甘肅地區隧道工程第三系砂巖水穩特性淺析

權董杰

(中鐵第一勘察設計院集團公司，陜西西安　710043)

第三系咸水河組下段砂巖成巖性差、泥質弱膠結。隧道工程穿過該段地層時，在無地下水地段，圍巖整體穩定性較好；在含地下水地段，砂巖遇水后結構迅速破壞，穩定性變差，易產生變形，施工開挖后多呈粉細砂狀；地下水富集段圍巖穩定性差，收斂變形較大，施工難度大。新建蘭渝鐵路桃樹坪隧道及胡麻嶺隧道均通過該地層，目前處于施工階段，開挖極為困難，導致工期拖延。新建蘭州至中川機場鐵路蘭州北至周家莊貨車直徑線北環隧道亦通過該地層，尚未施工。該砂巖地層的水穩特性對于線路工程影響較大。

1　第三系砂巖概況

1.1　形成背景及分布

根據甘肅省區域地質志，上第三系地層劃分為隴東區、隴西盆地的甘肅群，為一套桔黃色、淺棕黃色泥質砂巖，泥巖互層，屬陸相湖盆及山間凹地沉積，厚度小于296 m，沉積地質時代距今約2 400～250萬年；下第三系地層劃分為隴東區、隴西盆地東部的固原群，為一套紫紅色及淺棕紅色砂巖、泥巖、礫巖互層，厚度10～300 m不等，屬陸相湖盆及山間凹地型沉積，沉積地質時代距今約6 500～2 400萬年。

第三系砂巖在蘭州盆地和定西盆地分布范圍較廣，沉積厚度較大。蘭州除新城盆地(河口、新城一帶)基底為白堊系地層外，榆中(定遠)、城關、七里河、安寧堡及西固盆地，下伏基巖均為第三系紅色砂巖或碎屑巖類，在地貌上多表現為黃土梁、峁，以及河谷階地上覆風積和沖、洪積黃土。

1.2　工程地質特征

第三系砂巖顆粒組成以粉細粒及中粒為主，顆粒較均一，泥質或泥鈣質膠結，巖質較均勻，成巖性較差，屬軟質巖石。礦物成分以石英、長石為主，天然抗壓強度低，遇水浸潤或擾動后極易軟化，砂巖的黏粒含量對砂巖顆粒密度、耐崩解性、抗壓強度及抗拉強度等工程性質均有較大影響。該地層巖性較為單一，屬新生代沉積，天然狀態下，受構造運動影響較小，節理、裂隙不甚發育，地下水為以孔隙水為主的孔隙裂隙水。

2　工程實例水穩特性

2.1　工程概況

桃樹坪隧道和胡麻嶺隧道位于新建蘭州至重慶鐵路(蘭渝線)，桃樹坪隧道長3 225 m，DK3+430～DK6+655為第三系砂巖段落；胡麻嶺隧道長13 611 m，DK76+350～DK79+600段為第三系砂巖段落。其中，桃樹坪隧道穿行于黃河高階地下部，地形起伏較大，高程一般為1 660～1 770。黃河高階地頂部較平坦，伴有切割溝谷，進出口及溝谷地段出露圓礫土，其余地段大都黃土覆蓋。胡麻嶺隧道地處黃土梁峁區，地形起伏較大，地面高程約為2 105～2 430 m，沖溝發育，下切較深，沖溝溝壁陡峭，垂直山脊多呈樹杈狀分布，黃土覆蓋層較厚。

北環隧道位于蘭州北至周家莊貨車直徑線，長4 275 m，里程HK4+950～HK9+225，屬低中山區，地面高程為1 598～1 860 m，地形起伏較大，溝壑縱橫，自然坡度約20°～45°，溝谷多呈“V”字形，山頂平緩處及緩坡處多為風積黃土覆蓋，植被稀疏。北環隧道與桃樹坪隧道、胡麻嶺隧道分屬不同地貌類型(見表1)。

表1　地形地貌對照

2.2　物理力學性質

根據綜合勘探、隧洞施工及取樣試驗，對第三系砂巖的含水量、黏粒含量、滲透系數、浸水特性、抗壓強度等物理力學參數進行了試驗。通過物理力學參數統計(見表2)，三條隧道洞身通過的第三系砂巖物理力學性質基本一致，主要為泥質膠結，膠結程度較差。其中，北環隧道HK4+960～HK7+400段砂巖局部為鈣質膠結，黏粒含量略高，天然密度及抗壓強度較大。

表2　北環隧道、桃樹坪隧道、胡麻嶺隧道物理力學對比

2.3　水穩特征

(1)桃樹坪、胡麻嶺隧道

桃樹坪隧道和胡麻嶺隧道現場施工揭示，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。在隧道開挖過程中，砂巖含水率較低或無滲水時，圍巖穩定性較好；當含水率過高以致有滲水時，在水的作用下，加之施工擾動，其工程性質迅速惡化，開挖后圍巖迅速變差，多呈粉細砂狀，拱部及邊墻變形，坍塌嚴重，穩定性極差，出現不同程度的涌砂、涌水，施工難度大。

