程兒山隧道第三系砂巖施工地質問題研究

魏國俊

程兒山隧道第三系砂巖施工地質問題研究

魏國俊

(中鐵一院蘭州鐵道設計院有限公司,蘭州 730000)

針對新建鐵路原州區至王洼線程兒山長隧道工程通過第三系砂巖時出現的施工地質問題,在全面分析隧道區域地質、工程地質、水文地質條件的基礎上,比擬在建蘭渝線條件相近隧道工程、結合我國隧道勘察、設計現狀和取樣試驗資料,深入分析第三系砂巖的工程特性,敘述砂巖黏粒含量、易溶鹽含量2個因素對砂巖工程性質的控制作用和兩者與含水率的關系,對地下水對砂巖穩定性影響及作用機理進行深入研究,針對性地提出工程處理措施,為隧道設計提供依據,為在第三系砂巖中的隧道施工安全奠定了基礎。

鐵路隧道;第三系砂巖;地質問題

1 概況

新建地方鐵路原州區至王洼線位于寧夏回族自治區固原市原州區和彭陽縣境內,線路全長約37 km。其中程兒山隧道為該線的控制性工程,隧道長度6 437m,最大埋深290m。設置1號斜井長度1 038m, 2號斜井長度1 036m。該隧道開工建設以來,進、出口及斜井工區圍巖主要為成巖作用差的第三系砂巖。根據現場開挖揭露,第三系砂巖總體以細粒結構為主,泥質弱膠結(或無膠結),成巖作用差,局部夾有鈣質膠結、半膠結薄層或結核狀砂巖。總的看來,隧道在開挖過程中,砂巖含水率較低或無滲水時,圍巖穩定性較好;當含水率過高以致在掌子面有滲漏水或股狀流水時,在水的作用下,其工程性質迅速惡化,開挖擾動后多呈細砂狀,圍巖變形、坍塌嚴重,穩定性極差,收斂變形較大,施工難度加大。目前除在建蘭渝線桃樹坪、胡麻嶺兩隧道遇此問題外,我國路內外其他地下洞室工程中尚未遇到過類似的實例。因此,有必要對該套巖體的工程特性進行專題研究,以期對今后類似地區的隧道勘察設計提供借鑒。

2 隧道工程地質條件

2.1 地形地貌

程兒山隧道地處屬黃土梁、峁區,梁、峁間沖溝縱橫,溝谷深切,地形起伏較大,地面高程介于1 688～2 007 m。

2.2 地層巖性

隧道工程涉及地層主要為第四系上更新統風積砂質黃土和第三系砂巖、泥巖與白堊系下統泥巖、泥灰巖、頁巖及斷層角礫等。

其中砂質黃土分布于隧道進、出口及洞頂地表一帶,厚度10～35m,其下以第三系砂巖為主,基底主要由白堊系下統泥巖、泥灰巖和頁巖組成。

2.3 地質構造

工程區域就大的構造而言位于中朝準地臺的西南邊緣和祁連褶皺系的東北端過渡地帶。以紅糜子灣—黑馬泉大斷裂F2為界,其西歸于祁連褶皺系走廊過渡帶,其東則屬于中朝準地臺鄂爾多斯中臺拗。

其中F2斷裂為一高角度隱伏正斷層,斷于白堊系與第三系地層內,走向近南北向,斷層面傾向西,傾角達80°以上,破碎帶寬約180m,其內物質主要以斷層角礫為主[1]。

2.4 水文地質

2.4.1 地表水

隧道通過區地表溝壑發育,下切較深,無常年地表徑流,只在雨后有短暫洪流。

2.4.2 地下水類型

隧道區地下水的形成受地形地貌、地層巖性、地質構造、植被、降水量等多種因素控制和影響。地下水賦存類型主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙(孔隙)水和構造裂隙水,與隧道關系較密切的為基巖裂隙水和構造裂隙水。

2.4.3 第三系砂巖內隧道涌水量預測及地下水富水性分區

隧道區內溝谷無地表徑流,亦無地下水露頭,勘察期間隧道鉆孔孔內基本無水。因此隧道洞身地下水與大氣降水有直接的水力聯系,表現為季節性特征。第三系砂巖內隧道涌水量預測和地下水富水性分區評價如下:

(1)隧道進口段長915 m為弱富水區,巖性主要為第三系砂巖,預測該段隧道洞身單位正常涌水量302 m3/d·km;

