成都地鐵石膏質巖環境水水化學特征分析

中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031

1 工程概述

灌口組（K2g）廣泛分布于成都市區、東部臺地、南部蘇碼頭背斜兩翼，在地鐵建設過程中，地下結構部分圍巖位于灌口組（K2g）棕紅色泥巖夾泥質粉砂巖中。石膏質巖具有溶蝕特性，部分地段溶蝕孔洞發育，孔徑為1～2cm，呈蜂窩狀，溶蝕后其環境水中富含硫酸鹽，對混凝土具有較強的腐蝕性，導致混凝土劣化，需要經過勘察查明環境水的腐蝕性。

2 石膏質巖溶蝕及不同工況條件下的水化學特征

石膏質巖泛指含有石膏或硬石膏的巖體，硬石膏水化生成石膏，石膏在一定的條件下脫水又能生成硬石膏。在自然界中，由于地質環境的演化，在石膏或硬石膏生成后，又經歷了地質及水文環境的變化，在一定的地質環境下兩種礦物水化、脫水而相互轉換，常以過渡型巖石存在。石膏在128℃下失去1個分子結晶水，在163℃下失去2個分子結晶水。石膏質巖溶蝕是溶解與結晶的動態平衡過程，溶液中存在的硫酸根離子會抑制石膏質巖的溶解作用，宏觀上表現為溶蝕速率的降低和溶蝕量的減少。

根據相關研究成果，石膏質巖屬于中溶鹽，溶蝕主要受水溶液性質、水動力條件、溫度、壓力等因素制約。在酸性溶液中溶蝕最快，在天然水中次之，在鹽溶液中溶蝕最小。當巖體中水循環較弱時，石膏質巖處于靜態溶蝕環境中。滲流通道的不發達，使溶蝕后地下水不能及時滲走，使水溶液溶解離子接近飽和狀態；當巖體中水循環較強烈時，石膏質巖處于動態溶蝕環境中，溶蝕迅速，其溶解度在38℃時最大，約2.11g/L，隨著溫度的升高或降低，溶解度逐漸降低，其溶解度隨溫度的變化情況如表1所示。

表1 石膏的溶解度隨溫度的變化情況

根據溶解度可間接求得石膏質巖環境水中SO42-的濃度，其計算公式如下：

式中：ρ液為溶液液體密度，取1g/cm3；的摩爾質量；M石膏或硬石膏為石膏或硬石膏的摩爾質量。

根據式（1），求解出不同工況條件下石膏質巖環境水中理論溶蝕產生的SO42-濃度如下。

（1）工況一：如果石膏質巖均為二水石膏時，按最大溶解度2.11g/L計算，由溶蝕產生的SO42-濃度為1153mg/L；如果石膏質巖石均為硬石膏時，按最大溶解度計算，由溶蝕產生的SO42-濃度為1315mg/L。推導出，在最大溶解度條件下，地下水中溶蝕產生的SO42-濃度為1153～1315mg/L。

（2）工況二：成都地區多年平均氣溫為15～16℃，石膏質巖相應溶解度為1.99g/L，推導出，地下水中石膏質巖溶蝕產生的SO42-濃度為1087～1240mg/L。除了理論推導計算，在勘察過程中，還通過收集、取樣在室內測試了大量石膏質巖環境水中SO42-濃度。

（3）工況三：根據吳銀亮[1]在室內對石膏質巖粉末最大溶出離子濃度研究，在雨水中，石膏質巖溶蝕產生的SO42-濃度最大為1530mg/L，而雨水之所以更容易使石膏溶出SO42-，是因為雨水含有一定量的碳酸氫根及游離CO2，在弱酸性條件下，有利于石膏的溶蝕。

