朱容辰(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安　710043)Study on Complex Water Stability of Third Series Sandstone of Beihuan TunnelZHU Rongchen

北環(huán)隧道第三系砂巖復(fù)雜水穩(wěn)特性研究

朱容辰(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安710043)Study on Complex Water Stability of Third Series Sandstone of Beihuan TunnelZHU Rongchen

摘要蘭州地區(qū)分布的第三系含水砂巖具有異常復(fù)雜的工程特性，北環(huán)隧道洞身將穿越該套地層。介紹北環(huán)隧道的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)特征、巖體物理力學(xué)參數(shù)，并取巖樣做水穩(wěn)特性試驗。在綜合參考各試驗數(shù)據(jù)的情況下，分析控制隧道地質(zhì)條件的工程地質(zhì)問題，總結(jié)了北環(huán)隧道第三系砂巖的水穩(wěn)特征。

關(guān)鍵詞北環(huán)隧道第三系砂巖水穩(wěn)特性失穩(wěn)機理

北環(huán)隧道位于蘭州市安寧區(qū)沙井驛鎮(zhèn)及皋蘭縣九合鎮(zhèn)。隧道起止里程HK0+690～HK9+225，隧道長8 535 m，為雙線隧道，隧道洞身最大埋深220 m。地貌上屬低中山區(qū)，地面高程一般1 598～1 860 m，地形起伏較大，自然坡度約20°～45°，地表溝壑縱橫，溝谷多呈“V”字形。山頂平緩處及緩坡多為第四系上更新統(tǒng)風積黃土覆蓋，多基巖裸露，植被稀疏。第三系泥巖夾砂巖段坡面較陡，山頂渾圓；砂巖段地貌隨著巖體工程性質(zhì)的變化，由陡崖逐漸過渡為渾圓的山丘(見圖1)。

1地層巖性

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料[1-3]，隧道洞身通過的地層主要為第三系中新統(tǒng)泥巖夾砂巖、砂巖。本套地層屬于上第三系中新統(tǒng)咸水河組，從時代成因及巖性特征可分為上、中、下三段[4]。上段(HK0+690～HK1+050)主要以泥巖為主，泥巖占本段地層厚度的80%左右，上段地層的下部為一層厚約5～8 m的青灰色砂巖，砂巖結(jié)構(gòu)較疏松。中段(HK1+050～HK4+950)為泥巖夾砂巖，泥巖約占本套地層的60%左右，多為互層狀的泥巖、砂巖；本段地層底部為一層細礫巖，膠結(jié)較好，較堅硬。下段(HK4+950～HK9+225)為砂巖，本套地層的上部偶夾有0.5～2 m厚的泥巖，巖體為泥質(zhì)膠結(jié)，極少部分為鈣質(zhì)膠結(jié)，下部以純砂巖為主，膠結(jié)較差，遇水結(jié)構(gòu)易破壞，工程地質(zhì)性質(zhì)差。

2地質(zhì)構(gòu)造

該隧道在構(gòu)造上位于祁連褶皺系的中祁連隆起帶，處于北北西、北西西、北東—北東東構(gòu)造交匯部位。隧道通過區(qū)的構(gòu)造主要為李麻砂溝向斜，位于沙井驛與哈家嘴之間，軸向北北西，長約25 km，寬約10 km，向北開闊。兩翼傾角較緩，一般為15°～35°。隧道通過區(qū)位于李麻砂溝向斜構(gòu)造的西翼，為單斜地層，巖層產(chǎn)狀傾向東，地質(zhì)構(gòu)造相對簡單。

3水文地質(zhì)特征

3.1　地表水和地下水類型

隧道區(qū)地表水較發(fā)育，除進口小溝谷無地表水外，較大的李麻沙溝、拐子溝、八面溝、老羊溝及出口的大拉拉溝均有多處水塘和少量地表水流，地下水類型可分為黃土孔隙裂隙水和基巖裂隙水。