(2)隧道出口段長1 572m為弱富水區,巖性主要為第三系砂巖,局部為斷層角礫及白堊系泥灰巖夾頁巖,預測該段隧道洞身單位正常涌水量302m3/d·km。

2.5 隧道圍巖分級

該區第三系砂巖成巖性差,鉆孔巖芯多呈散狀及碎塊,局部呈短柱狀,結構較緊密,在地質學概念中,此地層為第三紀形成,定名為砂巖。但其工程性質更接近于具壓密作用的粉細砂層,考慮地下水分布的不均勻性,富水性分區為弱富水區。故設計時將第三系砂巖的圍巖分級劃分為V級。

3 隧道設計簡介

本隧道為一單線隧道,設計采用曲墻帶仰拱的斷面形式,開挖尺寸寬6.96m,高8.64m。依據隧道地質條件,正洞按噴錨構筑法技術要求設計,采用復合式襯砌,初期支護采用噴錨支護,二襯采用模筑混凝土灌注;斜井在洞口段、斜井與正洞相交處及全部Ⅴ級圍巖段采用模筑襯砌,其余段落采用噴錨襯砌。

施工方法要求按照超短臺階(三臺階)、留核心土的方法(嚴禁爆破施工)進行施工,臺階高度按照鋼架臨時仰拱位置確定。

4 第三系砂巖施工地質問題

程兒山隧道自2010年10月開工建設,進、出口及斜井工區穿過砂質黃土后,圍巖以第三系砂巖為主。截止2011年10月,進、出口工區分別累計完成260、167m,1號、2號斜井分別累計完成592、576 m。除2號斜井掌子面未見地下水外,其余各掌子面自仰拱底以上2m范圍內均有不同程度的滲水現象,總體出水量較小,圍巖穩定性相對較好。

隨著隧道施工掘進進尺的增大,自2012年3月,各掌子面出水點位置從下邊墻及仰拱底部逐漸擴大直至拱頂,出水量由原來不足100 m3/d逐漸增加至200～400m3/d,甚至局部出現股狀流水,圍巖條件變差,掌子面時有溜塌、坍塌和涌砂現象。特別在隧道進口、1號斜井和2號斜井施工期間中下導及仰拱受滲水、股狀水流的影響給施工帶來一定難度,開挖擾動后中下導斷面前方多形成飽和、松散的砂層,兩側邊墻砂巖因股狀水流的影響局部形成空洞,部分地段曾出現初支變形,變形最嚴重的的部位拱頂收斂達到了0.6m,邊墻收斂達到了1m。截止2012年4月,進、出口工區分別累計完成345、306m,1號、2號斜井分別累計完成662、643m。施工進度緩慢,工期已嚴重滯后。

2012年5月18日,進口掌子面立設鋼支撐1榀完畢后,拱頂左下側出現股狀流水,隨后水量及出水點范圍逐漸擴大,局部出現垮塌現象。間隔近2 h掌子面右側及拱頂部位出現突然涌水現象,膠結松散的砂巖隨即塌落并隨著流水一并涌出。次日平均涌水量約270 m3/d,掌子面附近弱膠結的砂巖受水沖刷嚴重,變為松散、流動狀態,導致緊鄰掌子面鋼架塌落,初襯開裂。涌水涌砂現象造成洞內整個工作面停工,累計洞內作業面及仰拱、二襯段流砂淤積量約200m3。

5 第三系砂巖主要地質問題的分析

(1)砂巖內地下水的分布具明顯的不均勻性

程兒山隧道通過地區地貌屬黃土梁、峁區,沖溝發育,溝谷深切,地表多覆蓋有厚度較大的砂質黃土,其下的第三系砂巖為本隧道的主要含水層,地下水類型屬基巖裂隙(孔隙)水,受大氣降水下滲及降雨期溝谷地表徑流的補給,賦存于基巖裂隙、孔隙中。總的規律應該為成巖作用差的砂巖所含的孔隙水,隨著施工進尺的推進,所揭示的含水層厚度和范圍有所增大,地下水向隧道洞身運移匯集,形成以隧道洞身為軸線的降落漏斗而流出。但在施工過程中發現自出現滲漏水后,表現為部分地段地下水滲流嚴重,甚至出現股狀水流和突然涌水現象,而部分地段圍巖則處于干燥或少水狀態。看來砂巖中地下水囊的位置及儲水水量的大小,隨砂巖膠結程度、黏粒含量及補給途徑的不同,在空間上的分布具有明顯的不均勻性。表現在微地貌上局部溝谷地段砂巖含水偏高或地下水相對富集。這一點在施工中處理較大的涌水、涌砂事故時均已得到驗證。

