膏溶角礫巖工程地質特征研究現狀與不足分析

閆常赫，王延濤，孫光吉

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

膏溶角礫巖是工程勘察中發現的特殊性巖土的一種新類型［1］，該類巖石在工程地質文獻和規范中少有記載，在實際工程中也比較罕見，僅在祁(縣)—臨(汾)高速公路和石太客運專線太行山隧道工程中出現，該巖石由碳酸鹽巖角礫和泥質組成，最初定名為“泥包石層”，之后根據巖石的物理化學成分組成和地質成因定名為膏溶角礫巖。

該類巖石遇水強度迅速降低，極易崩解軟化，且具膨脹性，有著特殊的工程力學性質，給工程勘察、設計、施工帶來了一系列問題，引起學者們的關注。針對該巖石的特征，人們從地質形成背景、物理組成成分、本構關系模型、工程力學特征以及相對應的工程措施等角度展開了研究工作，取得一定成果［1-5］。但由于工程案例較少，針對膏溶角礫巖的研究還處于起步階段，還存在很多不足之處。

1 膏溶角礫巖的形成地質背景

1.1 分布特征

膏溶角礫巖是含膏鹽巖系中易溶的硫酸鹽巖溶蝕后，殘余的碳酸巖組分及雜質原位堆積而成，產出受層位控制，多分布于奧陶系峰峰組、上馬溝組、下馬溝組的含膏地層，祁縣—臨汾高速公路和石太客運專線太行山隧道所經膏溶角礫巖段落均位于該層位，且多分布于斷裂凹陷帶處，呈不連續分布狀態［1］。

1.2 形成學說

目前有關膏溶角礫巖的形成有多種看法，主要分為兩種，即膏溶坍塌成因說和隱爆成因說。

(1)膏溶坍塌成因說

該學說的主要觀點為:石膏遇水極易溶蝕成洞穴，引起頂板巖石的壓裂塌落，其塌落的巖石角礫與殘留的石膏混合膠結成膏溶角礫巖。

(2)隱爆成因說

自然界中存在一種與構造無關、分布普遍、產狀呈筒狀、囊狀、脈狀及似板狀的角礫巖，該類角礫巖由隱爆作用形成。主要是由于巖漿侵入巖體后能量釋放，產生巨大能量使周圍巖體破裂，從而形成角礫巖。

孟麗萍［9］分析了各學說的特點，并根據石太客運專線太行山隧道的角礫巖分布形式，對以上兩種學說提出異議，提出自己的觀點，并歸納了膏溶(含膏)角礫巖的形成過程。含膏層沉積→燕山期酸性巖漿侵入致泥狀物擠入灰巖周圍，當含有石膏層時產生巨大的流體氣壓，爆發產生角礫并形成空洞→冷凝結晶形成角礫巖。筆者認為，這種觀點更貼近實際，但對泥質的來源和周圍巖體相對完整，解釋不夠清楚，還有待進一步研究。

1.3 細觀分布特征

根據前人研究成果，膏溶角礫巖多呈層狀不連續分布，未對膏溶角礫巖的細觀分布和與周圍巖體的關系加以總結歸納。山西中南部鐵路通道立家長隧道在開挖過程中遇到兩層膏溶(含膏)角礫巖，其分布形態多成脈狀，位于奧陶系下馬溝組(O2x)。隧道開挖揭示掌子面多為灰巖、白云質灰巖，中厚層～厚層狀，產狀近水平，巖體節理裂隙發育，垂直方向貫通。發育有多條角礫巖脈，寬度0.5～2 m，產狀與節理一致。角礫巖母巖成分為灰巖及白云質灰巖，無磨圓度，泥質充填，泥質含水量20% ～40%，黏度極高，呈軟塑狀態，整體呈泥包石狀，如圖1所示。

膏溶角礫巖多呈脈狀分布，存在的層位相對穩定，兩側巖層產狀平緩且相對完整，僅裂隙面有大量泥質及角礫充填。根據該分布特征，推測膏溶角礫巖形成受沉積巖層位控制，同時受節理裂隙引導。

圖1 立家長隧道膏溶(含膏)角礫巖分布情況

2 膏溶角礫巖的理論研究現狀

自膏溶角礫巖出現在工程領域以后，學者們開始對其展開了理論研究工作。李尤嘉［12］對太行山隧道膏溶角礫巖取樣進行分析，對其在荷載作用下的巖石細觀損傷裂紋擴展至破碎進行了實時觀測，得到了不同含水狀態下的巖石破碎過程圖像;陳翔［15］在單軸循環加載試驗的基礎上，基于loland模型和marzars模型提出了膏溶角礫巖損傷演化方程。宋飛［2］根據膏溶角礫巖的蠕變特性，建立了流變組合模型，在考慮損傷門檻的統計損傷及石膏角礫巖流變組合模型的基礎上，應用應變等效原理，建立了考慮瞬時損傷的流變本構模型，用神經網絡對石膏角礫巖的非線性流變特性進行嘗試性研究。建立了分別加載下巖石流變的神經網絡模型。鄧建華［6］通過對石太客運專線太行山隧道膏溶角礫巖側陷膨脹試驗，研究了膏溶角礫巖在有側陷條件下膨脹應變的時變特性和膨脹應力與膨脹關系，得出了側陷條件下膏溶角礫巖的應變與實踐的變化規律。

