白云巖層中硬石膏巖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)危害機(jī)制研究

劉艷敏，余宏明，汪 燦，王春磊

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074）

1 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)公路、鐵路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，硬石膏巖層對(duì)工程建設(shè)的危害不斷凸顯[1－2]，逐漸引起廣泛的重視。

國(guó)家重點(diǎn)公路工程杭蘭線宜巴段即穿切了大量的硬石膏巖層。2002年，原209國(guó)道十字埡隧道便在此建成通車，但是，隨后于2004年，該隧道發(fā)生了病害，路面開(kāi)裂、邊溝變形、襯砌支護(hù)垮塌，隧道滴水、漏水現(xiàn)象嚴(yán)重[3－4]。2009年，該工作區(qū)擬建涼水井、花櫟包等公路隧道工程，為確保工程順利進(jìn)行，預(yù)防、減少病害現(xiàn)象，本文主要結(jié)合該區(qū)域工程地質(zhì)情況，針對(duì)該區(qū)域出露的病害巖體——硬石膏巖進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)關(guān)于硬石膏巖的研究成果相對(duì)較少，早期多集中在膏巖成因及賦存規(guī)律研究，近幾年，部分學(xué)者針對(duì)膏巖溶蝕特性開(kāi)展過(guò)有針對(duì)性的研究，但成果多是在定性分析的基礎(chǔ)上[5]，而綜合其所在環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)定量分析的研究成果較少。本文主要以試驗(yàn)手段為依托，對(duì)工作區(qū)出露的硬石膏巖主要造巖礦物及其膨脹特性、腐蝕特性進(jìn)行了定量分析，并結(jié)合區(qū)域工程地質(zhì)情況及與硬石膏巖共生的白云巖層的水理性質(zhì)進(jìn)行研究，綜合分析其對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的危害機(jī)制，提出治理建議。

2 區(qū)域工程地質(zhì)概況

2.1 工程概況

國(guó)家重點(diǎn)公路工程杭（州）蘭（州）線宜（昌）巴（東）段位于三峽庫(kù)區(qū)腹地，跨越夷陵、興山和巴東3個(gè)縣區(qū)，全長(zhǎng)176.8 km，其中橋梁和隧道占線路總長(zhǎng)度的 50.1%。在花櫟包隧道設(shè)計(jì)線路ZK157+675～ZK157+692段，涼水井隧道設(shè)計(jì)線路ZK159+160～ZK159+620段，以及十字埡隧道ZK1718+238～ZK1718+319段等均發(fā)育有石膏質(zhì)巖，對(duì)該路段的橋梁、隧道建設(shè)和邊坡穩(wěn)定將造成不利影響。其中以十字埡隧道發(fā)育的石膏質(zhì)巖純度最高，危害最大。

十字埡隧道全長(zhǎng)為456 m，凈高為6.66 m，凈寬為8.5 m，埋深為14～120 m。純度較高的硬石膏巖代表性發(fā)育在隧道中部，沿洞身出露有近80 m。

2.2 氣候特征與水文地質(zhì)條件

隧址所在地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候垂直溫差大，常在8 ℃～10 ℃。年平均降雨1 117.9 mm，多集中于5～9月，雨勢(shì)猛，強(qiáng)度大，其降雨量占全年平均降雨量77.8%。全年多東南風(fēng)。

研究區(qū)位于構(gòu)造侵蝕剝蝕中低山區(qū)，為分水嶺地區(qū)，地表水不發(fā)育，地下水較貧乏。

2.3 地層條件

根據(jù)鉆探及地質(zhì)調(diào)繪資料，研究區(qū)內(nèi)的地層主要有三疊系下統(tǒng)嘉陵江組鹽溶角礫巖、白云質(zhì)灰?guī)r和石膏質(zhì)灰?guī)r，上部為巴東組石灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖，上覆0.5～1.6 m褐黃色殘坡積土。石膏質(zhì)巖主要出露于三疊系嘉陵江組2、4段中部層位及巴東組底部。與碳酸鹽巖及泥質(zhì)類巖共生產(chǎn)出，呈夾層狀或透鏡狀分布在碳酸巖地層中，或與碳酸巖混合沉積。受當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境影響，石膏質(zhì)巖在空間上分布很不規(guī)律，表現(xiàn)為不連續(xù)性和分散性。

