冶地集團(tuán)西北巖土工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710116）

1 概況

蘭州至中川機(jī)場鐵路起于蘭州市蘭州西站，終點(diǎn)至中川機(jī)場，全長約62km。蘭州市隧道工程，其基本特性線以及長度的測量通過實(shí)現(xiàn)基本地貌以及現(xiàn)在坡度較大的緩解方式，對現(xiàn)在溝壑縱橫以及實(shí)際自然度的判斷，進(jìn)行有效的v 字形設(shè)計，于平緩處和基礎(chǔ)處進(jìn)行相應(yīng)的覆蓋，使其能夠充分地進(jìn)行吸收處理。北環(huán)隧道經(jīng)過地層為上第三系咸水河組砂巖[1]，該套砂巖成巖作用差，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)作用差，巖質(zhì)軟弱，且遇水易軟化，工程性質(zhì)極差[2]。隧道在開發(fā)的過程中，對于現(xiàn)在基本含水率和滲水過程都需要進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)定，因此在開發(fā)的時候要進(jìn)行相應(yīng)的順?biāo)幚?，對于水質(zhì)以及開發(fā)后的各種細(xì)沙進(jìn)行相應(yīng)的圍巖變形。在施工中遇到的主要地質(zhì)問題為涌水、涌砂、開挖困難，施工難度極大[3]。由此可見，此套砂巖地層為特殊巖土，對線路方案影響較大，需引起重視。

2 物理力學(xué)特性

2.1 膠結(jié)程度

砂巖地層由于膠結(jié)成分的差異，形成軟硬交互的特點(diǎn)，軟硬交互的層厚一般為3 ～8m。根據(jù)其膠結(jié)程度可分為兩段，HK4+950 ～HK7+400 段為上段，多為泥質(zhì)膠結(jié)，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，其膠結(jié)程度稍高。HK7+400 ～HK9+225 段為下段，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，膠結(jié)程度較差。該段上部砂巖的膠結(jié)略好于下部，但上部仍有膠結(jié)較差的巖體，下部亦有少部分膠結(jié)較好的巖體?？傮w趨勢是軟硬交互，上部好于下部。

2.2 顆粒組成

根據(jù)功率的大小和實(shí)際實(shí)驗的報告，應(yīng)該將孔粒的基本密度和孔粒大小進(jìn)行相應(yīng)的對比。以現(xiàn)在的孔粒直徑作為基本標(biāo)準(zhǔn)，粒徑主要集中于0.01 ～0.5mm，HK4+950 ～HK7+400 段的砂巖顆粒粒徑略小于HK7+400 ～HK9+225 段，HK4+950 ～HK7+400 段 的黏粒含量略大于HK7+400 ～HK9+225 段。

2.3 物理力學(xué)指標(biāo)

第三系砂巖的各項物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示?；镜奶烊缓蕿?%～5.6%，天然密度比為17%～34%，基本的顆粒密度直徑為2.45 ～3.1mm。該套第三系砂巖天然抗壓強(qiáng)度很低，一般基本的直徑小于5mm，而在遇水或松軟的泥土后容易進(jìn)行軟化，并且會出現(xiàn)飽和強(qiáng)度的實(shí)驗效果。僅在鉆孔DXSZ-1 取樣測得飽和抗壓強(qiáng)度約為4.23MPa。該套砂巖地層局部夾有鈣質(zhì)膠結(jié)薄層，天然抗壓強(qiáng)度平均為0.151 ～10.2MPa。采用劈裂法對隧道砂巖進(jìn)行抗拉試驗，測得其抗拉強(qiáng)度平均為3.3 ～25.3MPa。

黏粒含量對砂巖的性質(zhì)影響較大，具體表現(xiàn)在該套第三系砂巖在HK4+950 ～HK7+400 段的顆粒密度、天然密度、耐崩解指數(shù)、抗拉強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度均大于HK7+400 ～HK9+225 段，但數(shù)據(jù)較離散，不同深度，鉆孔數(shù)據(jù)差異較大。而含水率及滲透系數(shù)則表現(xiàn)為，HK4+950 ～HK7+400 段的含水率及滲透系數(shù)小于HK7+400 ～HK9+225 段。

