某鐵路隧道石膏巖工程地質(zhì)特性及對策措施研究

甘光元

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鐵路隧道工程建設(shè)速度加快，硬石膏導(dǎo)致的不良工程地質(zhì)問題日益增多，引起了廣泛重視。劉艷敏[1]通過試驗(yàn)手段，對硬石膏進(jìn)行了膨脹性、腐蝕性定量分析，提出了硬石膏對隧道結(jié)構(gòu)的危害機(jī)制。祝艷波、李剛等[2-3]開展了隧道石膏質(zhì)圍巖溶蝕特性研究，分析了動態(tài)水環(huán)境、水流速、水溶液性質(zhì)、酸堿度、水溫等與溶蝕率的相關(guān)性。陳釩[4]通過分析禮讓隧道水文地質(zhì)特征，提出了針對性的防排水措施。王超[5]研究了不同水壓條件下石膏的膨脹力及強(qiáng)度變化，從而模擬巖溶環(huán)境中石膏圍巖強(qiáng)度的特性。許崇幫[6]根據(jù)實(shí)際案例，歸納了已建成石膏區(qū)隧道病害特征，分析了誘因并提出了處置措施。趙國軍[7]通過數(shù)值模擬，對石膏區(qū)隧道開展圍巖變形影響分析和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析，進(jìn)而提出適合的施工工法。

本文通過分析芒康山隧道石膏巖分布特征，結(jié)合工程、水文地質(zhì)條件，總結(jié)以往工程經(jīng)驗(yàn)，提出隧道設(shè)計方案及防排水措施，確保隧道施工及運(yùn)營的順利進(jìn)行。

1 工程概況

芒康山隧道所在鐵路橫穿以三江并流為代表的橫斷山脈，沿線山高谷深，地層巖性復(fù)雜多變、地形切割破碎，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂褶皺發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動活躍，地震活動強(qiáng)烈，氣候惡劣復(fù)雜[8-10]。曾被國內(nèi)外專家稱為鐵路修建的“禁區(qū)”[11]。

芒康山隧道是地質(zhì)最復(fù)雜的控制性工程之一，主要工程地質(zhì)概況為斷層破碎帶、高地溫、軟巖大變形、特殊巖土(石膏)、有害氣體、瓦斯、高地震烈度等。隧道全長30 km，最大埋深約 1 180 m。隧道洞身為人字坡，左右線分修，預(yù)設(shè)1個貫通平導(dǎo)及 6個輔助坑道。

特殊巖土(石膏)段落施工進(jìn)度是影響芒康山隧道施工進(jìn)度控制性因素之一，因此，石膏層的研究尤為重要。

2 工程地質(zhì)概況

2.1 地層概況

芒康山隧道洞身主要巖性為侏羅系、三疊系砂巖、泥巖、頁巖、灰?guī)r、白云巖，洞身中部出露三疊系上統(tǒng)波里拉組(T3b)灰?guī)r、白云巖，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)報告、地表調(diào)繪及鉆探揭示，波里拉組地層含石膏。

波里拉組(T3b)灰?guī)r呈灰色、灰白色，致密構(gòu)造，薄～厚層狀構(gòu)造，溶蝕較發(fā)育，節(jié)理發(fā)育。白云巖呈灰白色，致密結(jié)構(gòu)，薄～中厚層裝構(gòu)造，溶蝕較發(fā)育。石膏為細(xì)晶結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，其晶體透明無色，巖芯灰白色為主，主要成分為硫酸鈣，混有白云石及雜質(zhì)，質(zhì)軟。

2.2 水文地質(zhì)

隧址區(qū)地下水分第四系松散土類孔隙水、碎屑巖的基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水3個類型。第四系松散土類含水性和透水性不均一、差異大，是弱含水巖組，對隧道影響小；碎屑巖地層總體巖性主要以砂、泥巖互層，或泥頁巖夾砂巖為主，硬質(zhì)砂巖內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，連通性較差，且砂巖內(nèi)部裂隙多被兩側(cè)泥巖風(fēng)化殘余的泥質(zhì)充填，透水性較差，富水等級劃分為較弱和弱；碳酸鹽巖地層(含石膏)是上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)，該碳酸鹽巖地層構(gòu)成額艾頓背斜核部地層，并與額艾頓斷裂帶平行伴生，呈條帶狀NNW-SSE向延伸，受斷層影響，地下巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地下水十分豐富，下游有巖溶大泉出露，為強(qiáng)富水地層，隧道洞身約3.8 km 為含水巖組，全長，施工中面臨涌突水危險。

3 石膏巖分布特征

芒康山隧道3個深孔揭露石膏，均位于可溶巖地層中，以透鏡狀、夾層狀順層產(chǎn)出為主，局部與可溶巖混合沉積。其中1號鉆孔揭示14層共 254 m，最大層厚54 m；2號鉆孔揭示5層共107 m，最大層厚68 m；4號鉆孔揭示8層共363 m，最大層厚14 m。根據(jù)地層界線及構(gòu)造產(chǎn)狀，推測隧道洞身約有1.8 km位于石膏中。

