T2b2 地層隧道圍巖的主要工程地質(zhì)問題及特性
——以鄭萬高鐵（重慶段）為例

張毅，杜宇本，向道銀

（1.中鐵二院地勘巖土設計研究院，成都610036；2.渝萬、渝黔鐵路有限責任公司，重慶400015）

1 工程概況

1.1 鄭萬高鐵建設概況

鄭萬高鐵位于豫、鄂、渝三省市境內(nèi)，北接京廣、隴海客專；中與既有焦柳、寧西、襄渝鐵路，規(guī)劃的運（城）十（堰）宜（昌）鐵路、安（康）張（家界）常（德）等鐵路相交；南端連接萬州，并通過渝萬客專達重慶。其中，重慶市境內(nèi)線路正線長181.754km，共分布有巫山、奉節(jié)、云陽、萬州北4 個中間站，萬州北站為渝萬線在建站；正線共設橋梁32 座，總計10.878km；正線新建雙線隧道25.5 座，長169.477km，橋隧總長180.355km，橋隧比重99.2%。

1.2 鄭萬高鐵（重慶段）穿越巴東組二段（T2b2）地層概況

鄭萬高鐵（重慶段）正線長181.754km，穿越巴東組二段（T2b2）地層的長度累計約67.528m，其中，隧道10 座，長約66.864m，橋梁5 座，長約0.664m。

2 巴東組二段（T2b2）地層巖性及一般工程地質(zhì)特性

2.1 地層巖性及礦物成分

通過地質(zhì)鉆探及施工開挖的地質(zhì)剖面揭示，該段地層主要為紫紅色的泥巖夾青灰色砂巖，中間偶夾有頁巖及黏土巖。與一般傳統(tǒng)“紅層”地層的巖性情況幾乎一致，所以，其巖體內(nèi)的礦物成分主要以黏土礦物為主，其中，以伊利石居多，綠泥石次之，蒙脫石、高嶺土、石膏及石英等含量較少，具體地層泥巖礦化分析結果如表1 所示。

表1 新建鄭萬鐵路巫山隧道洞身（T2b2）地層泥巖礦化分析結果%

2.2 一般工程地質(zhì)特性

由于巴東組二段（T2b2）地層主要以泥巖為主，因此，其工程地質(zhì)特征與所有“紅層”泥巖一樣，具有質(zhì)軟易碎，遇水易軟化，易崩解，暴露易風化的共同特征，且由于其礦物成分多含膨脹性礦物，在一定條件下亦是一類具有膨脹性潛能的巖石[1]。所以，深入剖析該地層的物理及化學特性有利于隧道圍巖級別的劃分及支護措施的合理配置。

3 隧道開挖揭示的巴東組二段（T2b2）地層圍巖的主要工程地質(zhì)問題

3.1 一般地質(zhì)問題

巴東組二段（T2b2）地層巖性主要以泥巖夾砂巖、黏土巖為主，因此，在無地下水發(fā)育情況下，其圍巖開挖后自穩(wěn)能力較好，但圍巖質(zhì)軟，偶有掉塊及滑落現(xiàn)象，因此，其圍巖等級以Ⅳ級居多，Ⅲ級與Ⅴ級次之。

3.2 含水性問題

鄭萬高鐵（重慶段）穿越（T2b2）地層的隧道在開挖過程中，個別隧道出現(xiàn)了地下水較發(fā)育的情況，其表現(xiàn)形式有滴水、滲水及股狀涌水（見圖1）等，其中，巫山隧道斜井涌水量最高達7 000m3/d，奉節(jié)隧道1#斜井涌水量最高達6 000m3/d，且涌水點地層巖性均為泥巖層位，說明巴東組二段地層（T2b2）的泥巖層位隔水能力較差，透水性較好。

圖1 巫山隧道的隧道股狀涌水

3.3 水敏性問題

依據(jù)鄭萬高鐵（重慶段）的隧道開挖揭示統(tǒng)計，在穿越（T2b2）地層的11.5 座隧道中，地下水較發(fā)育～發(fā)育隧道4 座，這些隧道因受到地下水的作用影響后，部分巖體軟化，穩(wěn)定性降低，圍巖自穩(wěn)能力較差，施工過程中拱部掉塊嚴重、易坍塌；若地下水排水不暢，在短時間內(nèi)，初支極易變形破壞，致使隧道不斷發(fā)生變形預警，最終侵限、塌方。這類病害在地下水發(fā)育段落均出現(xiàn)了該類情況，說明（T2b2）地層的泥巖水敏性極強，在水理作用下，其物理力學性質(zhì)指標發(fā)生變化的周期短，性質(zhì)差異波動性大等特點，致使原設計措施不足[2]。

4 巴東組二段（T2b2）地層泥巖與侏羅系（J）紅層泥巖的主要特性的對比分析

4.1 標準地質(zhì)剖面的對比分析

4.1.1 T2b2地層剖面（新建鄭萬高鐵巫山境內(nèi)剖面）

新建鄭萬高鐵巫山境內(nèi)地層剖面分析：（1）紫紅色水云母頁巖，夾灰紫色、灰色簿至中厚層泥質(zhì)膠結的石英粉砂巖及一層灰色泥質(zhì)砂質(zhì)灰?guī)r，砂巖具交錯層理；（2）紫紅色中至厚層水云母膠結的石英粉砂巖，夾同色水云母頁巖，砂巖具交錯層理；（3）紫紅色頁巖、砂質(zhì)頁巖，夾薄層水云母膠結的石英粉砂巖；（4）紫紅色粉砂質(zhì)頁巖，夾紫紅色、灰色中厚層泥質(zhì)粉砂巖；（5）紫紅色粉砂質(zhì)水云母黏土巖，夾紫紅色中厚層鈣泥質(zhì)膠結的石英粉砂巖；（6）紫紅色粉砂質(zhì)水云母黏土巖，夾淺紫色、灰色簿至中厚層鈣質(zhì)膠結的石英細砂巖，具細層理構造；（7）紫紅色粉砂質(zhì)水云母黏土巖，夾中厚層微粒泥質(zhì)灰?guī)r，前者有網(wǎng)狀鈣質(zhì)物分布。

