蘭渝線桃樹坪隧道區域上第三系砂巖工程特性分析

甄秉國

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，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，位于蘭州市東崗鎮桃樹坪村，隧道全長3.20 km。隧道通過區為黃河高階地及黃土梁峁區，上部為第四系砂質黃土及圓礫土，洞身為上第三系砂巖。

上第三系砂巖礦物成分以石英和長石為主，粉細粒砂狀結構，成巖性差、泥質弱膠結。在無地下水地段，隧道圍巖整體穩定性較好;在含地下水地段，砂巖遇水后結構迅速破壞，施工開挖后多呈飽和的粉細砂狀，穩定性變差，施工難度極大。

2 上第三系砂巖地質成因及分布

本套地層為隴東區、隴西盆地的甘肅群，為一套桔黃色、淺棕黃色泥質砂巖、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)、城關、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，在地貌上多表現為黃土梁峁和河谷階地上覆風積和沖洪積黃土，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

根據取樣的顆粒分析及顆粒級配圖(圖1)，桃樹坪隧道上第三系砂巖的顆粒組成以粉細粒為主，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，相對密度為2.64～2.67，孔隙比為0.36～0.44，滲透系數為1.2×10－4～7.6 ×10－5cm/s。

圖1 砂巖試樣級配曲線

3.2 砂巖的強度特征

3.2.1 抗壓強度

桃樹坪隧道上第三系砂巖受沉積環境的影響，形成過程中多以泥質弱膠結，且成巖性差，天然抗壓強度很低，一般＜1 MPa;遇水浸潤或擾動后極易軟化的特征明顯，其飽和抗壓強度無法通過室內試驗測得;局部夾有鈣質膠結薄層或結核，天然抗壓強度平均為2.46～7.58 MPa，飽和抗壓強度約為0.80～2.67 MPa。

3.2.2 抗剪強度

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

圖2 1#抗剪強度曲線

圖3 4#抗剪強度曲線

3.3 砂巖含水率隨時間變化研究

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

1)開挖前后均未降水。圖4曲線數據顯示，隧道掌子面開挖0～2 h內含水率低，約4%左右;2 h后含水率開始快速上升，約3 h后含水率達到12%，砂巖開始發生塑性變形，圍巖基本穩定;約5 h后含水率繼續上升，變形加劇，約10 h后含水率約為18%，砂巖穩定性大大降低，工程性質迅速惡化，圍巖失穩，并呈現流變狀態。

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，砂巖含水率的增長速度比較緩慢;2 h掌子面開始有水流滲，含水率迅速增長;在4～5 h后，砂巖局部發生塑性變形，臺階開始失穩，隨著時間的推移，砂巖含水率不斷上升。約6 h后含水率達到19%，基本達到飽和狀態，開始流變。隨著降水工作的開展，砂巖的含水率會逐漸下降，約降水24 h時后含水率達到10%左右，圍巖基本穩定。

圖5 2#斜井X0+020砂巖含水率變化曲線

3)開挖前持續超前降水。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間的關系。分析可知，砂巖含水率保持在6% ～7%之間，且變化幅度不大，圍巖基本穩定，說明持續降水，可保持圍巖穩定。

3.4 上第三系砂巖工程特性

1)上第三系砂巖原始狀態下具有密實度高、不擾動狀態下承載力和變形模量比較高的特性。但第三系砂巖為泥質弱膠結，成巖作用差，由于黏粒含量少，結構脆弱，極易破壞，穩定性差，工程性質極差。可見，直接利用上第三系砂巖，不僅在工程技術上要求較高，而且工程造價也會大幅提高，因此對此類砂巖特性的認識，直接關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，圍巖穩定性隨時間滯后且顯著變差，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的巖層，現有的勘察手段(鉆探、物探、測試)難以查明其在水的作用下開挖后工程性質迅速惡化的特性。因此，對其異常復雜的巖性特征和水穩特性的認識還需在工程建設中進一步研究。

3)通過試驗分析，上第三系砂巖主要由粉細砂粒及少量黏粒組成，膠結程度差，工程性質較差。在含水率低的情況下，砂巖的顆粒受力平衡，處于穩定狀態，當含水率逐漸升高時，砂巖結構極易發生破壞，易發生塑性變形或流變，圍巖穩定性迅速變差，具有十分復雜的水穩特性，穩定性隨含水率變化和時間延續具有顯著變化的特點。經分析研究，3～5 h為圍巖開始塑性變形的臨界時間點，7～10 h為圍巖開始流變的臨界時間點;砂巖發生塑性變形的含水率為12% ～16%，發生流變的含水率為18% ～19%;當砂巖含水率達到上述極限時，其穩定性大大降低，圍巖將發生變形，并導致失穩;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，圍巖基本穩定。表明通過超前降水控制圍巖的含水率保持圍巖的穩定性具有良好的效果。

4 結論

1)上第三系砂巖具有異常復雜的工程特性，地下水對圍巖穩定性的影響非常大，在鐵路建設中尚未曾遇到過類似的大型地下洞室工程實例，是一個世界性施工技術難題。通過現場試驗分析以及施工實踐證明，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定狀態。因此，超前降水是有效解決上第三系含水砂巖穩定性的首要措施。

2)上第三系砂巖厚度較大，巖性較均，施工中應盡量堅持“早、快、少”的原則。“早”為早降水、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定狀態;“快”為快開挖、快支護，及時封閉圍巖;“少”為少擾動。

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

［2］中鐵第一勘察設計院集團有限公司，北京交通大學.含水弱膠結砂巖地層物理力學參數試驗研究［R］.陜西:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，北京:北京交通大學，2011.

［3］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.第三系砂巖復雜的水穩特性地質專題研究報告［R］.陜西:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011.

［4］董蘭鳳.蘭州第三系砂巖工程特性研究［J］.蘭州大學學報，2003(11):90-93.

［5］程強，寂小兵.中國紅層的分布及地質環境特征［J］.中國地質學報，2004(12):34-40.

［6］曾祥勇，鄧安福.紅層軟巖強度特征的研究［C］//全國第八次巖力學與工程學術大會論文集.北京:科學出版社，2004:198-201.

［7］陳斌斌.蘭州市區紅層砂巖地基承載力探討［J］.甘肅科技，2003(11):141-142.

［8］彭華，吳志才.關于紅層特點及分布規律的初步探討［J］.中山大學學報，2003，42(5):109-113.

［9］劉林芽，高柏松.紅砂巖工程特性的試驗研究［J］.鐵道建筑，2007(11):44-45.

［10］王志強.甘肅引洮工程重大工程地質問題研究［D］.蘭州:蘭州大學，2006.

［11］李智誠，戴塔根.長沙市紅層工程性質之分析［J］.巖土工程界，2002，5(3):47-49.

［12］楊杰.新建包西鐵路東山二號隧道塌方工程地質特征分析［J］.鐵道建筑，2011(1):24-26.