3 硬石膏巖

3.1 硬石膏巖基本特征

本文研究的硬石膏巖主要出露在湖北省秭歸縣溪丘灣工作區(qū)十字埡隧道處，巖體表面經(jīng)物理化學(xué)風(fēng)化成灰黑色、黑色，新鮮斷面呈灰白色、白色，具細(xì)粒結(jié)晶粒狀結(jié)構(gòu)，斷面可見(jiàn)薄的紋層狀構(gòu)造，加HCl不起泡，硬度為2～3。

取代表性巖樣進(jìn)行X-衍射礦物成分分析，鑒定其主要造巖礦物為石膏，含量達(dá)到95%，同時(shí)含有少量的滑石、透閃石（見(jiàn)表1）。

表1 硬石膏巖X—衍射分析結(jié)果(單位：ω（B）/10 -2)Table 1 The anhydrock of X-ray diffraction in the back analysis（unit: ω（B）/10 -2）

3.2 硬石膏巖水理性質(zhì)研究

含膏質(zhì)巖系地下水中往往含有較高濃度的侵蝕性酸根離子，隨著其含膏量不同，地下環(huán)境水中侵蝕性酸根離子含量并不相同，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)危害程度也不同。由于十字埡隧道施工完成后才發(fā)現(xiàn)的病害現(xiàn)象（施工期間并未查明），因此，很難取得地下水，本文主要針對(duì)此類巖體，采用室內(nèi)制備水樣，進(jìn)行分析。

取代表性硬石膏巖樣置于研缽中碾碎，過(guò)篩，取粒徑小于0.5 mm巖樣粉末各2 g，分別溶于100 ml的去離子水中（編號(hào)2-2）和100 ml當(dāng)?shù)赜晁校ň幪?hào)2-3），用磁力攪拌器攪拌15 min左右。沉淀后取上層澄清試液。

①測(cè)得雨水 pH=6.20，2-2試液 pH=6.10，2-3試液pH=5.14。

②采用離子色譜分析方法，對(duì)該巖溶水溶液及雨水（編號(hào) 2-4）離子成分、含量進(jìn)行鑒定，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 硬石膏溶液陰離子分析結(jié)果(單位：mg/l)Table 2 The Anions of anhydrock solution in the back analysis（unit: mg/l）

試驗(yàn)結(jié)果顯示：

①硬石膏巖溶出后水溶液表現(xiàn)出明顯的酸性環(huán)境。

②硬石膏巖在去離子水中溶出硫酸根離子含量達(dá)到1 185.488 9 mg/L，具有中等腐蝕性[6]。

③由 25℃～30℃下石膏巖溶解度值（2.09～2.105 g/L）算得硫酸根離子濃度值（1 166.22～1 174.59 mg/L），其與試驗(yàn)結(jié)果相似，因此，研究中，可以依據(jù)其溶解度值及 XRD試驗(yàn)分析中石膏的含量算得不同石膏含量的石膏質(zhì)巖溶液中硫酸根離子濃度，近似代替試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

④對(duì)比2-2、2-3兩組溶液離子色譜分析結(jié)果，硬石膏巖在偏酸性環(huán)境及鉀、鈉水溶性硫酸鹽環(huán)境下更易析出硫酸根離子。因此，在地下水環(huán)境中，硫酸鹽含量往往大于試驗(yàn)結(jié)果。再加上地下水對(duì)巖體的反復(fù)溶蝕作用、自然環(huán)境下的蒸發(fā)作用，硬石膏巖發(fā)育區(qū)域地下環(huán)境水的侵蝕強(qiáng)度與程度均要大于試驗(yàn)分析結(jié)果，因此，提出防治工程建議時(shí)均需相應(yīng)提高一個(gè)等級(jí)。