(2)砂巖在水作用下穩定性變差,其程度與砂巖內含水率變化和泥質含量有關

第三系砂巖成巖性差,泥質弱膠結,遇水浸潤(泡)或長時間暴露極易產生結構破壞,施工擾動后,很快變成松散的砂狀,隧道圍巖穩定性迅速變差,拱部及邊墻變形、坍塌現象普遍。中下臺階及側墻砂巖滲水后很快達到飽和狀態,發生塑性流變,局部地段會導致上臺階掌子面向下滑移或產生外擠現象。基底表層擾動后多呈軟弱狀,圍巖穩定性差,變形、收斂較大。

通過現場觀測及取樣試驗發現砂巖在水作用下穩定性變差主要表現為:一方面砂巖的穩定性隨含水率變化和時間延續具有顯著變化的特點。表現在開挖過程中0～1 h內砂巖含水率的增長速度比較緩慢,1～2 h后掌子面砂巖開始有水滲出,砂巖含水率快速上升,當含水率超過12%時逐漸發生塑性變形,當含水率超過18%時開始發生流變,圍巖的穩定性大大降低,工程性質迅速惡化,施工難度加大。之后隨著降水工作的開展,砂巖的含水率會逐漸下降,含水率降至10%以下,圍巖基本穩定。另一方面在水作用下砂巖的穩定性與泥質含量有關。通過取樣試驗發現本隧道第三系砂巖顆粒組成以粉細粒為主,粒徑主要集中在0.075～0.25 mm,黏粒含量進口及斜井段為3.5%～7.6%,出口段黏粒含量為13.6%～26%。在隧道出口段掌子面一度出水量達到280 m3/d,局部也出現股狀流水。但由于該段砂巖圍巖黏粒含量相對較高(大于10%),且局部夾有薄層泥巖,雖然圍巖有不同程度的軟化,但總體上圍巖穩定性相對較好。

(3)砂巖在水作用下化學穩定性變差,其程度與砂巖內含水率變化和易溶鹽含量有關

第三系砂巖成巖性差,泥質弱膠結,局部夾有鈣質膠結。隨著隧道掘進進尺增大改變了局部地下水的水文地質條件,導致地下水及其中的易溶鹽賦存環境改變,使原有的化學平衡被破壞。即各掌子面地下水的滲出或流出使溶蝕作用不斷加強,并使巖體內易溶鹽成分逐漸流失,導致溶蝕、溶隙空間逐漸擴大,進而破壞了巖體結構,施工擾動后,很快變成松散的砂狀。初步判定認為砂巖內易溶鹽含量較高,在水的作用下,其化學穩定性變差。

(4)涌水、涌砂

隧道各洞口在施工過程中均出現不同程度的涌水、涌砂現象,而規模較大的涌水、涌砂現象主要發生在隧道進口段,經施工現場調查分析認為:一方面主要受施做超前支護(加固)過程中擾動過大,拱部前方砂巖受擾動范圍擴大,巖體結構基本上完全被破壞,形成松散的砂體,并不斷產生坍塌或形成空腔,周圍孔隙水不斷向松散體方向匯集,很快使擾動后的砂巖(或坍體)達到飽水狀態,并被封堵在掌子面前方,當壓力過大或掌子面再次開挖時,就會出現涌砂、涌水現象。另一方面由于第三系砂巖局部泥質含量增高,掌子面圍巖膠結相對較好,則富水性相對較差,形成相對隔水層,圍巖貌似變好的假象。如果在該掌子面前方一定范圍內存在富水性相對較好的含水巖體,受含水較差巖體的阻擋,地下水位雍高,水壓力增大,當臨界平衡狀態被打破后,在施工面的薄弱部位就會出現突發性涌水,繼而發展成涌砂現象。

(5)巖質軟硬不均,降水和開挖困難

第三系砂巖受沉積環境的影響,在形成過程中多為泥質弱膠結,局部為鈣質半膠結或膠結的薄層、透鏡體或結核狀砂巖,其分布無規律性,施工開挖過程中均遇到這種狀況。由于掌子面上下圍巖軟硬不均、滲透性的差異,存在降排水較困難,較軟圍巖易變形、坍塌。鈣質膠結層強度和厚度較大,人工開挖困難,有時需要弱爆破,這一點在隧道出口段洞身施工過程中表現的尤為突出。

6 隧道施工采取的應對措施

程兒山隧道在第三系砂巖中施工難度大、進度緩慢、風險高。建設、設計、施工及監理等單位多次組織現場會勘和專題方案研討,明確在加強施工管理、強化監控量測與地質超前預報工作、優化施工組織和確保安全、質量的前提下著重考慮施工進度要求。主要采取的應對措施如下:

(1)據實將隧道進口和1號、2號斜井部分段落圍巖分級調整為Ⅵ級,并對原“輕型真空井點+管井降水”方案參數進行了優化;

