劉艷敏，余宏明，汪 燦，王春磊

（中國地質大學（武漢）工程學院，武漢 430074）

1 引 言

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

國家重點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，路面開裂、邊溝變形、襯砌支護垮塌，隧道滴水、漏水現(xiàn)象嚴重[3－4]。2009年，該工作區(qū)擬建涼水井、花櫟包等公路隧道工程，為確保工程順利進行，預防、減少病害現(xiàn)象，本文主要結合該區(qū)域工程地質情況，針對該區(qū)域出露的病害巖體——硬石膏巖進行研究。

國內關于硬石膏巖的研究成果相對較少，早期多集中在膏巖成因及賦存規(guī)律研究，近幾年，部分學者針對膏巖溶蝕特性開展過有針對性的研究，但成果多是在定性分析的基礎上[5]，而綜合其所在環(huán)境進行系統(tǒng)定量分析的研究成果較少。本文主要以試驗手段為依托，對工作區(qū)出露的硬石膏巖主要造巖礦物及其膨脹特性、腐蝕特性進行了定量分析，并結合區(qū)域工程地質情況及與硬石膏巖共生的白云巖層的水理性質進行研究，綜合分析其對隧道結構的危害機制，提出治理建議。

2 區(qū)域工程地質概況

2.1 工程概況

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

十字埡隧道全長為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條件

隧址所在地區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(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，雨勢猛，強度大，其降雨量占全年平均降雨量77.8%。全年多東南風。

研究區(qū)位于構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)鉆探及地質調繪資料，研究區(qū)內的地層主要有三疊系下統(tǒng)嘉陵江組鹽溶角礫巖、白云質灰?guī)r和石膏質灰?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。與碳酸鹽巖及泥質類巖共生產出，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。受當時沉積環(huán)境影響，石膏質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，巖體表面經物理化學風化成灰黑色、黑色，新鮮斷面呈灰白色、白色，具細粒結晶粒狀結構，斷面可見薄的紋層狀構造，加HCl不起泡，硬度為2～3。

取代表性巖樣進行X-衍射礦物成分分析，鑒定其主要造巖礦物為石膏，含量達到95%，同時含有少量的滑石、透閃石（見表1）。

表1 硬石膏巖X—衍射分析結果(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 硬石膏巖水理性質研究

含膏質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，對混凝土結構危害程度也不同。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，本文主要針對此類巖體，采用室內制備水樣，進行分析。

取代表性硬石膏巖樣置于研缽中碾碎，過篩，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2-2）和100 ml當?shù)赜晁校ň幪?-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，對該巖溶水溶液及雨水（編號 2-4）離子成分、含量進行鑒定，試驗結果見表2。

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

試驗結果顯示：

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），其與試驗結果相似，因此，研究中，可以依據(jù)其溶解度值及 XRD試驗分析中石膏的含量算得不同石膏含量的石膏質巖溶液中硫酸根離子濃度，近似代替試驗結果進行分析。

④對比2-2、2-3兩組溶液離子色譜分析結果，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結果。再加上地下水對巖體的反復溶蝕作用、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)境水的侵蝕強度與程度均要大于試驗分析結果，因此，提出防治工程建議時均需相應提高一個等級。

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，可轉變?yōu)楹瑑蓚€結晶水的石膏。在這個過程中石膏體積增大，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]。但實際上，在自然界中，石膏、硬石膏巖很少是純質的，其實際體積增加值往往小于理論上計算的數(shù)值。因此，不同硬石膏巖的實際水化膨脹量及與其相應的膨脹力應通過試驗獲得。

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

經過72 h，試驗結果趨于穩(wěn)定。測得其側向膨脹率為1.7%～2.3%。同時進行膨脹力測定。本次主要進行了4組膨脹力試驗，結果見表3。

表3 硬石膏巖膨脹力試驗分析結果(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系曲線圖Fig.2 The relation curves of the bibulous rate and the force of expansion of anhydrock

對試驗過程及試驗結果進行分析，可以得到以下結論：

①硬石膏巖水化膨脹過程十分緩慢，試驗進行72 h時測得最大膨脹力為2.24 kPa，但試驗 過程中，發(fā)現(xiàn)其膨脹力仍然在緩慢的增長。國內關于此方面的研究資料尚不完整，根據(jù)有關文獻記載[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)本次試驗結果線膨脹系數(shù)為 0.080～0.115進行推測，其膨脹力可達到584～840 kPa。