2.4 浸水特性對比

為了解北環(huán)隧道砂巖浸水特性，選取了不同鉆孔洞身附近巖芯做了砂巖簡易浸水試驗，如表2 所示。由試驗可見，選取的7 組試樣中，DXSZ-2、DXSZ-2-1、DXSZ-4 在靜水環(huán)境中浸泡30min 后無明顯變化，砂巖結(jié)構(gòu)未被破壞；其余各砂巖試樣均破壞，呈砂狀，或手搓即成砂狀。在對本套地層進(jìn)行的浸水試驗中發(fā)現(xiàn)，局部鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖強(qiáng)度較高，在浸水試驗數(shù)天后，仍需錘擊方可擊開，這種性質(zhì)的巖體所占比較很小，主要分布本段地層的上段。該段上部泥質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖、細(xì)砂巖占大多數(shù)，強(qiáng)度較低，在進(jìn)行浸水試驗后，數(shù)天內(nèi)結(jié)構(gòu)不會被破壞，手可掰開，用力可將小塊搓成砂狀。下部的砂巖的顆粒成分較粗，膠結(jié)較差，浸水后結(jié)構(gòu)雖不會完全破壞，但手可搓成砂狀，少部分泡水后在3h 左右完全崩解。

表1 物理力學(xué)指標(biāo)

表2 浸水試驗

3 工程特性及圍巖分級

北環(huán)隧道洞身地層均以第三系砂巖為主，根據(jù)物理力學(xué)指標(biāo)分為兩段，HK4+950 ～HK7+450 段與HK7+ 400 ～HK9+255 段，兩段地質(zhì)存在差異。HK4+950 ～ HK7+450 段工程地質(zhì)特征略好，砂巖黏粒含量較高，膠結(jié)較好，多為泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，巖芯多呈短柱狀及柱狀，巖芯手掰不開，滲透系數(shù)相對較小，泡水后結(jié)構(gòu)不破壞，部分長期泡水仍較堅硬。HK7+400 ～HK9+225 段砂巖為粉細(xì)粒及中粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)弱膠結(jié)，極少部分為鈣質(zhì)膠結(jié)，成巖性差，巖芯多呈餅狀及短柱狀，黏粒含量較低，滲透系數(shù)相對較高，圍巖穩(wěn)定性與桃樹坪隧道、胡麻嶺隧道相當(dāng)?？傮w上砂巖的特點(diǎn)是上部好于下部，軟硬交互分布。

北環(huán)隧道的圍巖分級，充分考慮桃樹坪隧道、胡麻嶺隧道的工程經(jīng)驗[3]，根據(jù)本隧道的地層巖性特點(diǎn)及地下水分布情況，將第三系砂巖埋深較大且有地下水地段的圍巖劃分為V 級，淺埋溝谷水塘等富水地段的圍巖劃分為V 加強(qiáng)或Ⅵ級，如表3 所示。

表3 隧道圍巖分級

4 結(jié)束語

（1）北環(huán)隧道上第三系砂巖成巖差，膠結(jié)程度低，主要由粉細(xì)粒及中粒組成，工程性質(zhì)差。黏粒含量、含水率、滲透系數(shù)對砂巖圍巖特性影響較大。在含水量比較低的情況下，會造成現(xiàn)在砂巖的基本顆粒情況不平衡；若含水量升高，就會造成現(xiàn)在砂巖的體積不穩(wěn)定，砂巖內(nèi)部穩(wěn)定性比較差，因此在含水量上升的過程中就要進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)定訓(xùn)練。（2）砂巖的實(shí)際組成比例、脫水率以及相應(yīng)的系數(shù)，都會影響各項運(yùn)行狀態(tài)，因此在進(jìn)行砂巖的基本判斷的時候，要結(jié)合其軟度、硬度及其內(nèi)部的膠著程度，對其整體的浸泡模式和現(xiàn)在內(nèi)在的組成情形進(jìn)行相應(yīng)的影響，使其能夠充分具有穩(wěn)定性差異。