4.1.2 侏羅系（J）紅層地質(zhì)剖面（新建鄭萬高鐵云陽境內(nèi)剖面）

新建鄭萬高鐵云陽境內(nèi)地層剖面分析：（1）黃綠色厚層中粒石膏膠結的巖屑亞長石砂巖，間夾薄層粉砂巖。剖面之西約2km 于本層頂部見紫紅色、灰色葉肢介頁巖。（2）紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖，夾灰色薄至中厚層泥質(zhì)長石巖屑石英粉砂巖，泥巖含鈣質(zhì)砂質(zhì)結核。（3）灰綠色厚層中粒水云母膠結的亞巖屑長石砂巖。沿走向砂巖厚度變化較大。（4）紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖，夾灰綠色中至厚層中粒巖屑亞長石砂巖及泥質(zhì)石英粉砂巖，砂巖多呈透鏡狀產(chǎn)出。泥巖中含鈣質(zhì)砂質(zhì)結核。（5）紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖，夫灰綠色簿至中厚層細粒巖屑亞長石砂巖，含泥礫，沿走向不穩(wěn)定，泥巖含鈣質(zhì)砂質(zhì)結核。（6）紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，夾灰綠色薄層、中厚層水云母膠結細粒長石巖屑石英砂巖。局部見灰綠色頁巖。（7）黃灰色厚層細至中粒綠泥石膠結的巖屑亞長石砂巖及水云母膠結的巖屑亞長石砂巖，結構疏松，易風化呈粉末狀。

通過標準地質(zhì)剖面分析：兩組地層巖性均已紫紅色泥巖為主，夾層雜亂，但是在分布的夾層中，（T2b2）地層的黏土巖成分較多，侏羅系（J）紅層很少或幾乎沒有[3]。

4.2 膨脹性指標的對比分析

鄭萬高鐵開挖過程中，通過對（T2b2）地層及侏羅系（J）紅層地層進行多組取樣進行膨脹性指標分析，并對試驗指標與膨脹巖的分級指標進行統(tǒng)計對比，詳見表2 和表3。

表2 取樣試驗統(tǒng)計分析

表3 膨脹巖的分級指標

依據(jù)試驗結論得知：鄭萬高鐵重慶段（T2b2）地層與侏羅系（J）紅層地層的膨脹性指標幾乎一致，均達不到膨脹巖的標準，只有在特定條件下，才具有一定的弱膨脹性，所以，其膨脹性對隧道工程的影響程度一致，無任何一方有明顯趨勢。

4.3 隧道開挖過程中地下水發(fā)育程度與地質(zhì)病害的對比分析

鄭萬高鐵（重慶段）隧道總數(shù)25.5 座（其中，0.5 座與湖北省界交界），其中有11.5 座隧道洞身穿越巴東組二段地層的泥巖夾砂巖，15 座隧道洞身穿越侏羅系紅層的泥巖夾砂巖。且施工已經(jīng)全面開挖，通過對所有隧道的穿越的地層巖性及地下水發(fā)育情況、病害情況進行統(tǒng)計，得出表4 中的數(shù)據(jù)。

依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)：巴東組二段（T2b2）地層地下水發(fā)育比例高于侏羅系（J）紅層地層，且導致的地質(zhì)病害遠前者也遠高于后者，說明在同等巖性情況下，巴東組二段（T2b2）地層的工程地質(zhì)條件差于侏羅系（J）紅層，因此，其圍巖分級與設計措施應適時優(yōu)化與加強。

表4 （T2b2）地層與（J）地層地下水發(fā)育情況與隧道病害情況一覽表

4.4 對比分析結論

通過對鄭萬高鐵（重慶段）隧道開挖穿越巴東組二段（T2b2）地層與侏羅系（J）紅層開挖后的各類情況進行對比分析后，可知：

1）巴東組二段（T2b2）地層中的泥巖較侏羅系（J）紅層泥巖在一般條件下均不具有膨脹性，該類特性在這2 套地層中對隧道圍巖的影響情況一致；

2）巴東組二段（T2b2）地層中的泥巖較侏羅系（J）紅層泥巖隔水性差，透水能力強，致使其該層地下水也相對發(fā)育；

3）由于巴東組二段（T2b2）地層中的夾層中有大量的黏土巖成分，該類巖體的水敏性極強，因此，在地下水發(fā)育區(qū)段，隧道圍巖的工程地質(zhì)條件惡化周期段，波動劇烈，致使隧道極易變形、侵線。

5 結論及建議

經(jīng)以上分析與研究，得出以下結論和建議：

1）鄭萬線（重慶段）巴東組二段（T2b2）泥巖在一般情況下較侏羅系（J）紅層泥巖的工程地質(zhì)條件差，主要表現(xiàn)為地下水發(fā)育，且?guī)r體水敏性強，致使隧道圍巖地質(zhì)病害在該類地層尤其突出。

2）建議后期鐵路在勘察設計期間遇到巴東組二段（T2b2）地層時，慎重考慮地下水的含量及圍巖等級劃分；施工期間，該層遇到地下水發(fā)育時，必須及時排水且加強圍巖的支護措施，防治變形破壞。