川中紅層地區高速鐵路深路塹基底上拱地段鉆孔餅狀巖芯發現及變形機理分析

摘要：以成自高鐵球溪站深挖路塹工點為研究對象，結合球溪站工程地質特征，區域構造特征，地應力測試結果及勘探過程中餅狀巖芯的發現，根據對鉆孔餅狀巖芯變形機理進行分析，為高速鐵路深挖路塹基底上拱病害研究提供理論支持。

關鍵詞：高速鐵路； 深挖路塹； 基底上拱； 餅狀巖芯； 變形機理

中國分類號：U213.1+4A

［定稿日期］2022-12-07

［作者簡介］劉毅（1978—），男，碩士，高級工程師，從事工程地質方面的工作。

0 引言

伴隨著我國西部大開發戰略的實施，西南山區也修建了多條高速鐵路。在西南山區修建鐵路，由于其地形起伏、高差較大等特征，為了滿足高速鐵路軌道平順度要求，深挖路塹、隧道工程占有很大的比重。近年來，多條在西南山區修建的無砟軌道高速鐵路，由于其復雜的地質條件，建設或運營期均發生了一些新的工程地質問題，其中紅層緩傾深挖路塹基底上拱隆起變形破壞較為突出。

紅層是一種以褐紅色、磚紅色、紫紅色等紅色為主色調的陸相碎屑沉積巖地層，西南地區分布廣泛，其中四川盆地及其周邊山地分布的紅層泥巖、砂泥巖、砂巖俗稱“川中紅層”，是一種典型的軟質巖，具有強度低、易風化剝落、遇水易軟化、遇水膨脹崩解、失水收縮開裂等工程特性，工程地質條件差，普遍存在一定的膨脹性和顯著的流變性［1-2］。

川中紅層地區較早建成通車的無砟軌道成渝客運專線內江北站深挖路塹地段，低山丘陵地貌，下伏基巖為侏羅系中統上沙溪廟組（J2s）泥巖夾砂巖，質軟，近水平巖層，中心最大挖深約47 m。自2015年4月軌道精調及動態驗收后，車站內3段落持續不斷發生基底上拱變形破壞，至2018年2月，約3年時間，累積最大上拱總量約40 mm，是川中紅層地區深挖路塹基底上拱變形破壞典型工點。

另外，2017年11月建成通車的西成客專K482+100-K482+200段深挖路塹，低山丘陵地貌，下伏基巖侏羅系中統上沙溪廟組（J2s）泥巖夾砂巖，最大挖深約26 m，通車運營后也發生了基底上拱變形病害。

高速鐵路無砟軌道，工后沉降要求嚴格。深挖路塹基底上拱變形破壞，影響了無砟軌道高速列車運營安全，降低了運營效益。本文通過對無砟軌道成自高鐵球溪站深挖路塹工點工程地質特性，區域地質特征，地應力測試結果及勘探過程中餅狀巖芯的發現，分析研究緩傾軟巖深挖路塹基底上拱變形破壞機理、影響因素，為川中紅層緩傾軟巖深挖路塹基底上拱病害研究提供理論支持。

1 深挖路塹基底上拱成因研究現狀

目前，通過對成渝客專內江北站基底上拱變形破壞段落的研究，對基底上拱病害的成因分析主要有幾種觀點。

一種觀點認為，強卸荷帶引起的裂隙擴展以及基巖裂隙水通道的工程再造，形成新的水分入滲和運移環境，為基底弱風化泥巖膨脹變形的發揮提供了充分必要條件。地下水循環反復作用下，泥巖膨脹作用下為地基上拱變形的主要原因。另一種觀點認為，深路塹開挖后引起地應力場變化、調整，路塹基底水平應力顯著增大。基底具有顯著流變性的低強度緩傾泥巖，加之地下水和水汽的耦合作用下，出現了低應力作用下的長期蠕變為主的上拱變形，是引起基底長期上拱變形的主要原因，而淺層泥巖的膨脹變形是引起路基上拱變形的次要原因［3-5］。

西南交通大學程謙恭教授研究認為，川中紅層發生基底上拱病害，主要原因是水平地應力場的影響。

2 成自高鐵球溪車站深路塹工程地質概況

新建成都至自貢高速鐵路全長175.741 km，雙線，設計時速350 km/h，北起成都東站，經成都天府站，資陽西、球溪、威遠，終點接擬建川南城際鐵路自貢東站。球溪站為全線挖深、挖寬最大的深挖路塹車站工點。區域地質特性、工程地質特征與成渝客專內江北站大致相同。為了查清其工程地質特性，盡量避免基底上拱變形破壞，保證鐵路運營安全。勘測期間開展了大量地質鉆探、取樣、地應力測試及室內試驗等勘察手段。