（4）工況四：成都地鐵9號線勘察期間，將含大量石膏質巖塊放入蒸餾水中進行100d的浸泡試驗，產生的SO2-4濃度最大為1430mg/L。

（5）工況五：將工況四中的巖塊磨成粉末，再進行100d浸泡試驗，產生的SO42-濃度最大為1507mg/L。

（6）工況六：成都地鐵9號線勘察期間，選一個含大量石膏質鉆孔，取不同穩定時間的基巖裂隙水，來模擬地下工程修建后，環境水中SO42-濃度隨時間的變化規律。取樣時間分別為24h、3d、30d、60d、90d，檢測基巖裂隙水SO42-濃度最大為198.60mg/L。

在以上各工況條件下，石膏質巖溶解試驗匯總表如表2所示。

表2 石膏質巖溶解試驗匯總表 單位：mg/L

3 成都地區石膏質巖的溶蝕特征

影響石膏質巖溶出的環境因素很多，也非常復雜，溶蝕一般受地質構造、石膏質巖的埋深、地下水補給、季節、地鐵運營等因素的影響。成都地區整體構造不發育，泥巖完整性較好，在9號線一期、17號線二期、30號線一期勘察過程中發現，灌口組（K2g）石膏質泥巖中基本沒有溶蝕現象，僅于錦江、府河、南河附近二級階地過渡處零星可見溶蝕孔洞，呈蜂窩狀。在階地過渡段上，地形存在躍變陡坎，在地質歷史時期，河床下切，為區域侵蝕基準面，兩側階地地下水向河流排泄，其水力坡度大，滲流速度快，徑流條件好，引起石膏質巖的溶蝕，其溶解量、溶解速度增加，伴隨化學溶蝕作用，還發生機械掏蝕作用，故在這些地段溶蝕發育。

地鐵修建完成后，施工注漿封堵，完整泥巖巖體中水循環整體較弱，滲流空間狹小，滲流速度近乎停滯，石膏質巖基本處于靜態溶蝕平衡狀態，水溶液主要產生浸泡溶解，近于飽和。當水溶液中硫酸鹽與水泥中水化鋁酸四鈣進行接觸，發生反應，將產生鈣礬石、石膏結晶體，反應速度快，產生的結晶物質難以被立即搬運走，而是充填本就狹小的滲流空間，導致地下水與結構接觸機會降低，從而弱化了硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用[2]。

在地形起伏較大的階地陡緩交界處、斜坡地段，有利的地形高差，地下水將發生滲流，產生水頭差，滲流發育，速度快，石膏質巖溶蝕符合動態溶蝕特征。地下水沒有足夠的反應時間對石膏產生溶解作用，雖然滲流的水溶液量很大，但單位體積溶液內的石膏溶解量很小。在這種條件下，石膏質巖溶蝕是機械潛蝕與化學溶解之和，更容易發生機械潛蝕作用，產生大量的溶蝕通道。可以看出，在循環交替強烈地帶，水溶液中硫酸鹽濃度難以達到飽和狀態，硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用被弱化，這一現象也在勘察中得到證實。

成都地鐵9號線勘察期間，在滲流交替強烈的錦江一級階地鉆孔中取不同穩定時間段水樣（工況六），發現隨時間延長，鉆孔水中SO42-濃度遞增，但最大離子濃度降低。

4 不同規范、工況條件下腐蝕性判定

在勘察過程中，常采用《混凝土結構耐久性設計規范》（GB/T 50476—2019）（以下簡稱“國標”）、《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》（TB 10005—2010）（以下簡稱“鐵規”）、《巖土工程勘察規范（2009版）》（GB 50021—2001）等規范對地下水腐蝕性進行分析，與SO42-判定相關的判定標準，如表3所示。將上文各工況條件下獲得的SO42-數值按不同規范進行腐蝕性判定，結論如表4所示。

