蘭州地區某隧道第三系砂巖工程特性研究

成 誠

（中冶地集團西北巖土工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710116）

1 概況

蘭州至中川機場鐵路起于蘭州市蘭州西站，終點至中川機場，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現基本地貌以及現在坡度較大的緩解方式，對現在溝壑縱橫以及實際自然度的判斷，進行有效的v 字形設計，于平緩處和基礎處進行相應的覆蓋，使其能夠充分地進行吸收處理。北環隧道經過地層為上第三系咸水河組砂巖[1]，該套砂巖成巖作用差，泥質膠結，膠結作用差，巖質軟弱，且遇水易軟化，工程性質極差[2]。隧道在開發的過程中，對于現在基本含水率和滲水過程都需要進行相應的穩定，因此在開發的時候要進行相應的順水處理，對于水質以及開發后的各種細沙進行相應的圍巖變形。在施工中遇到的主要地質問題為涌水、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 物理力學特性

2.1 膠結程度

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

2.2 顆粒組成

根據功率的大小和實際實驗的報告，應該將孔粒的基本密度和孔粒大小進行相應的對比。以現在的孔粒直徑作為基本標準，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 物理力學指標

第三系砂巖的各項物理力學指標如表1 所示。基本的天然含水率為4%～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行軟化，并且會出現飽和強度的實驗效果。僅在鉆孔DXSZ-1 取樣測得飽和抗壓強度約為4.23MPa。該套砂巖地層局部夾有鈣質膠結薄層，天然抗壓強度平均為0.151 ～10.2MPa。采用劈裂法對隧道砂巖進行抗拉試驗，測得其抗拉強度平均為3.3 ～25.3MPa。

黏粒含量對砂巖的性質影響較大，具體表現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、抗拉強度及抗壓強度均大于HK7+400 ～HK9+225 段，但數據較離散，不同深度，鉆孔數據差異較大。而含水率及滲透系數則表現為，HK4+950 ～HK7+400 段的含水率及滲透系數小于HK7+400 ～HK9+225 段。

2.4 浸水特性對比

為了解北環隧道砂巖浸水特性，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 在靜水環境中浸泡30min 后無明顯變化，砂巖結構未被破壞；其余各砂巖試樣均破壞，呈砂狀，或手搓即成砂狀。在對本套地層進行的浸水試驗中發現，局部鈣質膠結的砂巖強度較高，在浸水試驗數天后，仍需錘擊方可擊開，這種性質的巖體所占比較很小，主要分布本段地層的上段。該段上部泥質膠結的粉砂巖、細砂巖占大多數，強度較低，在進行浸水試驗后，數天內結構不會被破壞，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，膠結較差，浸水后結構雖不會完全破壞，但手可搓成砂狀，少部分泡水后在3h 左右完全崩解。

表1 物理力學指標

表2 浸水試驗

3 工程特性及圍巖分級

北環隧道洞身地層均以第三系砂巖為主，根據物理力學指標分為兩段，HK4+950 ～HK7+450 段與HK7+ 400 ～HK9+255 段，兩段地質存在差異。HK4+950 ～ HK7+450 段工程地質特征略好，砂巖黏粒含量較高，膠結較好，多為泥、鈣質膠結，巖芯多呈短柱狀及柱狀，巖芯手掰不開，滲透系數相對較小，泡水后結構不破壞，部分長期泡水仍較堅硬。HK7+400 ～HK9+225 段砂巖為粉細粒及中粒結構，泥質弱膠結，極少部分為鈣質膠結，成巖性差，巖芯多呈餅狀及短柱狀，黏粒含量較低，滲透系數相對較高，圍巖穩定性與桃樹坪隧道、胡麻嶺隧道相當。總體上砂巖的特點是上部好于下部，軟硬交互分布。

北環隧道的圍巖分級，充分考慮桃樹坪隧道、胡麻嶺隧道的工程經驗[3]，根據本隧道的地層巖性特點及地下水分布情況，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 加強或Ⅵ級，如表3 所示。

表3 隧道圍巖分級

4 結束語

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