T2b2 地層隧道圍巖的主要工程地質(zhì)問題及特性
——以鄭萬高鐵（重慶段）為例

張毅，杜宇本，向道銀

（1.中鐵二院地勘巖土設(shè)計研究院，成都610036；2.渝萬、渝黔鐵路有限責(zé)任公司，重慶400015）

1 工程概況

1.1 鄭萬高鐵建設(shè)概況

鄭萬高鐵位于豫、鄂、渝三省市境內(nèi)，北接京廣、隴海客專；中與既有焦柳、寧西、襄渝鐵路，規(guī)劃的運（城）十（堰）宜（昌）鐵路、安（康）張（家界）常（德）等鐵路相交；南端連接萬州，并通過渝萬客專達重慶。其中，重慶市境內(nèi)線路正線長181.754km，共分布有巫山、奉節(jié)、云陽、萬州北4 個中間站，萬州北站為渝萬線在建站；正線共設(shè)橋梁32 座，總計10.878km；正線新建雙線隧道25.5 座，長169.477km，橋隧總長180.355km，橋隧比重99.2%。

1.2 鄭萬高鐵（重慶段）穿越巴東組二段（T2b2）地層概況

鄭萬高鐵（重慶段）正線長181.754km，穿越巴東組二段（T2b2）地層的長度累計約67.528m，其中，隧道10 座，長約66.864m，橋梁5 座，長約0.664m。

2 巴東組二段（T2b2）地層巖性及一般工程地質(zhì)特性

2.1 地層巖性及礦物成分

通過地質(zhì)鉆探及施工開挖的地質(zhì)剖面揭示，該段地層主要為紫紅色的泥巖夾青灰色砂巖，中間偶夾有頁巖及黏土巖。與一般傳統(tǒng)“紅層”地層的巖性情況幾乎一致，所以，其巖體內(nèi)的礦物成分主要以黏土礦物為主，其中，以伊利石居多，綠泥石次之，蒙脫石、高嶺土、石膏及石英等含量較少，具體地層泥巖礦化分析結(jié)果如表1 所示。

表1 新建鄭萬鐵路巫山隧道洞身（T2b2）地層泥巖礦化分析結(jié)果%

2.2 一般工程地質(zhì)特性

由于巴東組二段（T2b2）地層主要以泥巖為主，因此，其工程地質(zhì)特征與所有“紅層”泥巖一樣，具有質(zhì)軟易碎，遇水易軟化，易崩解，暴露易風(fēng)化的共同特征，且由于其礦物成分多含膨脹性礦物，在一定條件下亦是一類具有膨脹性潛能的巖石[1]。所以，深入剖析該地層的物理及化學(xué)特性有利于隧道圍巖級別的劃分及支護措施的合理配置。

3 隧道開挖揭示的巴東組二段（T2b2）地層圍巖的主要工程地質(zhì)問題

3.1 一般地質(zhì)問題

巴東組二段（T2b2）地層巖性主要以泥巖夾砂巖、黏土巖為主，因此，在無地下水發(fā)育情況下，其圍巖開挖后自穩(wěn)能力較好，但圍巖質(zhì)軟，偶有掉塊及滑落現(xiàn)象，因此，其圍巖等級以Ⅳ級居多，Ⅲ級與Ⅴ級次之。

3.2 含水性問題

鄭萬高鐵（重慶段）穿越（T2b2）地層的隧道在開挖過程中，個別隧道出現(xiàn)了地下水較發(fā)育的情況，其表現(xiàn)形式有滴水、滲水及股狀涌水（見圖1）等，其中，巫山隧道斜井涌水量最高達7 000m3/d，奉節(jié)隧道1#斜井涌水量最高達6 000m3/d，且涌水點地層巖性均為泥巖層位，說明巴東組二段地層（T2b2）的泥巖層位隔水能力較差，透水性較好。