3.3 硬石膏巖膨脹性研究

硬石膏巖中石膏遇水易發(fā)生水化作用，可轉(zhuǎn)變?yōu)楹瑑蓚€(gè)結(jié)晶水的石膏。在這個(gè)過(guò)程中石膏體積增大，往往表現(xiàn)出膨脹性。在理論上，其數(shù)值可通過(guò)石膏單位晶胞的大小加以比較，求出其體積增加的百分比值，即為石膏膨脹的理論數(shù)值[5]。但實(shí)際上，在自然界中，石膏、硬石膏巖很少是純質(zhì)的，其實(shí)際體積增加值往往小于理論上計(jì)算的數(shù)值。因此，不同硬石膏巖的實(shí)際水化膨脹量及與其相應(yīng)的膨脹力應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)獲得。

試驗(yàn)采用圓盤形重塑樣[7]，試樣面積為30 cm2，厚為2 cm。試樣設(shè)計(jì)含水率為15%（天然含水率），主要測(cè)定其側(cè)向膨脹率與膨脹力。

經(jīng)過(guò)72 h，試驗(yàn)結(jié)果趨于穩(wěn)定。測(cè)得其側(cè)向膨脹率為1.7%～2.3%。同時(shí)進(jìn)行膨脹力測(cè)定。本次主要進(jìn)行了4組膨脹力試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 硬石膏巖膨脹力試驗(yàn)分析結(jié)果(單位：kg/cm2)Table 3 The anhydrock force expansion test in the back analysis（unit: kg/cm2）

圖1 硬石膏巖初始密度與膨脹力關(guān)系曲線圖Fig.1 The relation curves of the initial density and the force of expansion of anhydrock

圖2 硬石膏巖吸水率與膨脹力關(guān)系曲線圖Fig.2 The relation curves of the bibulous rate and the force of expansion of anhydrock

對(duì)試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

①硬石膏巖水化膨脹過(guò)程十分緩慢，試驗(yàn)進(jìn)行72 h時(shí)測(cè)得最大膨脹力為2.24 kPa，但試驗(yàn) 過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其膨脹力仍然在緩慢的增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)關(guān)于此方面的研究資料尚不完整，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記載[8－9]，硬石膏巖水化膨脹后，其體積可增加30%左右，若取此值，根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果線膨脹系數(shù)為 0.080～0.115進(jìn)行推測(cè)，其膨脹力可達(dá)到584～840 kPa。

②試驗(yàn)結(jié)果顯示，硬石膏巖水化膨脹力的大小與試樣初始干密度及試樣吸水率有關(guān)。隨著初始干密度的增大，試樣吸水率不斷增大，其膨脹力隨著初始干密度及吸水率的增加而增加，且試驗(yàn)結(jié)果可近似線性擬合，試驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)圖1、2。

4 白云巖

4.1 白云巖基本特征

工作區(qū)廣泛出露的硬石膏巖多與白云巖、灰質(zhì)白云巖層成共生分布，區(qū)內(nèi)白云巖經(jīng)雨水侵蝕與暴曬后，易剝裂，巖體表面雨水浸潤(rùn)痕跡明顯，用小刀輕刮，大量白色粉末脫落。該巖體經(jīng)反復(fù)日曬雨淋強(qiáng)度明顯降低，區(qū)內(nèi)亦可見(jiàn)條帶狀分布已風(fēng)化成粉末狀的白云巖。因此，取代表性巖樣，對(duì)其溶蝕特征進(jìn)行分析。

4.2 白云巖溶蝕特征研究

本次試驗(yàn)主要采用環(huán)境掃描電鏡，分析白云巖微觀溶蝕形貌[10－11]，并利用能譜儀分析物質(zhì)的微區(qū)成分，對(duì)樣品表面進(jìn)行氧化物的定量分析。研究工作區(qū)白云巖風(fēng)化、受水侵蝕強(qiáng)度降低機(jī)制。同時(shí)，根據(jù)研究成果，對(duì)石膏巖與白云巖共同作用下，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)危害進(jìn)行分析。試驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)圖 3、圖4。

