上第三系泥巖工程性質及其對隧道施工的影響

高勤運

寶雞—蘭州客運專線天水—蘭州段線路走行于黃土高原梁峁區。區內梁峁起伏，溝壑縱橫，地表廣布第四紀風積黃土，下伏上第三系泥巖、砂質泥巖，滑坡、泥石流、陷穴等不良地質發育，黃土具自重濕陷性，泥巖多為膨脹巖，工程地質條件極為復雜。本段線路長約270 km，共有隧道45座，其中泥巖為主的21座，占47%。鑒于區內泥巖分布范圍較廣，工程性質特殊，加之客運專線隧道開挖斷面較大，因此對其工程性質進行研究與總結，很有必要。

1 沿線泥巖的基本特征

1)分布與構造的關系。沿線泥巖的分布與構造密切相關，一般以山間盆地形式存在。天水—秦安段在區域構造上地處祁呂弧形褶帶和隴西系旋卷構造的復合部位，屬天(水)禮(縣)盆地的北部邊緣，秦安—蘭州一帶為隴西系內旋褶帶，發育有隴西、定西、蘭州盆地。第三紀以來，區內表現為大面積抬升和差異性升降，山地斷塊強烈隆升，盆地相對下沉，沉積了厚層的泥巖，是西北黃土高原和各類第四系松散堆積層的主要基底層。

2)成因與環境。沿線泥巖以棕紅、磚紅色為主，局部夾有灰綠、灰白、黃綠、青灰色，大多層理不明顯，呈巨塊狀，僅局部地段呈近水平狀產出，成巖作用較差，巖質較軟。為干旱或半干旱氣候條件下，干燥內陸氧化環境中陸相、河湖相陸源碎屑物沉積而成，最大厚度逾千米，一般達數百米。呈現紅色是因為填充物或膠結物主要是氧化鐵，特別是赤鐵礦所致。

3)礦物成分。泥巖屬于粘土巖的一部分，是由粒度小于0.004 mm的陸源碎屑和粘土礦物組成的巖石，其礦物成分復雜，除主要成分粘土礦物伊利石、綠泥石、蒙脫石、高嶺石外，常有陸源碎屑礦物和自生礦物，如石英、方解石、長石及少量石鹽等，其主要礦物成分含量詳見表1。本區泥巖中粘粒含量都大于50%，粘粒中粘土礦物含量又在55%以上，且以片狀伊利石為主，比表面積大，活性度大，具有較強的親水性，因此在浸水或外力作用下易產生膨脹和沿層間的錯動。

2 主要工程性質

沿線上第三系泥巖的含水率一般大于10%，最大達23.5%;天然密度介于1.95 g/cm3～2.33 g/cm3間;顆粒密度平均為2.70 g/cm3。因其顆粒較細，且含有親水性粘土礦物，又成巖作用較差，因而具有特殊的工程性質。

2.1 崩解性

土因浸水而發生崩解散體的特性稱為崩解性。它是由于水進入孔隙或裂隙中的情況不均衡而引起粒間擴散層增厚的速度不平衡，以致粒間斥力超過吸力的情況也不平衡，產生應力集中，使土體沿著斥力超過吸力最大的面崩落下來。沿線上第三系泥巖屬粘土巖，顆粒較細，礦物成分以伊利石為主，成巖較差，因此遇水也具有崩解性，往往開裂成碎塊或片狀。如沿線裸露的泥巖邊坡，坡腳常見有崩積體;鉆孔巖芯，也隨暴露時間延續會緩慢地開裂成碎塊或碎片。

表1 上第三系泥巖主要礦物含量統計表

2.2 膨脹性

沿線上第三系泥巖，由于含有伊利石、蒙脫石等粘土礦物，一般具有膨脹性。因其易崩解，粉碎過篩(0.5 mm)后比照土的自由膨脹率試驗方法進行試驗。自由膨脹率一般介于30%～50%，最大91%;蒙脫石含量多數在7%～17%間，平均13.4%;陽離子交換量較低，平均148.9 mmol/kg，最小為78 mmol/kg。比照表2膨脹潛勢分級表，沿線上第三系泥巖應多具有弱膨脹性，局部為中等膨脹性。

表2 膨脹潛勢分級表

2.3 低強度性

本區泥巖的天然抗壓強度，最小為0.099 MPa，最大14.7 MPa，平均2.58 MPa，屬于極軟巖;根據三軸剪切試驗，其粘聚力在0.211 MPa～0.521 MPa間，內摩擦角24.7°～36.8°。泥巖的低強度與其自身的礦物成分、巖石結構及含水率有關。因泥巖本身由軟弱礦物如伊利石、蒙脫石等組成，均為親水礦物，且為泥質膠結，抗壓強度自然低;而巖石結構的影響，主要表現在顆粒大小、空隙率與空隙分布特點等方面，一般空隙率愈大的巖石，即密實程度較差的巖石，抗壓強度愈低。巖石濕度對抗壓強度也有顯著影響，一般巖石的強度隨含水率的增加而降低。