擬建的球溪站位于四川省資中縣球溪鎮附近。球溪車站位于線路DK111+600～DK113+000里程處，全長1 400 m，中心最大挖深約36 m（圖1）。

車站設有50 m×35 m AT所、60 m×40 m配電所以及130 m×50 m主站房，并于DK112+430設有一處涵洞，車站中心里程DK112+308，建筑群結構設計主要包括主站房及左右兩側雨棚及配套功能性用房等。站房主體工程為線側平式站房，矩形平面；長約140 m，寬約50 m。地上1層及夾層為辦公、宿舍及四電房屋；地上2層中部為候車廳，兩側帶夾層為辦公、宿舍及旅客服務等功能用房。結構形式為框架結構（圖2）。

2.1 地形地貌

成自高鐵球溪站資中縣球溪鎮附近，屬川中丘陵地貌區，多為渾圓狀緩丘，自然斜坡坡度5°～30°，丘間多為寬緩溝槽，地面高程368～410 m，相對高差約5～20 m，地形起伏較大，線路附近村莊民房零星分布。

2.2 地質構造

球溪站區域上位于揚子準地臺之川中丘陵區塊體，相對隆起，地表廣泛出露侏羅系（J）基巖，構造形跡微弱，無明顯線性構造，多為鼻狀背斜、短軸背斜等低平穹狀構造。

本區域龍門山構造帶附近受由W或NW向E或SE方向的推擠，華鎣山構造帶受由SE向NW方向的推擠，導致上部地殼層沿軟弱塑性層擠壓、滑脫，逐漸在龍門山構造帶附近形成眾多推覆構造。喜山期早期，先是南北向水平擠壓生成東西向構造，后是東西向水平擠壓應力使華鎣山大斷裂復活并發生順時針扭動，形成帚狀褶皺束及半環狀構造（圖3）。

結合區域地質構造特征分析，主要受龍門山推覆構造及喜山后期東西向水平擠壓影響，該區域具有一定水平地應力作用，主要構造應力場方向為北西向。

2.3 地層巖性

段內地表上覆第四系全新統坡洪積（Q4dl+pl）軟黏土、松軟土、粉質黏土、坡殘積層（Q4dl+el）粉質黏土；下伏基巖為侏羅系中統下沙溪廟組（J2xs）、上沙溪廟組下段（J2s1）砂巖夾泥巖，下覆基巖為侏羅系中統上沙溪廟組下段（J2s1）砂巖夾泥巖，巖層產狀為N25°～50°E /1°～2°NW，節理較發育，表層巖體風化破碎，2組主要節理產狀為N30°W/⊥、N50°W/⊥，地層巖性分述（圖4）。

（1）軟黏土（Q4dl+pl）：褐黃色，軟塑狀，土質較純，黏性一般。呈層狀分布溝槽內，厚0～8 m。

（2）松軟土（粉質黏土）（Q4dl+pl）：褐黃色、褐色、灰色，軟塑狀，土質較純，黏性較強。呈層狀及透鏡狀分布于橋址區低洼溝槽內，具體分布段落詳見軟土、松軟土分布特征表。據現場調繪、鉆探揭露厚度0～3 m。

（3）粉質黏土（Q4dl+pl）：褐黃、棕紅色，硬塑狀，土質較純，黏性一般。呈層狀分布于溝槽底表層，厚0～6 m。

（4）粉質黏土（Q4dl+el）：褐黃色，硬塑狀，含少量砂泥巖質碎石角礫。分布于測區丘包地表上，雨季隨降雨入滲影響，溝槽地段硬度可能隨之降低，厚0～3 m。

（5）砂巖夾泥巖（J2s1）：測區基巖，泥巖呈紫紅、灰褐色，泥質結構，厚層狀為主，主要以黏土礦物組成，易風化剝落，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性；砂巖呈青灰、棕黃色，粉砂質結構，泥鈣質膠結，中厚層狀，節理較發育。表層全風化帶（W4）呈土狀，厚0～4.5 m；強風化帶（W3）厚1.5～21 m不等，節理發育，巖體破碎，質較軟，存在差異風化現象，局部夾弱風化條帶；以下屬弱風化帶（W2）。

（6）砂巖夾泥巖（J2xs）：測區基巖，泥巖呈紫紅、灰褐色，泥質結構，厚層狀為主，主要以黏土礦物組成，易風化剝落，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性；砂巖呈青灰、棕黃色，粉砂質結構，泥鈣質膠結，中厚層狀，節理較發育。表層全風化帶（W4）呈土狀，厚0～4 m；強風化帶（W3）厚8～9 m，節理發育，巖體破碎，質較軟，存在差異風化現象，局部夾弱風化條帶；以下屬弱風化帶（W2）。