學者們根據祁(縣)—臨(汾)高速公路和石太客運專線的膏溶角礫巖進行理論研究，取得了豐富的成果。但由于膏溶角礫巖成因不明、結構多變、成分復雜等特點，工程地質特征無法統一，目前的理論研究工作還很難應用于工程領域。筆者認為，可以通過在圍巖內埋設應變片的方法，監測擾動后圍巖內應力應變情況，并將監測結果與已有本構關系模型相比較，選擇適合的模型，反推應力應變數據，再與監控結果相比較，以得到最適合的本構模型。

3 膏溶角礫巖的組成成分分析

由于膏溶角礫巖成因復雜，其組成成分也具有多種類型。謝忠安［16］根據石太客運專線太行山隧道膏溶角礫巖為樣本，分析其主要由黏土、鈣鎂質膠結物組成;孟麗萍［9］根據化學試驗、電鏡掃描、能譜分析、X射線衍射分析結果，膏溶角礫巖主要由碳酸巖組成，主要礦物為白云石、方解石，其次為蒙脫石、伊利石、綠泥石及混層礦物。

山西中南部鐵路立家長隧道開挖揭示膏溶角礫巖(圖2)，母巖成分主要為白云巖、白云質灰巖，黏土礦物充填，含少量石膏顆粒(條帶)，黏土礦物中蒙脫石含量約18%～25%，與太行山隧道所通過的膏溶角礫巖成分基本一致。但受復雜地質成因影響，多成“泥包石”狀，母巖顆粒大小極不均勻，不同位置的黏土含量變化很大，工程地質特征隨之變化明顯。

圖2 隧道開挖揭示的膏溶角礫巖

4 膏溶角礫巖的力學性質試驗研究

巖土的工程力學特征是工程研究最主要的內容之一，膏溶角礫巖作為一種新的特殊巖土，引起人們的重視。人們通過常規的研究方法從多方面獲取膏溶角礫巖的工程力學性質。

4.1 強度特征

宋飛［2］等人利用三軸試驗得出了石膏角礫巖的應力-應變曲線，并得出膏溶角礫巖在受壓破壞過程中分為3個階段:即彈性變形階段、塑性變形階段和應變軟化階段，并根據試驗結果分析了巖石強度隨圍壓變化的關系;謝忠安［16］通過對石太客運專線太行山隧道膏溶角礫巖的試驗總結出膏溶角礫巖單軸壓縮試驗結果與巖體含水狀態、硬角礫含量有關，根據試驗結果，一般天然條件下變形模量在15 MPa左右，抗拉強度在0.13 MPa左右。胡文壽［1］根據角礫巖層中原位(重II)測試成果，測定土層的變形模量15～65 MPa，最小值接近黏土指標，均勻性極差。

4.2 含水率對巖石性質的影響

膏溶角礫巖對水有著極強的敏感性，遇水強度迅速降低。不同含水狀態下的膏溶角礫巖的力學性能研究有很重要的意義。鄧建華［6］通過試驗得出了不同含水率狀態下的應力-應變曲線和峰值應力隨含水率變化的關系曲線，并根據試驗結果判斷巖石的初始含水率對巖石力學性質影響很大，且該巖石的工程力學特征具有記憶的性質。李建華［11］根據巖石試驗分析了膏溶角礫巖軟化系數在0.08～0.59，屬于易軟化巖，有著很強的水敏感性。

4.3 膨脹性分析

膏溶角礫巖在干燥時顯示出巖質堅硬的特點，遇水迅速崩解軟化成泥狀，根據試驗分析，膏溶角礫巖含有蒙脫石和高嶺石等黏土礦物［9，16］，因此，判斷其具有一定得膨脹性。彭結兵［4］利用最大膨脹法和平衡加載法測得了膏溶角礫巖的膨脹力，并分析了膨脹力隨初始含水率變化的關系，膨脹變形以膠結物為主，角礫基本不具膨脹性。