(1)黃土孔隙裂隙水

黃土孔隙裂隙水主要賦存于上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土中，主要分布于山間洼地，結(jié)構(gòu)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，有利于大氣降水的入滲。黃土潛水多不連續(xù)分布，沒有統(tǒng)一的潛水面，且季節(jié)性變化大，第四系孔隙潛水水位埋藏變化大，富水性較差。

(2)基巖孔(裂)隙水

該隧道洞身通過區(qū)地下水主要為基巖孔(裂)隙水，賦存于砂巖、泥巖夾砂巖地層中。泥巖結(jié)構(gòu)致密，產(chǎn)狀較平緩，節(jié)理裂隙不發(fā)育，滲透性差，不利于地下水的儲存和運移，僅在局部孔隙發(fā)育地段含少量地下水；砂巖中孔(裂)隙水由于成巖程度或風化帶厚度不一，節(jié)理裂隙發(fā)育程度等因素，變幅較大。本段地下水為孔(裂)隙潛水，埋深一般為42～86 m，溝谷區(qū)埋深較淺，一般在5～14 m，季節(jié)性變化較明顯。地下水的富集受地層巖性、地貌形態(tài)影響較為明顯，巖性含泥質(zhì)多，膠結(jié)性好，地下水貧乏，反之地下水富集；受巖性及補給條件限制，該地區(qū)水量一般不大，但溝谷區(qū)地下水相對富集。

隧道區(qū)地下水主要接受大氣降水補給，地下水從山頂向溝谷自高向低徑流匯集，多在深切溝谷處以泉、面狀滲水或蒸發(fā)的形式排泄。

3.2　地下水特征

為查明第三系砂巖的含水特性，隧道區(qū)共布鉆孔11個。11個鉆孔中除DXSZ-7未揭露到地下水外，其余鉆孔均揭露到地下水，并對有水鉆孔進行了提水試驗。由于鉆孔中的地下水水量小，只能選擇其中水量相對較大的4個鉆孔進行水文地質(zhì)計算(見表1)。

試驗成果數(shù)據(jù)及這4個鉆孔所處的地貌位置說明第三系砂巖具有弱富水性。在沖溝、地貌低洼帶，地表有灌溉農(nóng)田下部的第三系砂巖富水性相對其它地段要好。

3.3　水文地質(zhì)評價

第三系砂巖成巖程度較差，遇地下水易軟化或崩解。以下對隧道洞身通過砂巖中地下水對隧道施工的影響進行評價。

(1)HK4+950～HK7+295段：洞身通過巖性為砂巖，局部夾泥巖，膠結(jié)較好(多為泥、鈣質(zhì)膠結(jié))，黏粒含量較高，滲透系數(shù)相對較小，砂巖中的地下水主要以砂巖裂隙、層間水為主。本段施做4個鉆孔，水位埋深一般在40～86 m，從水位分布高程分析，地下水分布具有不均一性。在同一溝槽，地下水的分布、埋藏也存在明顯差異，其補給來源主要為大氣降水，大氣降水通過節(jié)理裂隙、地表匯水條件較好的溝谷下滲。由于該段砂巖中的地下水的富集受節(jié)理裂隙的控制，故地下水對砂巖工程性質(zhì)的影響在節(jié)理較發(fā)育段或地表匯水條件較好的溝谷淺埋段較為明顯。

(2)HK7+295～HK7+600段：該段位于沖溝淺埋段，巖性為砂巖，局部夾泥，膠結(jié)差，黏粒含量低，滲透系數(shù)相對較大。砂巖中的地下水主要以砂巖孔(裂)隙水為主，水位埋深一般在4～14 m，其補給來源主要為大氣降水和溝谷中第四系孔隙水雙重補給。大氣降水、第四系孔隙水通過砂巖節(jié)理裂隙下滲，在風化帶和節(jié)理帶中富集，對砂巖工程性質(zhì)有很大影響。