2.4 氣象水文條件

測區屬亞熱帶濕潤季風氣候。受盆地和該地自然環境的影響，具有氣候溫和、降雨量豐富、光熱充足、無霜期長的特點。冬暖夏熱，雨量適中。平均溫度15～28 ℃，一月均溫6～8 ℃，七月均溫26～28 ℃，最高氣溫可達41 ℃，最低氣溫-5.4 ℃。熱量資源比較豐富，常年平均太陽總輻射為89.6 kal/cm2，年總日照時數1 100～1 300 h，無霜期達330天。全年有霜日數一般為4～8天。災害性天氣以旱為主，旱洪交錯出現；春夏秋冬，低溫、風、暴雨時有發生，綿雨顯著。全年氣溫有明顯的冬干春旱現象，同時，夏旱伏旱的現象也時有發生。歷史上有“十年一大旱，五年一小旱，三年兩頭旱，插花干旱年年現”之說。年相對濕度在80%左右。年降雨量1 000 mm左右，多分布在夏季，約占全年雨量的60%，高溫期與多雨季節基本一致，春季約占17%，冬季僅占4%。

測區地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水，地下水位埋深3～5 m，局部陡坎地段埋深大于10 m，地下水位受季節變化影響較大。第四系孔隙潛水主要賦存于第四系松散土層中，主要受大氣降水補給，下滲排泄。基巖裂隙水主要分布于基巖及風化層裂隙中，受孔隙水及大氣降水補給，向低洼處排泄。根據對水樣C17成自水153的水質分析，水質類型為HCO3- -Ca2+. Na+ 型水。據TB 10005-2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》，建議段內地下水對混凝土結構具硫酸鹽侵蝕等級H1，鹽類結晶破壞侵蝕等級Y1考慮。

3 成自高鐵球溪車站地質勘探工作

為查明該場區勘察深度范圍內的工程地質條件、巖性特征、分布規律、場地地基的均勻性、穩定性，并提供各土層物理力學性能指標。滿足本工程施工圖設計要求，保證結構質量和安全，勘探過程中采用了地質調查、鉆探、取樣、實驗及地應力測試等多種綜合勘探手段 。

3.1 鉆探工作情況分析

針對本工程場地的具體地層性質，按照相關規范的有關規定，本次勘探工作共布置47個鉆孔，其中一般性鉆孔27孔，控制性鉆孔20孔。鉆探采用機械回旋鉆進工藝，一般性鉆孔僅開展取芯、巖性鑒別工作，控制性鉆孔另需進行取樣及原位測試等工作。

鉆孔勘探深度應滿足地基變形計算深度的要求，還應滿足地基承載力和軟弱下臥層驗算、支護體系、工程降水、抗浮的設計及對某些不良地質作用追索等的要求。控制性鉆孔的深度為在理論計算深度范圍內若遇中風化砂泥巖，則進入中風化砂泥巖內不小于4.00 m。根據現場鉆探揭露的地層結構結合建筑物的性質，本次勘察實際鉆孔及引用鉆孔深度為15.00～35.00 m。

本次共完成鉆探41孔/953.7 m，其中一般性鉆孔21孔/437.3 m，控制性鉆孔20孔/516.4 m，取土樣7組、水樣6組、巖樣63組，并開展了1個鉆孔6個測段的水壓致裂地應力測試。

經過鉆探巖芯鑒定，區域內主要以泥巖、砂巖互層為主。泥巖呈紫紅、灰褐色，泥質結構，厚層狀為主，主要以黏土礦物組成，巖芯較完整，節長5～50 cm不等。砂巖呈青灰、棕黃色，粉砂質結構，泥鈣質膠結，中厚層狀，主要為細粒長石石英砂巖，鈣泥質膠結，巖芯完整，節長10～80 cm之間（圖5） 。

根據取樣試驗結果統計，測區泥巖天然抗壓強度為4.17～14.80 MPa，標準值為8.268 MPa，飽和抗壓強度為2.54～14.40 MPa，標準值為5.617 MPa；砂巖天然抗壓強度為3.20～31.30 MPa，標準值為11.397 MPa，飽和抗壓強度為2.41～24. 0 MPa，標準值為8.583 MPa。

