引洮工程總干7號隧洞疏松砂巖工程地質特性研究

崔 旭

(甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

引洮供水工程總干7#隧洞位于甘肅省渭源縣境內，隧洞全長約17.28km，最大埋深368m，圓形斷面，設計開挖洞徑5.75m。隧洞掘進以單護盾TBM施工為主，其中TBM掘進13.528km，人工開挖3.752km。現(xiàn)已建成運行。

2 地質概況及施工情況

7#隧洞穿過洮河與渭河之間的分水嶺，沿線地形破碎，溝壑縱橫，總體呈溝谷與梁峁相間的黃土丘陵地貌景觀。隧洞圍巖為白堊系、新近系碎屑巖地層，其中新近系極軟巖洞段長14.7km，占洞長的85.6%。新近系地層巖性以泥質粉砂巖、砂質泥巖及疏松砂巖(粉細砂巖)為主，疏松砂巖呈厚數十米的夾層，平緩的夾于泥質粉砂巖、砂質泥巖之中，共有8層，多含水飽和，部分具承壓性。疏松砂巖是新近系在特殊環(huán)境和水動力條件下沉積而成，成巖時間不長，成巖作用差，主要分布于隴渭新生代盆地，其分布具有一定的區(qū)域性。

新近系圍巖工程地質特性惡劣，地質環(huán)境復雜，施工難度大，特別含水的疏松砂巖在地下水作用下，工程地質問題尤為突出。隧洞主要采用TBM施工，并輔以人工掘進。TBM在含水疏松砂巖段施工中多次受困，出現(xiàn)了涌砂、埋機、栽頭等嚴重的施工問題，以至于在樁號57+850附近難以脫困而被迫采用凍結法施工，付出了高昂的代價。為此對含水疏松砂巖集中分布且TBM嚴重受困難以繼續(xù)段(樁號57+835～58+159m)進行了重點勘察及試驗研究，其剖面位置如圖1所示。該段長約324m，隧洞最大埋深約265m，巖層產狀平緩，鉆孔揭示自上而下間隔分布兩層疏松砂巖，上層垂直厚度約22m，下層垂直厚度約70m，兩層疏松砂巖均含地下水，且具承壓性，但水量較小。

3 疏松砂巖工程地質特性

利用鉆孔、豎井取得疏松砂巖原狀樣和泥質粉砂巖試樣，進行物理力學性質試驗，對比試驗，分析研究疏松砂巖的工程地質特性。

3.1 巖石物理力學性質

3.1.1 巖石物質組成及結構

(1)礦物成分

經對比疏松砂巖和泥質粉砂巖粉末衍射礦物成分測試(XRD)，疏松砂巖礦物成分相對單一，主要以石英顆粒為主，黏土及鈣質礦物含量很少，如圖2所示。泥質粉砂巖中則有少量黏土、鈣質膠結物存在，如圖3所示。疏松砂巖中缺少黏土及鈣質礦物等具有膠結作用的礦物是疏松砂巖特性的基礎原因。

圖1 剖面位置圖

圖2 疏松砂巖代表性XRD曲線圖3 泥質粉砂巖代表性XRD曲線

(2)化學成分

根據能譜化學成分測試(EDS)見表1，化學成分以Si元素為主，其次為Ca、Fe、K、Al等，疏松砂巖Ca元素含量為9.30%～10.8%，泥質粉砂巖Ca元素含量20.42%～34.27%，這是疏松砂巖鈣質膠結差的基礎，是疏松砂巖特性的內在原因之一。

(3)巖石結構特征

疏松砂巖結構特征從宏觀及微觀方面進行分析，宏觀方面研究顆粒的粒度特征，微觀方面研究固體顆粒本身特征、排列方式、顆粒間的聯(lián)結特征及孔隙特征等。

根據顆分試驗，見表2，疏松砂巖中具有膠結作用的粘粒(<0.005mm)含量為2.4%～7.9%，而泥質粉砂巖中粘粒含量為13.3%～33.7%，疏松砂巖粘粒含量明顯小于泥質粉砂巖的粘粒含量，這是疏松砂巖泥質膠結差的基礎，是疏松砂巖形成的內在因素之一。另外，從不均勻系數和曲率系數分析，疏松砂巖顆粒均勻程度好于泥質粉砂巖，顆粒相對均勻，級配不良，根據顆粒組成疏松砂巖可定名為粉細砂巖。

根據電鏡掃描試驗(SEM)分析，疏松砂巖基本結構類型屬于骨架狀結構，顆粒大小主要集中在0.25～0.075mm之間，細砂級組分含量較大，構成疏松砂巖的骨架，以石英顆粒為主，大小較均勻，具有一定的磨圓度，堅硬不易變形，顆粒間相互依靠支撐，穩(wěn)定性較好。骨架顆粒自重遠大于顆粒之間的分子引力，顆粒之間幾乎沒有聯(lián)結，或者具有微弱聯(lián)結，形成單粒結構，排列方式為緊密的單粒排列。骨架顆粒間孔隙較大，分布較均勻，孔隙內黏粒較少，粘粒呈薄膜狀或星點狀覆蓋在顆粒表面，在砂粒接觸處有少量黏粒，起著接觸弱連接作用。疏松砂巖屬均勻松散的孔隙結構類型。