圖1 巫山隧道的隧道股狀涌水

3.3 水敏性問題

依據(jù)鄭萬高鐵（重慶段）的隧道開挖揭示統(tǒng)計，在穿越（T2b2）地層的11.5 座隧道中，地下水較發(fā)育～發(fā)育隧道4 座，這些隧道因受到地下水的作用影響后，部分巖體軟化，穩(wěn)定性降低，圍巖自穩(wěn)能力較差，施工過程中拱部掉塊嚴(yán)重、易坍塌；若地下水排水不暢，在短時間內(nèi)，初支極易變形破壞，致使隧道不斷發(fā)生變形預(yù)警，最終侵限、塌方。這類病害在地下水發(fā)育段落均出現(xiàn)了該類情況，說明（T2b2）地層的泥巖水敏性極強，在水理作用下，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)發(fā)生變化的周期短，性質(zhì)差異波動性大等特點，致使原設(shè)計措施不足[2]。

4 巴東組二段（T2b2）地層泥巖與侏羅系（J）紅層泥巖的主要特性的對比分析

4.1 標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)剖面的對比分析

4.1.1 T2b2地層剖面（新建鄭萬高鐵巫山境內(nèi)剖面）

新建鄭萬高鐵巫山境內(nèi)地層剖面分析：（1）紫紅色水云母頁巖，夾灰紫色、灰色簿至中厚層泥質(zhì)膠結(jié)的石英粉砂巖及一層灰色泥質(zhì)砂質(zhì)灰?guī)r，砂巖具交錯層理；（2）紫紅色中至厚層水云母膠結(jié)的石英粉砂巖，夾同色水云母頁巖，砂巖具交錯層理；（3）紫紅色頁巖、砂質(zhì)頁巖，夾薄層水云母膠結(jié)的石英粉砂巖；（4）紫紅色粉砂質(zhì)頁巖，夾紫紅色、灰色中厚層泥質(zhì)粉砂巖；（5）紫紅色粉砂質(zhì)水云母黏土巖，夾紫紅色中厚層鈣泥質(zhì)膠結(jié)的石英粉砂巖；（6）紫紅色粉砂質(zhì)水云母黏土巖，夾淺紫色、灰色簿至中厚層鈣質(zhì)膠結(jié)的石英細砂巖，具細層理構(gòu)造；（7）紫紅色粉砂質(zhì)水云母黏土巖，夾中厚層微粒泥質(zhì)灰?guī)r，前者有網(wǎng)狀鈣質(zhì)物分布。

4.1.2 侏羅系（J）紅層地質(zhì)剖面（新建鄭萬高鐵云陽境內(nèi)剖面）

新建鄭萬高鐵云陽境內(nèi)地層剖面分析：（1）黃綠色厚層中粒石膏膠結(jié)的巖屑亞長石砂巖，間夾薄層粉砂巖。剖面之西約2km 于本層頂部見紫紅色、灰色葉肢介頁巖。（2）紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖，夾灰色薄至中厚層泥質(zhì)長石巖屑石英粉砂巖，泥巖含鈣質(zhì)砂質(zhì)結(jié)核。（3）灰綠色厚層中粒水云母膠結(jié)的亞巖屑長石砂巖。沿走向砂巖厚度變化較大。（4）紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖，夾灰綠色中至厚層中粒巖屑亞長石砂巖及泥質(zhì)石英粉砂巖，砂巖多呈透鏡狀產(chǎn)出。泥巖中含鈣質(zhì)砂質(zhì)結(jié)核。（5）紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖，夫灰綠色簿至中厚層細粒巖屑亞長石砂巖，含泥礫，沿走向不穩(wěn)定，泥巖含鈣質(zhì)砂質(zhì)結(jié)核。（6）紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，夾灰綠色薄層、中厚層水云母膠結(jié)細粒長石巖屑石英砂巖。局部見灰綠色頁巖。（7）黃灰色厚層細至中粒綠泥石膠結(jié)的巖屑亞長石砂巖及水云母膠結(jié)的巖屑亞長石砂巖，結(jié)構(gòu)疏松，易風(fēng)化呈粉末狀。