(2)針對初支背后局部漏砂的情況,為確保初支與圍巖緊貼,保證初支受力均勻,避免襯砌應力集中,在初支施做過程中,提前預埋φ42 mm小導管,初支完成之后,及時對拱頂進行初支背后注水泥漿,使初支與圍巖緊密結合;

(3)采用加密小導管進行超前預支護。將原設計小導管的長度、步距等參數進行了調整,降低因外插角增大而對圍巖的擾動等。

7 結語

(1)程兒山隧道地質條件復雜,第三系砂巖屬特殊巖體,成巖作用差,其工程性質隨著巖體內黏粒含量、易溶鹽含量2個因素和兩者與含水率的關系對砂巖的工程性質起到控制作用:表現為當巖體內黏粒含量小于10%,含水率超過12%時逐漸發生塑性變形,含水率大于18%時發生流變,工程性質惡化,穩定性極差,加大了施工難度和風險;砂巖內易溶鹽含量較高,在水的作用下,其化學穩定性變差。至于易溶鹽含量與含水率的關系對砂巖工程性質的影響程度有待于作進一步的專題研究。

(2)建議在今后類似的隧道勘察設計過程中,要充分認識到第三系砂巖中黏粒含量、易溶鹽含量2個因素和兩者與含水率的關系對砂巖的工程性質起到控制作用及對其工程性質的影響。當黏粒含量低、易溶鹽含量高且有地下水的第三系砂巖段,如果其分布范圍大,并且擬設隧道洞身穿越的段落長,應優先選擇繞避方案為宜;如果第三系砂巖分布的范圍小,也要充分考慮它的特殊性和復雜性,以防止出現隧道變更設計、投資增加的現象。

[1] 地質部甘肅省地質局.中華人民共和國地質圖說明書1∶20萬固原幅及其圖件[Z].酒泉:地質部甘肅省地質局,1965.

[2] 鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊(修訂版)[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10012—2007鐵路工程地質勘察規范[S].北京:中國鐵道出版社,2007.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005鐵路隧道設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[5] 蘭州鐵道設計院.新建鐵路原州區至王洼線線初步設計有關圖件及資料[Z].蘭州:蘭州鐵道設計院,2010.

[6] 蘭州鐵道設計院.新建鐵路原州區至王洼線程兒山隧道工程地質勘察報告[Z].蘭州:蘭州鐵道設計院,2010.

[7] 蘭州鐵道設計院.新建鐵路原州區至王洼線程兒山隧道設計及現場情況匯報材料[Z].蘭州:蘭州鐵道設計院,2012.

[8] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段第三系砂巖復雜的水穩特性地質專題研究報告[Z].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2011.

[9] 高延平.太峪隧道含水地層施工研究[J].鐵道工程學報,2011 (8):58-61.

[10]趙生彬,等.軟弱圍巖大斷面隧道斜井進正洞挑頂施工技術[J].鐵道標準設計,2011(S1):132-134.

[11]原郭兵.函谷關隧道斜井進入正洞施工方案[J].鐵道標準設計, 2006(9):73-75.

[12]武世燕.高寒地區含水碎屑地層隧道設計與施工[J].鐵道標準設計,2012(6):97-101.

Research on Geological Problems during Construction in Tertiary Sandstones Section of Chengershan Tunnel

WEIGuo-jun
(Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co.,Ltd.,China Railway First Survey and Design Institute Group,Lanzhou 730000,China)

Aiming at the geological problems during construction in tertiary sandstone section of Chengershan Tunnel on newly-built railway from Yuanzhou to Wangwa,on the basis of a comprehensive ______analysis of regional geology,engineering geology and hydrogeology conditions about this tunnel,incomparison with those tunnel projects having similar conditions on Lanzhou-Chongqing Railwaywhich was being constructed,in combination with China's tunnel survey and design situations and the sampling test data,the author conducted an in-depth analysis on the engineering characteristics of tertiary sandstones. Then,the author illustrated the two factors of sandstones including the clay content and soluble salt content,which will exert control effect on sandstone engineering property and are related to water content.Furthermore,after deeply studying the impact of groundwater on sandstone stability and mechanism of action,the author put forward the targeted engineeringmeasures.It provides reference for the design of the tunnel,laying foundation for the safety of tunnel constructed in tertiary sandstones.

railway tunnel;tertiary sandstone;geological problems

U452

A

1004-2954(2013)07-0087-04

2012-11-27;

2013-01-29

魏國俊(1970—),男,高級工程師,1994年畢業于西安地質學院,工學學士,E-mail:576562949@qq.com。