山西中南部鐵路立家長隧道在通過膏溶角礫巖時，亦取樣對其膨脹性進行試驗分析，試驗結果如表1所示。

表1 膏溶角礫巖膨脹性試驗結果

根據試驗結果，依據《鐵路工程特殊巖土勘察規程》對膨脹巖(土)判別標準，Y1具中等膨脹性，Y2具弱膨脹性。

5 目前針對膏溶角礫巖研究存在的不足

5.1 成因

目前膏溶角礫巖成因仍是個謎，根據立家長隧道開挖揭示的膏溶角礫巖分布及周圍巖體特征和膏溶角礫巖的試驗參數，目前的各形成學說仍無法解釋黏土礦物的來歷和周圍巖體產狀平緩和相對完整的特點，還無法判斷該位置膏溶(含膏)角礫巖的具體成因。只有在進一步研究區域地質構造歷史的基礎上，將構造運動與周圍巖石礦物組成成分相結合進行研究，以獲得成因的最佳解釋。

5.2 理論

膏溶角礫巖屬于復雜的特殊軟巖，具有強度低、土質不均、局部壓縮性高、軟化系數低等特征。作為水敏感性極強的巖石，已經引起人們的重視，但對其研究仍處于起步階段，學者研究了很多變形損傷破壞模型，但這些模型還處于理論探索階段，未能應用于工程領域。但可以參考其他特殊性巖土的研究方法，如軟巖、膨脹巖的流變等，通過增加應變計等方式將監控量測結果與已有研究成果中模型相對比，并不斷調整，以期得到最適合的本構模型。

5.3 力學特征

巖石工程力學特性是工程界最關注的特性之一。膏溶角礫巖的研究工作由于借鑒案例少，對該巖石的不均勻性沒有系統性的認識，同時工程力學性質還沒有形成判定指標，缺少指導工程實施的應對方案。目前，膏溶角礫巖在工程中的危害，尚未得到完全重視，在今后的工作中，應通過大量實驗，得到其各項力學指標，并結合施工中的不同情況，采取相應的工程措施，并結合其他特殊巖土的判定指標，形成一定的指導規范，為將來統一規范的制定提供理論依據。

6 結語

本文在前人研究成果的基礎上，總結了膏溶角礫巖的工程地質特征，結合山西中南部鐵路立家長隧道實際開挖揭示的膏溶角礫巖分布狀態，提出了膏溶角礫巖分布受沉積層位控制同時受節理裂隙引導的細觀分布方式。根據實際開挖揭示的膏溶角礫巖特征和前人的研究成果，分析總結了該巖石的工程地質特征。同時根據前人研究成果對比實際開挖揭示的膏溶角礫巖地質特征，歸納了目前研究的不足之處，為今后的發展提出了研究方向。

［1］ 胡文壽，于俊清.特殊性巖土膏溶角礫巖的工程特性研究［J］.長安大學學報:地球科學版，2003(3).

［2］ 宋飛，趙法鎖，盧全中.石膏角礫巖強度特性試驗研究［J］.公路，2007(11).

［3］ 鄧建華，黃醒春，等.膏溶角礫巖不同天然含水率情況下力學特性的試驗研究［J］.巖土工程學報，2008(8).

［4］ 彭結兵，鄧建華，黃醒春.膏溶角礫巖側限膨脹特性試驗研究［J］.工程地質學報，2008，16(5).

［5］ 李卓.華北地區奧陶系含膏角礫巖地質成因及長期強度研究［D］.成都:西南交通大學，2008.

［6］ 鄧建華，黃醒春.考慮時間因素的膏溶角礫巖膨脹本構關系［C］.第六屆全國土木工程研究生學術論壇，2008.

［7］ 鄧建華，於昌榮，黃醒春.含水量對膏溶角礫巖力學性能影響的研究［J］.鐵道建筑，2009(9).

［8］ 彭結兵.膏溶角礫巖增濕變形特性試驗研究［D］.上海:上海交通大學，2008.

［9］ 孟麗萍.華北地區特殊性巖土含膏角礫巖的膨脹性及腐蝕性研究［D］.成都:西南交通大學，2008.

［10］鄧建華.膏溶角礫巖力學特性及水損傷模型研究［D］.上海:上海交通大學，2010.

［11］李建華，焦瑞虎.膏溶角礫巖的工程特性及其隧道施工技術［J］.隧道建設，2009(9).

［12］李尤嘉.膏溶角礫巖水損傷特性和機理的細觀力學試驗研究［D］.上海:上海交通大學，2011.

［13］陳翔.膏溶角礫巖損傷演化模型及其破裂斷口的試驗研究［D］.上海:上海交通大學，2008.

［14］李尤嘉，黃醒春.含水狀態下膏溶角礫巖破裂全程的細觀力學試驗研究［J］.巖土力學，2009(5).

［15］陳翔，李尤嘉.基于GIS三維統計的膏溶角礫巖斷口幾何特性研究［J］.巖石力學與工程學報，2008(9).

［16］謝眾安.太行山隧道膏溶角礫巖工程特性試驗研究［J］.工程地球物理學報，2007(12).