(3)HK7+600～HK8+640段：洞身通過巖性為砂巖，泥質(zhì)弱膠結(jié)，黏粒含量較低，滲透系數(shù)一般。砂巖中的地下水主要以砂巖裂隙水為主，水位埋深在34 m左右，其補給來源主要為大氣降水。該段地形陡峻，不利與大氣降水通過節(jié)理裂隙下滲補給地下水。地表灌溉農(nóng)田的灌溉水也對其下部第三系砂巖中的地下水有一定補給。該段砂巖中地下水的富集受節(jié)理裂隙控制，地下水對砂巖工程性質(zhì)的影響主要在節(jié)理密集帶段、地表人工灌溉用水活動區(qū)。

(4)HK8+640～HK9+225段：洞身通過巖性為砂巖，泥質(zhì)弱膠結(jié)，黏粒含量低，滲透系數(shù)相對高。砂巖中的地下水主要以砂巖裂隙水為主，水位埋深一般在42.9～50.3 m，其補給來源主要為大氣降水。該段地下水水位位于隧道洞身以下，但季節(jié)性水位波動可能對砂巖工程性質(zhì)產(chǎn)生影響。

4物理力學(xué)特征

勘察階段，通過鉆探取樣試驗，對北環(huán)隧道HK4+976～HK9+225段第三系砂巖的物理力學(xué)參數(shù)進行了試驗[5-6]。

4.1　密度

HK4+950～HK7+400段砂巖：天然密度為2.25～2.54 g/cm3，平均為2.25 g/cm3；顆粒密度為2.61～2.69 g/cm3，平均為2.64 g/cm3；HK7+400～HK9+225段砂巖：天然密度為1.86～2.34 g/cm3，平均為2.18 g/cm3；顆粒密度為2.60～2.64 g/cm3，平均為2.61 g/cm3。

4.2　含水率

HK4+950～HK7+400段砂巖：含水率(地下水位以下)為5.1%～6.2%之間，平均為5.4%，數(shù)值穩(wěn)定。HK7+400～HK9+225段砂巖：含水率為為5.6%～15.2%，平均為11.2%。HK4+950～HK7+400段砂巖：含水率低于HK7+400～HK9+225段。

4.3　黏粒含量

HK4+950～HK7+400段砂巖：黏粒含量為1.3%～1.7%，平均為1.5%。HK7+400～HK9+225段砂巖：黏粒含量為1.0%～1.7%，平均為1.5%。兩個段落砂巖黏粒含量基本一致。

4.4　滲透系數(shù)

HK4+950～HK7+400段砂巖：滲透系數(shù)為1.01×10-4～6.49×10-3cm/s。平均為2.01×10-3cm/s，HK7+400～HK9+225段砂巖：滲透系數(shù)為3.72×10-4～6.64×10-3cm/s，平均為1.74×10-3cm/s，兩個段落砂巖滲透系數(shù)均較低。

4.5　耐崩解系數(shù)

HK4+950～HK7+400段砂巖耐崩解指數(shù)為5.7%～49.4%，平均為30.1%；HK7+400～HK9+225砂巖耐崩解指數(shù)為3.6%～40%，平均為12.4%。HK4+950～HK7+400段砂巖耐崩解指數(shù)高于HK7+400～HK9+225段。

4.6　主要力學(xué)性質(zhì)

HK4+950～HK7+400段砂巖抗壓強度為1.11～7.44 MPa，平均為4.15 MPa；HK7+400～HK9+225砂巖抗壓強度為0.15～2.2 MPa，平均為0.66 MPa。HK4+950～HK7+400段砂巖抗壓強度高于HK7+400～HK9+225段。