圖3 白云石微觀溶蝕現(xiàn)象圖Fig.3 Micro corrosion phenomena of the dolomite

圖4 方解石及白云石微觀溶蝕特征圖Fig.4 Micro dissolution of the calcite and dolomite

試驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）該巖樣主要造巖礦物為白云石與方解石，同時(shí)，含有少量的黏土礦物。電鏡下觀察，白云石晶體呈不規(guī)則菱面體，表面可見(jiàn)大量溶蝕痕跡（見(jiàn)圖 3）。

（2）巖樣孔隙均勻疏松，方解石在白云石間多呈麻坑狀溶蝕形態(tài)，偶見(jiàn)糖粒狀，在方解石與白云石交接地帶，孔隙明顯增多（見(jiàn)圖4），由此推斷兩礦物差異溶蝕作用是導(dǎo)致該巖體疏松多孔、結(jié)構(gòu)破碎、強(qiáng)度降低的主要原因。

5 硬石膏巖病害作用機(jī)制分析

5.1 硬石膏巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的危害

硬石膏巖層隨著隧道的開(kāi)挖逐漸暴露在地表環(huán)境下，臨空面增加，圍巖壓力重分布，導(dǎo)致地下水原有的補(bǔ)給、徑流、排泄途徑改變，隧道基底成為地下水的排泄面與匯水廊道。地下水的富集，使得水化作用條件具備，硬石膏巖體吸水，一方面產(chǎn)生側(cè)向膨脹變形；另一方面，硬石膏水化，石膏分子重新結(jié)合為二水石膏，產(chǎn)生側(cè)向膨脹力。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，硬石膏巖表現(xiàn)出明顯的親水性，其水化膨脹率與膨脹力與巖體初始干密度及其吸水性近似成正比關(guān)系。巖體吸水膨脹，產(chǎn)生側(cè)向變形，對(duì)隧道工程混凝土結(jié)構(gòu)擠壓作用增強(qiáng)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)破壞，影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。

結(jié)合原209國(guó)道十字埡隧道變形破壞特征進(jìn)行分析，由于隧道拱部及邊墻常常成為地下水流經(jīng)廊道，硬石膏巖體受水流溶蝕作用易被掏空，所以隧道頂部襯砌支護(hù)滴水、漏水現(xiàn)象明顯；而隧道底部與邊墻底端則常常為水流匯聚，所以表現(xiàn)出明顯的膨脹變形破壞，也即其邊墻底端鼓包、開(kāi)裂，邊溝變形破壞現(xiàn)象明顯的原因。

5.2 硬石膏巖溶液對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的危害分析

硬石膏巖溶液對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的危害主要表現(xiàn)為地下水中硫酸鹽對(duì)混凝土材料的侵蝕[12]。其侵蝕過(guò)程主要包括3個(gè)方面：

①隨著硬石膏巖的溶蝕作用，地下水中硫酸根離子濃度的增加，加劇了對(duì)混凝土材料表面的腐蝕作用，硫酸鹽在混凝土表面浸潰，致使混凝土表面麻面、蜂窩及微裂隙的產(chǎn)生，隨著硫酸鹽侵蝕的逐步深入，混凝土表面剝蝕，結(jié)構(gòu)逐漸松散，這個(gè)過(guò)程往往比較緩慢，侵蝕破壞相對(duì)較弱。

②微裂隙的產(chǎn)生，有利于硫酸鹽溶液的浸入，侵入的硫酸鹽溶液與混凝土水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)，生成具有弱膨脹性的二水硫酸鈣使得混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生外加內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致微裂隙擴(kuò)展、延伸，加速了侵蝕性硫酸鹽溶液的侵入。

主要反應(yīng)式為

③硫酸鹽溶液進(jìn)一步侵入，第1步水化產(chǎn)物（硫酸鈣）在孔隙中積聚，并與水泥水化產(chǎn)物鋁酸鈣及水化單硫鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4），導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)迅速膨脹、結(jié)構(gòu)破壞、強(qiáng)度喪失。

主要反應(yīng)式為

5.3 硬石膏巖與白云巖、灰質(zhì)白云巖共同作用下對(duì)隧道結(jié)構(gòu)危害分析研究

工作區(qū)中，由于白云巖、灰質(zhì)白云巖的廣泛分布，加劇了硬石膏巖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的危害，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