②試驗結果顯示，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。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，且試驗結果可近似線性擬合，試驗分析結果見圖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、灰質白云巖層成共生分布，區(qū)內白云巖經雨水侵蝕與暴曬后，易剝裂，巖體表面雨水浸潤痕跡明顯，用小刀輕刮，大量白色粉末脫落。該巖體經反復日曬雨淋強度明顯降低，區(qū)內亦可見條帶狀分布已風化成粉末狀的白云巖。因此，取代表性巖樣，對其溶蝕特征進行分析。

4.2 白云巖溶蝕特征研究

本次試驗主要采用環(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的微區(qū)成分，對樣品表面進行氧化物的定量分析。研究工作區(qū)白云巖風化、受水侵蝕強度降低機制。同時，根據(jù)研究成果，對石膏巖與白云巖共同作用下，對隧道結構危害進行分析。試驗分析結果見圖 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

試驗結果分析：

（1）該巖樣主要造巖礦物為白云石與方解石，同時，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，表面可見大量溶蝕痕跡（見圖 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)，偶見糖粒狀，在方解石與白云石交接地帶，孔隙明顯增多（見圖4），由此推斷兩礦物差異溶蝕作用是導致該巖體疏松多孔、結構破碎、強度降低的主要原因。

5 硬石膏巖病害作用機制分析

5.1 硬石膏巖力學性質對隧道結構的危害

硬石膏巖層隨著隧道的開挖逐漸暴露在地表環(huán)境下，臨空面增加，圍巖壓力重分布，導致地下水原有的補給、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，一方面產生側向膨脹變形；另一方面，硬石膏水化，石膏分子重新結合為二水石膏，產生側向膨脹力。

經研究發(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系。巖體吸水膨脹，產生側向變形，對隧道工程混凝土結構擠壓作用增強，導致混凝土結構局部應力集中，結構破壞，影響混凝土結構耐久性。

結合原209國道十字埡隧道變形破壞特征進行分析，由于隧道拱部及邊墻常常成為地下水流經廊道，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、開裂，邊溝變形破壞現(xiàn)象明顯的原因。

5.2 硬石膏巖溶液對隧道結構的危害分析

硬石膏巖溶液對隧道結構的危害主要表現(xiàn)為地下水中硫酸鹽對混凝土材料的侵蝕[12]。其侵蝕過程主要包括3個方面：

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、蜂窩及微裂隙的產生，隨著硫酸鹽侵蝕的逐步深入，混凝土表面剝蝕，結構逐漸松散，這個過程往往比較緩慢，侵蝕破壞相對較弱。

②微裂隙的產生，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物氫氧化鈣反應，生成具有弱膨脹性的二水硫酸鈣使得混凝土結構中產生外加內應力，導致微裂隙擴展、延伸，加速了侵蝕性硫酸鹽溶液的侵入。

主要反應式為

③硫酸鹽溶液進一步侵入，第1步水化產物（硫酸鈣）在孔隙中積聚，并與水泥水化產物鋁酸鈣及水化單硫鋁酸鈣反應生成鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4），導致混凝土結構迅速膨脹、結構破壞、強度喪失。

主要反應式為

5.3 硬石膏巖與白云巖、灰質白云巖共同作用下對隧道結構危害分析研究

工作區(qū)中，由于白云巖、灰質白云巖的廣泛分布，加劇了硬石膏巖對隧道結構的危害，主要表現(xiàn)在以下3個方面：

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水、流通廊道，加速硬石膏巖水化膨脹及溶蝕效應。

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

其主要反應式為

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，促使溶蝕效應進一步加劇。同時，由于硬石膏巖溶蝕環(huán)境水中常常含有硝酸、鹽酸有機酸等酸根離子，這些酸根離子混合后的地下水對碳酸鹽巖腐蝕作用往往更強，促使溶蝕進一步發(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構的主要力學效應問題。因此，降低地下水水位是治理的關鍵措施：在洞內或洞外采取措施來降低地下水水位均可，但考慮到隧道路面結構及使用功能，建議采用洞外降水措施，可在隧道富水一側設置與隧道軸線平行的縱向泄水廊道，以達到降低地下水水位的要求。

（2）硬石膏巖溶蝕后產生的酸性硫酸根是危害隧道混凝土結構的主要因素。在這一破壞過程中，硫酸鹽與混凝土水化產物氫氧化鈣反應并最終生成鈣礬石。而地下水的酸性環(huán)境同時也使得與硬石膏巖成共生產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，從而進一步導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，注重提高材料的防水與耐侵蝕性。

（2）對于中等硫酸鹽腐蝕，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等級不小于 P8，最小水泥用量不應小于330 kg/m3，最大水灰比不應大于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，對于防治中等抗硫酸鹽的侵蝕可收到安全、經濟的效果[15]。

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

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