通過標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)剖面分析：兩組地層巖性均已紫紅色泥巖為主，夾層雜亂，但是在分布的夾層中，（T2b2）地層的黏土巖成分較多，侏羅系（J）紅層很少或幾乎沒有[3]。

4.2 膨脹性指標(biāo)的對比分析

鄭萬高鐵開挖過程中，通過對（T2b2）地層及侏羅系（J）紅層地層進行多組取樣進行膨脹性指標(biāo)分析，并對試驗指標(biāo)與膨脹巖的分級指標(biāo)進行統(tǒng)計對比，詳見表2 和表3。

表2 取樣試驗統(tǒng)計分析

表3 膨脹巖的分級指標(biāo)

依據(jù)試驗結(jié)論得知：鄭萬高鐵重慶段（T2b2）地層與侏羅系（J）紅層地層的膨脹性指標(biāo)幾乎一致，均達不到膨脹巖的標(biāo)準(zhǔn)，只有在特定條件下，才具有一定的弱膨脹性，所以，其膨脹性對隧道工程的影響程度一致，無任何一方有明顯趨勢。

4.3 隧道開挖過程中地下水發(fā)育程度與地質(zhì)病害的對比分析

鄭萬高鐵（重慶段）隧道總數(shù)25.5 座（其中，0.5 座與湖北省界交界），其中有11.5 座隧道洞身穿越巴東組二段地層的泥巖夾砂巖，15 座隧道洞身穿越侏羅系紅層的泥巖夾砂巖。且施工已經(jīng)全面開挖，通過對所有隧道的穿越的地層巖性及地下水發(fā)育情況、病害情況進行統(tǒng)計，得出表4 中的數(shù)據(jù)。

依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)：巴東組二段（T2b2）地層地下水發(fā)育比例高于侏羅系（J）紅層地層，且導(dǎo)致的地質(zhì)病害遠前者也遠高于后者，說明在同等巖性情況下，巴東組二段（T2b2）地層的工程地質(zhì)條件差于侏羅系（J）紅層，因此，其圍巖分級與設(shè)計措施應(yīng)適時優(yōu)化與加強。

表4 （T2b2）地層與（J）地層地下水發(fā)育情況與隧道病害情況一覽表

4.4 對比分析結(jié)論

通過對鄭萬高鐵（重慶段）隧道開挖穿越巴東組二段（T2b2）地層與侏羅系（J）紅層開挖后的各類情況進行對比分析后，可知：

1）巴東組二段（T2b2）地層中的泥巖較侏羅系（J）紅層泥巖在一般條件下均不具有膨脹性，該類特性在這2 套地層中對隧道圍巖的影響情況一致；

2）巴東組二段（T2b2）地層中的泥巖較侏羅系（J）紅層泥巖隔水性差，透水能力強，致使其該層地下水也相對發(fā)育；

3）由于巴東組二段（T2b2）地層中的夾層中有大量的黏土巖成分，該類巖體的水敏性極強，因此，在地下水發(fā)育區(qū)段，隧道圍巖的工程地質(zhì)條件惡化周期段，波動劇烈，致使隧道極易變形、侵線。

5 結(jié)論及建議

經(jīng)以上分析與研究，得出以下結(jié)論和建議：

1）鄭萬線（重慶段）巴東組二段（T2b2）泥巖在一般情況下較侏羅系（J）紅層泥巖的工程地質(zhì)條件差，主要表現(xiàn)為地下水發(fā)育，且?guī)r體水敏性強，致使隧道圍巖地質(zhì)病害在該類地層尤其突出。

2）建議后期鐵路在勘察設(shè)計期間遇到巴東組二段（T2b2）地層時，慎重考慮地下水的含量及圍巖等級劃分；施工期間，該層遇到地下水發(fā)育時，必須及時排水且加強圍巖的支護措施，防治變形破壞。