①在碳酸鹽巖發(fā)育區(qū)普遍發(fā)育著巖溶現(xiàn)象，其溶蝕作用主要是白云巖（CaMg(CO3)2）與灰?guī)r（CaCO3）中碳酸鈣在酸性條件下，與氫離子作用逸出CO2而致。區(qū)內(nèi)白云巖表現(xiàn)明顯的親水性，電鏡下觀察，白云石表面溶蝕現(xiàn)象明顯，其表面疏松多孔。部分巖體已完全喪失強(qiáng)度，成粉末狀分布。溶蝕白云巖為硬石膏巖水化提供了良好的儲(chǔ)水、流通廊道，加速硬石膏巖水化膨脹及溶蝕效應(yīng)。

②硬石膏巖溶蝕產(chǎn)生大量游離氫離子，環(huán)境水中，表現(xiàn)出明顯的酸性。白云巖、灰質(zhì)白云巖在酸性條件下，溶解度顯著上升，使得溶蝕反應(yīng)加劇。

其主要反應(yīng)式為

③大的溶蝕孔隙又加劇了地下水的循環(huán)交替作用，其循環(huán)交替作用和混合作用又加劇了溶蝕作用，促使溶蝕效應(yīng)進(jìn)一步加劇。同時(shí)，由于硬石膏巖溶蝕環(huán)境水中常常含有硝酸、鹽酸有機(jī)酸等酸根離子，這些酸根離子混合后的地下水對(duì)碳酸鹽巖腐蝕作用往往更強(qiáng)，促使溶蝕進(jìn)一步發(fā)育。

④在自然環(huán)境，干濕循環(huán)條件下，白云巖、硬石膏巖溶蝕孔道隨著水分的集聚與流失，而逐漸延伸、貫通。

6 結(jié)論及建議

（1）研究發(fā)現(xiàn)，工作區(qū)中出露的兩種主要巖體均表現(xiàn)出較強(qiáng)的親水性。硬石膏巖水化膨脹作用以及白云巖親水軟化作用是威脅隧道混凝土結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)效應(yīng)問(wèn)題。因此，降低地下水水位是治理的關(guān)鍵措施：在洞內(nèi)或洞外采取措施來(lái)降低地下水水位均可，但考慮到隧道路面結(jié)構(gòu)及使用功能，建議采用洞外降水措施，可在隧道富水一側(cè)設(shè)置與隧道軸線平行的縱向泄水廊道，以達(dá)到降低地下水水位的要求。

（2）硬石膏巖溶蝕后產(chǎn)生的酸性硫酸根是危害隧道混凝土結(jié)構(gòu)的主要因素。在這一破壞過(guò)程中，硫酸鹽與混凝土水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)并最終生成鈣礬石。而地下水的酸性環(huán)境同時(shí)也使得與硬石膏巖成共生產(chǎn)出的碳酸鹽巖的溶蝕作用加劇，為水體的賦存與循環(huán)交替提供了有利條件，從而進(jìn)一步導(dǎo)致了硬石膏巖溶蝕作用的加劇。

因此，建議采用以下以抗硫酸鹽侵蝕為主的工程治理措施：

（1）提高混凝土抗?jié)B等級(jí)，注重提高材料的防水與耐侵蝕性。

（2）對(duì)于中等硫酸鹽腐蝕，建議采用抗硫酸鹽泥；若采用普通硅酸鹽水泥，水泥需滿足 C3A ＜8%，抗?jié)B等級(jí)不小于 P8，最小水泥用量不應(yīng)小于330 kg/m3，最大水灰比不應(yīng)大于0.45[13－14]。

（3）若采用外摻料，根據(jù)已有資料，可采用C32.5的普通水泥，摻 25%～30%的粉煤灰，對(duì)于防治中等抗硫酸鹽的侵蝕可收到安全、經(jīng)濟(jì)的效果[15]。

（4）可摻入適量高強(qiáng)減水劑、高效防水膨脹劑等外加劑，增強(qiáng)混凝土的抗裂性[16]。

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