表1 EDS試驗化學成分對比表 %

表2 顆分試驗對比表

表3 物理性質對比表

表4 水理性質對比表

3.1.2 物理性質

疏松砂巖和泥質粉砂巖干密度、孔隙比、含水量等指標見表3，通過對比可知，疏松砂巖干密度小、孔隙比大、含水率高，具有結構疏松的特點。

3.1.3 水理性質

(1)崩解特性

疏松砂巖吸水率12.6%～22.78%，飽和吸水率13.1%～24.8%，具遇水極易軟化、浸水極易崩解特性；泥質粉砂巖吸水率8.19%～20.9%，飽和吸水率8.6%～22.3%，具遇水易軟化、浸水易崩解特性。疏松砂巖泥質粉砂巖水理性質對比見表4，通過對比可知，疏松砂巖吸水率及飽和吸水率比泥質粉砂巖大，遇水更易軟化，浸水后崩解速度更快。

(2)滲透性

根據表4室內滲透試驗看出，疏松砂巖滲透系數(5.8～30)×10-5cm/s，弱～中等透水；泥質粉砂巖滲透系數(0.15～4.3)×10-5cm/s，弱～微透水。根據表4中鉆孔提水試驗看出，疏松砂巖滲透系數(6.5～32)×10-5cm/s，屬弱～中等透水巖體；泥質粉砂巖滲透系數(0.2～4.7)×10-5cm/s，屬弱～微透水巖體。疏松砂巖透水性明顯強于泥質粉砂巖。

表5 抗剪強度對比表

注：表中數值為最小值～最大值/(平均值)

3.1.4 力學性質

抗剪強度對比見表5。從表5直剪試驗中看出，疏松砂巖強度較低，特別是內聚力極低，平均內聚力7.10kPa，平均內摩擦角44.01°。泥質粉砂巖平均內聚力95.2kPa，平均內摩擦角43.90°。疏松砂巖與泥質粉砂巖內摩擦角接近，但疏松砂巖的內聚力明顯低于泥質粉砂巖。

疏松砂巖結構疏松，抗壓強度試驗制樣困難，根據Mohr-Coulomb準則，抗壓強度σ=2c·cosφ/(1-sinφ)，估算疏松砂巖單軸抗壓強度為33.29kPa，而泥質粉砂巖直剪飽和抗壓強度為900kPa，疏松砂巖單軸抗壓強度遠遠小于泥質粉砂巖的抗壓強度，屬極軟巖，類似于“固結粉細砂”的強度特性。

3.2 圍巖工程地質特性

疏松砂巖受構造影響微弱，斷層、裂隙不發(fā)育，主要結構面為層面。根據鉆孔聲波測試，巖體縱波速Vpr為1690～2300m/s，完整性系數Kv為0.70～0.80，巖體完整性好。疏松砂巖圍巖應力環(huán)境主要為自重應力場，圍巖強度應力比一般S<0.1。圍巖穩(wěn)定性取決于巖石性質，同時可視為散體結構，可按散體理論進行圍巖穩(wěn)定性和山巖壓力分析。

4 圍巖主要工程地質問題

疏松砂巖膠結程度差，成巖作用差，結構疏松，屬極軟巖，巖體完整性好，抗壓及抗剪強度低。含水飽和后，其圍巖工程地質性質更為惡劣，圍巖強度應力比一般小于0.1，按現(xiàn)行規(guī)范為穩(wěn)定性極差的Ⅴ類圍巖，隧洞開挖后幾乎不能自穩(wěn)且極易產生塑性變形破壞，進而發(fā)生規(guī)模較大的塌方。根據散體壓力理論，疏松砂巖塌方高度采用普氏塌落拱公式h=b+2b·tg(90°-φ)/f，若取飽和疏松砂巖f=0.8，飽水疏松砂巖圍巖塌方高度10～15m。該估算值與與施工量測最大塌方高度基本相符。

另一方面，飽和疏松砂巖中地下水一般具承壓性，承壓水頭數十米，隨著隧洞的開挖，地下水滲流場發(fā)生改變，地下水在隧洞洞周集中滲出，圍巖將產生機械潛蝕破壞，使得圍巖穩(wěn)定性進一步下降。同時，圍巖塌落物為松散的飽水粉細砂，其顆粒多為細砂和粉砂，遇振動極易液化。

由此可見，含水疏松砂巖工程性質惡劣，其工程性質類似于固結飽和粉細砂。作為地下工程圍巖，疏松砂巖存在自穩(wěn)時間極短、穩(wěn)定性極差，以及地下水機械潛蝕破壞和振動液化問題。

引洮總干7#隧洞施工實踐表明，含水疏松砂巖無論是TBM還是人工掘進施工難度極大，成為引洮工程施工中遇到的重大技術難題。TBM施工中多次受困，表現(xiàn)為嚴重的埋機、栽頭，甚至因振動液化出現(xiàn)噴水冒砂現(xiàn)象，最后不得已采用凍結法施工解困使引水隧洞得以貫通。

5 結語

疏松砂巖是在特殊地質環(huán)境中沉積的，成巖作用差，在甘肅隴渭盆地新近系地層中呈不厚的夾層分布，具有一定的區(qū)域性。含水疏松砂巖工程性質軟弱惡劣，其性質類似于固結飽水粉細砂，作為地下工程圍巖存在自穩(wěn)時間極短、穩(wěn)定性極差，地下水機械潛蝕破壞和振動液化問題，是一種極為特殊惡劣的圍巖，將其視作散體，采用普氏理論分析圍巖穩(wěn)定性，估算山巖壓力有一定的合理性。在飽水疏松砂巖中進行地下工程開挖施工困難極大，不適宜TBM施工。隧洞線路在選線時應仔細勘察，盡量繞避，否則必須考慮特殊施工方法。