表3 各規范腐蝕性判定中與SO42-判定相關標準值

表4 不同SO42-數值根據不同規范進行的腐蝕性判定結論

5 地鐵勘察中石膏質巖環境水化學特征建議

根據上述分析，建議在成都地區地鐵勘察中，當地下結構位于含石膏質巖石地下水位以下時，石膏質巖環境水對混凝土結構的腐蝕性等級宜適當降低[3]。當石膏質含量較低，零星可見時，不考慮基巖裂隙水對混凝土結構的腐蝕性；在石膏含量較高地段，基巖裂隙水對混凝土結構腐蝕性等級建議按弱考慮，即國標按V-C考慮，鐵規按H1、Y2考慮，原因如下。

（1）在地鐵設計中，基本采用國標對地下水環境作用等級進行判定，該規范與鐵規相比具有更高的混凝土強度等級。在地鐵設計使用年限為100年的條件下，國標V-C、V-D采取的混凝土強度等級基本一致。在成都地區類似地層中，采用鐵規設計的高鐵、普速鐵路，尚未發生石膏質圍巖溶出SO42-離子對混凝土產生嚴重侵蝕作用的工程實例[4]。

（2）地鐵修建后，均對石膏質圍巖滲流通道進行封閉，且主體結構與環境水之間存在充填層，地下主體結構難以與環境水直接接觸，即使接觸，根據國標第7.2.1條說明，巖體中的硫酸鹽對混凝土的腐蝕作用需要通過溶于巖體中的基巖裂隙水來實現，成都地區石膏質巖多為泥巖，屬于弱透水層，基巖裂隙水少，流動困難，地下水與石膏接觸表面積小，靠近混凝土表面的化學腐蝕物質與混凝土發生化學作用后被消耗，得不到充分的補充，腐蝕作用有限[5]。

（3）根據室內研究，巖體周邊無論滲流速度大小，無論溶蝕符合靜態溶蝕特征還是動態溶蝕特征，硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用均被弱化，環境水中硫酸根離子濃度難以達到飽和[6]。

（4）在地鐵建設中，地下結構多為大體積混凝土結構，對防滲要求高，受混凝土凝固水化熱影響，提高混凝土標高，更容易開裂，施工質量難以控制。完整的地下結構僅外表面與水溶液接觸，接觸面小，腐蝕有限，短期內對內部結構無影響。開裂后，地下水將直接進入結構內部，與水接觸的面積更大，主體結構更容易被侵蝕，相比腐蝕性，結構的防滲、降低環境水與混凝土的接觸面大小、減緩溶蝕速率都更加重要[7]。

（5）環境水與混凝土發生反應，該過程析出鈣礬石和石膏晶體，體積膨脹，對滲流通道具有封堵作用，SO42-延緩了基巖裂隙水的流動，限制了地下水與結構的接觸，弱化了其腐蝕性。

6 結束語

（1）石膏質巖屬于中溶鹽，溶蝕受多種因素制約，根據理論推導及室內理想浸泡環境SO42-數據，按《混凝土結構耐久性設計規范》（GB/T 50476—2019）判定，地下水環境作用等級為V-C～V-D。

（2）在自然狀態下，石膏質巖基巖裂隙水不發育，加之施工對滲流通道封閉，環境水與混凝土發生化學作用后被消耗，得不到充分補充，不管是處于靜態還是動態溶蝕平衡狀態，腐蝕性均被弱化，建議勘察中適當降低其腐蝕性等級。

（3）在勘察過程中，石膏質巖環境水根據傳統取鉆孔水進行檢測化驗，因溶蝕速率低，受上層環境水混合影響，腐蝕性一般偏低，不利于工程安全，應結合巖塊浸泡試驗綜合確定腐蝕性。

（4）根據區域地質資料，灌口組（K2g）泥巖通常含鈣芒硝，成都地區地鐵水化學特征勘察重點是查明泥巖中是否含芒硝，芒硝為易溶鹽，芒硝的存在，將極大地影響地下水的腐蝕性等級。在勘察過程中，可通過巖芯風化鑒定是否起霜，根據環境水的味道來初判是否含有芒硝，具體可結合礦物分析來判定。如果存在芒硝，應根據浸泡試驗判定腐蝕性。