3.2 水壓致裂地應力測試結果

勘察過程中，采用水壓致裂法，對BDZ-QQZ-KY-01號鉆孔開展了地應力測試工作。

BDZ-QQZ-KY-01孔在30～80 m深度間獲得6個測段的水壓致裂地應力測量結果，測段的深度分別為35.20～35.80 m 、44.10～44.70 m、50.00～50.60 m、61.10～61.70 m、65.22～65.82 m和74.10～74.70 m，各個測試段均具有破裂壓力，測量結果見表1。選取具有較明顯破裂壓力的61.10～61.70 m、65.22～65.82 m的2個測段進行印模測量，根據印模結果（圖6）所示，測量得到最大水平主應力（σH）方向由淺至深分別為N35°W、N41°W，可見DZ-QQZ-KY-01孔最大水平主應力的優勢方向在N38°W左右。

根據BDZ-QQZ-KY-01孔3個主應力值的測試結果，繪制主應力值隨孔深的分布圖（圖7）。可以看出，各主應力值大致隨孔深增加而增大，在測量深度域內，應力測值隨深度變化較有規律，無突然增大或變小的異常應力測值，因此測孔附近應力場分布較為均衡。在測量深度域內，3個主應力之間的大小關系為σHgt;σhgt;σV，表明測孔附近以水平應力作用為主的特征，最大主應力σH隨深度增加而增大。

3.3 餅狀巖芯的發現

成自線球溪站站場地質勘探過程中，在PDZ-12-31、PDZ-12-48、PDZ-12-49、PDZ-12-56、PDZ-12-59、PDZ-12-61、PDZ-12-84、BDZ-QQZ-KY-01 等多個鉆孔，發現部分鉆孔巖芯不同程度的裂成餅狀（圖8）。餅狀巖芯多發生在高地應力，硬質巖。川中紅層軟巖鉆探過程中發現巖芯餅裂還未見相關報道。分析川中紅層巖芯餅裂變形機理，進一步說明區域本身具有的水平地應力是主應力強度應力比相對較高的緩傾軟巖深路塹基底上拱變形破壞的主要原因。

餅狀巖芯主要在地質補充勘察階段大量的發現。餅狀巖芯主要出現在368～372 m標高附近，埋深6～10 m不等，且大部分位于原始邊坡坡腳處。餅狀巖芯主要發生在砂巖地層，青灰色，泥質膠結，中厚層狀結構（圖9）。

4 鉆探巖芯餅狀變形機理及重大工程意義

4.1 餅狀巖芯的機理

天然狀態下，巖體處于穩定狀態，巖體內部應力呈均衡狀態σ1=σ2=σ3（圖10）。鉆出的巖芯由于差異回彈而內部產生殘余剪應力τ［6］。在勘察鉆探過程中，鉆頭切割巖體時，巖芯應力場環境發生了迅速變化，巖芯內產生應力失穩現象。在應力σ2、σ3的作用下，將向上釋放儲存的能量，從而導致巖芯內部結構呈水平方向張裂。隨著巖芯逐步卸荷，應力σ2和σ3也逐漸釋放能量，因而形成發育的水平裂隙，巖芯餅化。只有水平應力大于垂直應力應力場環境下，鉆孔中才出現“餅狀”巖芯。因此“餅狀”巖芯是證明巖土體內部含有水平地應力的最好證據。

4.2 鉆探餅狀巖芯變形的重大意義

根據地應力測試，球溪站區域在測量深度域內，應力測值隨深度變化較有規律，測孔附近應力場分布較為均衡，測孔附近以水平應力作用為主。

球溪站地質補勘階段，餅狀巖芯的發現，更加有力地說明了，川中紅層地區龍泉山構造帶與華鎣山構造帶之間的區域，水平應力大于垂直應力，最大主應力以水平應力作用為主。最大主應力以水平應力作用為主，緩傾軟質巖深挖路塹工點，開挖卸荷回彈后，巖體內部產生應力失穩，在應力σ2，σ3的作用下，將向上釋放儲存的能量，誘發基底上拱變形破壞。

5 結束語

本文通過對成自高鐵球溪站深挖路塹工點，勘察階段餅狀巖芯出現的機理進行了初步的研究分析，進一步證明了區域的水平地應力及二次應力調整影響，是川中紅層軟巖發生基底上拱的主要原因，卸荷回彈及長期蠕變為基底上拱的次要原因。其基本原理為：川中紅層龍泉山構造帶與華鎣山構造帶之間的區域，最大主應力以水平應力作用為主。該區域巖質軟，受周邊構造地應力場影響，巖土體中主應力強度應力比相對較高，深路塹開挖后引起應力場二次調整，路基基底水平應力顯著增大，低強度基巖垂直變形顯著，出現了低應力作用下的軟質巖基底上拱變形病害。

參考文獻

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