石膏新鮮面呈白色、灰白色，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，巖芯多呈致密粒狀，少數(shù)呈纖維聚合狀，厚層狀、條帶狀構(gòu)造。代表性石膏樣本鑒定結(jié)果顯示，石膏含量>95%，余為白云石及雜質(zhì)(<1%)，該隧道石膏段落為共生組合，且以硬石膏為主。

4 石膏的危害

結(jié)合芒康山隧道所處的工程、水文地質(zhì)環(huán)境，總結(jié)石膏段可能出現(xiàn)的工程危害如下。

4.1 遇水膨脹性

硬石膏遇水發(fā)生水化作用，體積增大，表現(xiàn)出膨脹性。

芒康山隧道碎屑巖地層總體巖性主要以砂、泥巖互層，或泥頁巖夾砂巖為主，連通性、透水性較差，石膏層總體處于一個封閉且穩(wěn)定空間。隨著隧道開挖，石膏暴露大氣環(huán)境中，臨空面增加且圍巖應(yīng)力再分布，地下水徑流、排泄通道改變，隧道底部水流匯集。硬石膏長期處于流動水環(huán)境中，一方面因水分子進(jìn)入晶格空間表現(xiàn)出物理膨脹；另一方面因水化作用，硬石膏與水反應(yīng)生成生石膏，表現(xiàn)出化學(xué)膨脹性。隧道拱腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中，可導(dǎo)致底鼓、邊墻開裂、邊溝變形等問題的發(fā)生。

4.2 遇水軟化性

硬石膏遇水軟化，圍巖強(qiáng)度降低，在隧道頂部及邊墻可能出現(xiàn)溶蝕掏空現(xiàn)象，隧道底部可能出現(xiàn)土拱效應(yīng)，導(dǎo)致原有支護(hù)體系應(yīng)力改變，引起隧道底部失穩(wěn)下沉，隧道頂部松動垮塌，邊墻開裂，破壞襯砌結(jié)構(gòu)，影響其耐久性。

4.3 溶解腐蝕性

5 工程措施建議

5.1 防排水措施

通過以上分析可以看出，硬石膏對工程的危害主要是在水環(huán)境改變的情況下顯現(xiàn)出來的，因此，富含石膏段落防排水是保證工程安全的關(guān)鍵。隧道開挖不可避免會破壞水的徑流、排泄環(huán)境，需根據(jù)工程地質(zhì)環(huán)境制定針對性的防排水措施。

芒康山隧道石膏巖分布于可溶巖段落，水環(huán)境較差，涌突水風(fēng)險較大。隧道施工時應(yīng)做好本段落的防水封閉工作，降低地下水流動對石膏的影響，建議在石膏與可溶巖、可溶巖與砂泥巖接觸部位設(shè)置注漿阻水墻，阻隔彼此間的水聯(lián)動。由于石膏段落位于人字坡坡頂處，建議在石膏與可溶巖接觸兩端設(shè)置過水涵連接平導(dǎo)，石膏段落地下水通過平導(dǎo)排出。

5.2 隧道斷面設(shè)計

石膏膨脹會擠壓襯砌結(jié)構(gòu)，石膏軟化會導(dǎo)致應(yīng)力集中，加上石膏段落位于可溶巖區(qū)，水壓較大，隧道存在大變形的風(fēng)險。綜上考慮，建議石膏段落隧道斷面采用圓形斷面。

5.3 加強(qiáng)襯砌

石膏段落應(yīng)遵循“主動加固、優(yōu)化輪廓、強(qiáng)化支護(hù)、適時錨固、工法配合”的基本原則，針對不同等級的大變形地段采用對應(yīng)的預(yù)設(shè)計襯砌支護(hù)措施，根據(jù)圍巖揭示情況，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)、理論分析和工程類比綜合確定支護(hù)參數(shù)。支護(hù)過程中應(yīng)增加預(yù)留變形量，并及時封閉。

5.4 選用合適建材

石膏段建議選用C45及以上標(biāo)號混凝土，水泥采用抗硫酸鹽水泥，并添加抗裂防水添加劑。二襯混凝土建議摻用一級粉煤灰，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗侵蝕性。

6 結(jié)論

硬石膏強(qiáng)度較低，屬軟巖-極軟巖，遇水膨脹，擠壓襯砌結(jié)構(gòu)，影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性；遇水軟化，強(qiáng)度降低，變形增大，降低圍巖穩(wěn)定性；易溶蝕，溶蝕后溶出大量硫酸根離子于環(huán)境水中，長期侵蝕混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)，影響結(jié)構(gòu)的耐久性。石膏質(zhì)巖的不良工程特性將對隧道建設(shè)、運(yùn)營產(chǎn)生諸多不利影響，應(yīng)采取相應(yīng)的防治措施。

石膏巖質(zhì)隧道增大了設(shè)計和施工的難度，芒康山隧道石膏段落應(yīng)精心設(shè)計，超前謀劃，針對防排水、施工工法、襯砌強(qiáng)度、施工材料等進(jìn)行專門檢算設(shè)計，確保隧道施工及運(yùn)營的順利進(jìn)行。