4.7　水穩(wěn)特性試驗

為了解北環(huán)隧道砂巖的水穩(wěn)特性，選取不同鉆孔洞身附近的巖芯做簡易浸水試驗，試驗結(jié)果見表2。

5控制隧道地質(zhì)條件的工程地質(zhì)問題

影響隧道圍巖穩(wěn)定性的地質(zhì)元素主要有巖石性質(zhì)、地下水、巖體結(jié)構(gòu)特征及巖體中初始應(yīng)力特征等[7-9]。

5.1　巖性

隧道穿越的第三系砂巖，具結(jié)構(gòu)疏松、膠結(jié)差、強度低、黏粒含量低的特點，當隧道洞身位于地下水位以下時，圍巖的工程性質(zhì)急劇惡化，易發(fā)生涌水、涌砂，導(dǎo)致施工困難等地質(zhì)問題。

5.2　地下水

地下水對第三系砂巖的穩(wěn)定性起控制性作用。當?shù)谌瞪皫r含水量低且位于地下水位以下時，工程地質(zhì)條件一般；當砂巖含水量高且位于地下水位以上時，工程地質(zhì)性質(zhì)急劇惡化。

隧道穿越的第三系咸水河組下段的砂巖，與蘭渝鐵路桃樹坪及胡麻嶺隧道穿越的第三系砂巖屬同一套地層。桃樹坪、胡麻嶺隧道在穿越第三系砂巖時，由于其水穩(wěn)性差[10]，施工極為困難。

6結(jié)論

(1)該套第三系砂巖主要由粉細砂粒及中粒組成，局部夾有泥巖，黏粒含量較高，膠結(jié)較好，工程性質(zhì)較好；純砂巖處的黏粒含量低，膠結(jié)程度差，工程性質(zhì)較差[10]。由簡易浸水試驗可知，部分鉆孔砂巖試樣浸水后，表層迅速解體、開裂，周圍沉淀細砂，30 min時完全崩解，與桃樹坪隧道同一套砂巖的變形非常相似，均表現(xiàn)為含水率升高時，砂巖易發(fā)生塑性變形或流變。含水率達到極限時，其穩(wěn)定性降低，圍巖將發(fā)生變形、失穩(wěn)；當?shù)陀趪鷰r塑性變形的含水率時，圍巖基本穩(wěn)定，表明含水率的高低對圍巖穩(wěn)定性有顯著影響。

(2)該套砂巖的成分組成、膠結(jié)、含水率、滲透系數(shù)及耐崩解指數(shù)均呈各向異性狀態(tài)，具有不均一性，不同深度內(nèi)，巖芯軟硬程度、膠結(jié)程度、完整程度均不一致。受水浸泡及外部條件的影響，圍巖穩(wěn)定性有較大差異，不確定性較強。

(3)黏粒含量較高的砂巖膠結(jié)程度較好，滲透系數(shù)相對較低，抗壓強度相對較高，抗水浸泡性較好，穩(wěn)定性相對較好。

(4)不同區(qū)域的第三系砂巖性質(zhì)稍有不同，其物質(zhì)組成、膠結(jié)程度、水穩(wěn)特性均有區(qū)別；同一區(qū)域的砂巖其物質(zhì)組成、膠結(jié)程度、水穩(wěn)特性亦有區(qū)別，差異比較大。北環(huán)隧道穿越的砂巖可分為上部(HK4+950～HK7+450)、下部(HK7+400～HK9+255)，其工程性質(zhì)有所差異。上部砂巖具有膠結(jié)較好，夾少量泥巖，巖石強度較高，遇水不易軟化、砂化的特點；下部砂巖膠結(jié)差，黏粒含量低，巖石強度也低，遇水極易軟化、砂化?？傮w上是上部好于下部，軟硬交互分布。

(5)隧道穿越第三系砂巖時施工風險較大，當線路以隧道形式穿越時，軌面高程應(yīng)盡量位于地下水位以上，且選擇砂巖含水率低的段落通過。為降低風險，隧道通過段落越短越好[11]。

參考文獻

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[11]何振寧.區(qū)域工程地質(zhì)與鐵路選線[M].北京：中國鐵道出版社，2004

中圖分類號：P642

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)06-0041-03

作者簡介：朱容辰(1983—)，男，2009年畢業(yè)于成都理工大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

收稿日期：2015-10-12