總之，上第三系泥巖含較多親水的粘土礦物，固結差，水化作用突出，崩解與膨脹作用顯著，強度低，屬特殊的極軟巖，工程性質較差。

3 隧道施工中易出現的地質問題

泥巖的低強度、膨脹性及崩解性對邊坡、地基穩定性均有影響，尤其是在地下水發育地帶，同樣，對隧道工程來說，其特殊性也容易誘發工程地質問題。本段地處半濕潤—半干旱氣候區，第三系泥巖下伏于風積砂質黃土或沖洪積碎石類土之下，地下水雖不甚發育，但局部土石界面附近或基巖裂隙中仍有少量地下水存在，隧道施工時，開挖斷面較大，隨著環境地質條件的改變，易出現地基失穩、坍塌掉塊、塑性變形、翻漿冒泥等變形破壞現象，影響隧道施工安全。

3.1 地基失穩

本段隧道進出口段多位于第四系上更新統風積砂質黃土與上第三系泥巖接觸帶附近，砂質黃土具大孔隙性，垂直節理發育，有利于地表水的下滲，往往會在接觸面上形成不連續的上層滯水。當隧道進出口基底位于接觸面上時，因泥巖軟化、膨脹，強度降低，導致基礎產生不均勻沉降，易造成洞門下沉、開裂變形。

3.2 坍塌掉塊

沿線泥巖雖層理不明顯，節理、裂隙不發育，呈巨塊狀，但其由蒙脫石、伊利石等易風化、軟化的礦物組成，且這些具有滑感的礦物多分布在層面、裂隙面、節理面等結構面上，又因成巖作用較差，圍巖整體穩定性較差。隧道開挖后，結構面上的抗剪強度顯著降低，圍巖極易沿不利結構面產生松弛、滑移和墜落等變形破壞，即坍塌掉塊現象，特別是有地下水時，更易發生這類變形和破壞。

3.3 塑性變形

據本線在西秦嶺北緣中山區深鉆孔中實測的地應力值及鄰近的蘭渝線在黃土高原區實測的地應力值，顯示三向主應力的關系為SH＞Sh＞Sv，以水平主應力作用為主，最大水平主應力值SH= 13 MPa～16 MPa，最大主應力優勢方向為NEE～近EW。根據地應力測試和巖石抗壓試驗成果，計算Rc/SH=3.13～4.93，處于高～極高地應力的范圍。沿線天水—蘭州段地處黃土高原區，新構造運動強烈，地震活動較為頻繁，泥巖強度低、塑性較強，具膨脹性，受外力作用易于變形，部分位于泥巖中且埋深較大的隧道，如渭河隧道、郭嘉、古城嶺隧道在開挖過程中或開挖后，由于應力作用或向洞室臨空面的膨脹、流動，有產生塑性擠出、膨脹內鼓等塑性變形的可能，具體可表現為底板鼓脹，水平收斂、拱頂下沉、開裂等。如某線雙河口隧道，位于泥巖、頁巖中，施工中基底隆起高達0.45 m～0.60 m，基底變形示意圖見圖1。經監測，在施工環境下(洞內施工通風，濕度較大)，基底隆起平均速度為0.63 mm/月～8.79 mm/月，且隆起速度受臨空面大小和巖性的影響。當基底浸水飽和后，隆起速度為7.77 mm/月～7.83 mm/月。究其原因，主要與隧道開挖后應力重新分布有關，也與泥巖、頁巖受水浸泡膨脹變形有一定關系。

3.4 翻漿冒泥

沿線上第三系泥巖，屬極軟巖，圍巖級別為Ⅳ級～Ⅴ級，隧道設計斷面均為圓形帶仰拱，這可以有效避免運營過程中翻漿冒泥現象的產生。但在施工過程中，若施工用水管理不善，長期浸泡基底，使基底軟化，加之擾動，同樣會產生翻漿冒泥，進而造成其他地質災害，影響施工進度與安全。

4 結論與建議

寶蘭客專沿線的上第三系泥巖工程性質較為特殊，在隧道施工過程中，因環境地質條件的改變，易產生地基失穩、圍巖變形、翻漿冒泥等地質問題，影響隧道施工及運營安全，施工中對此要有充分的認識，宜采取如下的工程措施:

1)對膨脹巖的處理，“保濕防滲”較為有效。隧道施工中，應隨開挖，隨支護，及時封閉掌子面，避免長時間暴露。2)對軟弱圍巖，應遵循“弱爆破、強支護、快封閉、二襯緊跟”的原則，盡量采用短臺階法施工。3)加強地表防排水措施，尤其是進出口的天溝、吊溝等，避免地表水入滲;同時，應合理使用施工用水，盡量避免積水，并完善隧道內排水系統。

［1］ 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路寶雞至蘭州客運專線初步設計第四篇(地質)［Z］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2009.

［2］ 唐大雄，劉佑榮，張文殊，等.工程巖土學［M］.第2版.北京:地質出版社，1999.

［3］ 姜在興.沉積學［M］.北京:石油工業出版社，2005.

［4］ 樂昌碩.巖石學［M］.北京:地質出版社，1984.

［5］ 王志強.甘肅引洮工程重大工程地質問題研究［M］.蘭州:蘭州大學出版社，2006.

［6］ 周劍橋.水對泥巖隧道的影響［Z］.成都:鐵道部第二勘測設計院科研所，1983.

［7］ 鐵道第一勘察設計院.鐵路工程巖土分類標準［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

［8］ 鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊(修訂版)［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.