圖1　桃樹坪隧道某斷面含水率變化曲線

圖1為桃樹坪隧道某處開挖過程中砂巖含水率變化曲線。隧洞開挖過程中砂巖含水率變化較大，0～2 h內含水率低，約4%左右；2 h后含水率開始快速上升，約3 h后含水率達到12%，砂巖開始發生塑性變形，圍巖基本穩定；5 h后含水率繼續上升，變形加劇，10 h后含水率約為18%，砂巖穩定性大大降低，工程性質迅速惡化，發生流變。

圖2為胡麻嶺隧道某處開挖過程中砂巖含水率變化曲線圖。此段砂巖開挖過程開挖0～4 h內含水率較低，約4%～6%左右；4 h后含水率開始快速上升，在開挖后6 h含水率達到14%，砂巖開始發生塑性變形，砂巖的穩定性較好。8 h后含水率繼續上升，在11 h后局部砂巖飽和，開始發生流變，圍巖的穩定性大大降低，工程性質迅速惡化。

圖2　胡麻嶺隧道某斷面含水率變化曲線

(2)北環隧道

勘探過程中，沿隧洞線路方向取7個鉆孔中洞身位置巖芯進行現場浸水試驗(見表3)。通過浸水試驗可見，除個別鉆孔巖芯浸水后無較大變化外，其余試樣砂巖遇水崩解，速度較快，30 min后結構均被破壞，手搓呈砂狀，或直接解體為散砂狀。經觀察，浸水無變化試樣中，砂巖主要為鈣質膠結，強度較高，浸水后不易崩解，在地層中主要以薄層狀、透鏡體狀或結核狀發育，分布無規律性。

通過浸水試驗，結合隧洞區砂巖物理力學性質，北環隧道HK4+960～HK7+400段砂巖工程性質整體相對較好，強度較高，含水率較低，局部工程性質差，如DXSZ-1鉆孔75 m試樣，DH1Z-21鉆孔60 m試樣在靜水環境中，結構破壞。HK7+400～HK9+255段砂巖工程性質差，強度低，含水率高，遇水易砂化，局部可能出現工程性質較好段落，如DXSZ-4鉆孔45～65 m巖芯浸水無明顯變化。

表3　北環隧道第三系砂巖巖芯浸水試驗

2.4　水文地質特征

北環隧道、桃樹坪隧道及胡麻嶺隧道洞身通過的砂巖，含水率較低或無水浸潤時，圍巖穩定；遇水后，穩定性迅速變差，軟化呈砂狀。因此，隧道洞身區水文地質條件，決定該套砂巖的穩定性。

桃樹坪隧道洞身主要穿越粗、細圓礫(局部有膠結)下部的第三系粉細砂巖，地下水主要為第三系砂巖中孔(裂)隙水，地下水有統一的地下水位，富水性好。桃樹坪隧道TTZ-2、TTZ-3鉆孔出水量分別為46.4 m3/d和5.6 m3/d。胡麻嶺隧道洞身主要穿越第四系砂質黃土下部的第三系粉細砂巖，地下水主要為基巖孔(裂)隙水，地下水無統一的地下水位，但由于隧道洞身上部有常年流水溝奶長溝的地表水下滲補給，砂巖富水性較好，如HMSZ-3鉆孔出水量為14.08 m3/d。北環隧道洞身穿過第四系砂質黃土下部的第三系砂巖，地下水主要為基巖孔(裂)隙水，地下水無統一水位，埋深一般在42～86m，溝谷區埋深較淺，一般在5～14m左右，受大氣降水補給，季節性變化較明顯，砂巖富水性一般。經鉆孔提水試驗，北環隧道鉆孔水量約為0.2～3m3/d。

通過對比，胡麻嶺隧道與北環隧道水文地質條件類似，從鉆孔水量相比較桃樹坪最大，胡麻嶺次之，北環隧道最小，隧道洞身第三系砂巖水穩特征也與此順序基本一致，且可預計北環隧道HK4+960～HK7+400段砂巖水穩性強于HK7+400～HK9+255段。

3　結束語

(1)甘肅地區第三系砂巖分布廣泛，原始狀態下密實度、承載力和變形模量較高，但多為泥質弱膠結，成巖作用差，由于黏粒含量少，具有結構脆弱、強度低、復雜的水穩特性，遇水工程性質迅速惡化。

(2)該組砂巖遇水變差，對該地層的認識，應結合工程區水文地質環境進行區別對待。

(3)線路遇到該段砂巖時，條件允許下應進行適當繞避，若無法繞避時，應與該地層大角度相交通過，隧道工程應進行適當抬坡，選擇從地下水位以上通過。

(4)隧道工程施工中，應加強對該組地層施工工法研究，同時，應加強地質超前預報和動態設計工作。

[1]地質部甘肅地質局.中華人民共和國區域地質圖說明書(1∶20 000蘭州幅)[R].甘肅：地質部甘肅地質局，1965：15-16

[2]TB10012—2001鐵路工程地質勘察規范[S]

[3]GB50021—2001巖土工程勘察規范[S]

[4]鐵路第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999：17-40

[5]《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2007

[6]GB/T50123—1999土工試驗方法標準[S]

[7]TB10002—2005鐵路路基設計規范[S]

[8]何振寧.區域工程地質與鐵路選線[M].北京：中國鐵道出版社，2004