高勤運(yùn)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

蘭渝鐵路隧道第三系砂巖含水率與圍巖穩(wěn)定性關(guān)系研究

高勤運(yùn)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

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，圍巖穩(wěn)定性隨時(shí)間延長、含水率升高而顯著變差，極易產(chǎn)生塑性變形或流變。通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)，研究了圍巖結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度與砂巖含水率的關(guān)系，得到圍巖發(fā)生變形的臨界水穩(wěn)數(shù)據(jù)，分析了降水對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響程度，探討了微觀層次下砂巖遇水失穩(wěn)的機(jī)理。研究表明，隨開挖時(shí)間的延長，第三系弱膠結(jié)砂巖的含水率呈指數(shù)形式上升，長期抗剪強(qiáng)度顯著降低;當(dāng)含水率接近塑限和液限時(shí)，圍巖開始變形失穩(wěn)。超前降水可有效提高圍巖穩(wěn)定性。

第三系砂巖 含水率 圍巖穩(wěn)定性 變形 失穩(wěn)機(jī)理

蘭渝鐵路蘭州至廣元段桃樹坪隧道、胡麻嶺隧道局部地段通過第三系砂巖。在無地下水地段，圍巖整體穩(wěn)定性較好;在含水地段，砂巖遇水后結(jié)構(gòu)迅速破壞，開挖擾動(dòng)后多呈粉細(xì)砂狀，穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生圍巖變形、坍塌、流沙，基底軟弱等現(xiàn)象，對(duì)隧道開挖極為不利。為優(yōu)化施工工藝和工法，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，開展第三系砂巖含水率與圍巖穩(wěn)定性關(guān)系研究。

1 砂巖的成因與分布

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料［1-2］，蘭州盆地的第三系砂巖屬中新統(tǒng)咸水河組下段，屬河流—湖泊相沉積，為單純的桔紅色厚層塊狀疏松砂巖，底部為泥鈣質(zhì)結(jié)核層或砂礫巖層，厚約59～593 m，集中出露在黃河以北的咸水河、哈家嘴、沙井驛、石門溝一帶，在蘭州市城關(guān)區(qū)、安寧區(qū)及西固區(qū)石崗一帶下伏基巖也多為砂巖［3］。在地貌上表現(xiàn)為黃土梁峁和河谷階地，上覆風(fēng)積和沖洪積黃土，下伏第三系砂巖。

2 砂巖的工程性質(zhì)

隧道通過區(qū)的第三系砂巖礦物成分以石英、長石等為主，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，巨厚層狀，產(chǎn)狀近水平，偶見節(jié)理，泥質(zhì)弱膠結(jié)，成巖差，鉆孔巖芯多呈碎塊或短柱狀，手捏即碎，縱波波速1 600～2 200 m/s［4］，工程性質(zhì)更接近于具壓密作用的粉細(xì)砂，原始狀態(tài)下密實(shí)度和變形模量均比較高。

2.1 主要物理性質(zhì)

根據(jù)對(duì)桃樹坪隧道T0，T2號(hào)斜井、胡麻嶺隧道H3，H4號(hào)斜井原狀樣的試驗(yàn)結(jié)果分析，砂巖的粒徑大多在0.075～0.25 mm，黏粒含量為0.53%～8.52%，含水率約為4%～16%，天然密度為1.882～2.162 g/cm3，相對(duì)密度為2.64～2.67，孔隙率為26.62%～30.66%，飽和度23.06%～98.63%;滲透系數(shù)為1.84 ×10－4～6.49×10－5cm/s。反映該砂巖的砂質(zhì)純凈，級(jí)配較均勻，礦物組成穩(wěn)定，孔隙發(fā)育，多處于飽和狀態(tài)，整體滲透性能較差。

2.2 力學(xué)性能

隧道開挖揭示的砂巖含水率較高，孔隙發(fā)育，無膠結(jié)～弱膠結(jié)，手捏即碎，天然抗壓強(qiáng)度一般＜1 MPa，且遇水浸潤后易崩解，無法實(shí)測(cè)飽和抗壓強(qiáng)度，局部見有鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖薄層或結(jié)核，巖質(zhì)相對(duì)較硬，天然抗壓強(qiáng)度達(dá)2.46～7.58 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度約0.80～2.67 MPa;直剪試驗(yàn)黏聚力為14.21～99.38 kPa，平均為56.79 kPa，內(nèi)摩擦角31.96°～53.59°，平均為44.24°;壓縮模量為11.34～39.87 MPa，平均為19.05 MPa，表明砂巖整體較為松散破碎，強(qiáng)度受含水率和膠結(jié)程度影響較大。

3 含水率對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

影響隧道圍巖穩(wěn)定性的地質(zhì)因素主要有巖石性質(zhì)、地下水、巖體結(jié)構(gòu)特征以及巖體中初始應(yīng)力狀態(tài)等［5］。相同條件下，因地下水的存在和作用，對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性的影響很大，特別是對(duì)軟弱巖石。

桃樹坪和胡麻嶺隧道的施工過程就印證了這點(diǎn)，在含水率低或無地下水地段，圍巖穩(wěn)定性較好，施工進(jìn)展順利(斜井最快達(dá)134 m/月);當(dāng)砂巖含水率高且有滲水時(shí)，圍巖穩(wěn)定性變差，施工緩慢，月進(jìn)尺在10～15 m左右。因此，對(duì)于軟巖來說，巖石含水率是一個(gè)比較關(guān)鍵的物理性質(zhì)指標(biāo)，對(duì)研究圍巖穩(wěn)定性有重要意義。

3.1 含水率與圍巖變形

桃樹坪和胡麻嶺隧道施工進(jìn)入有地下水的砂巖段后，進(jìn)度緩慢。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)一般情況下掌子面在開挖3～5 h內(nèi)圍巖整體穩(wěn)定性較好;3～5 h后砂巖含水率快速增長，出現(xiàn)滲水，圍巖開始變形;開挖7 h后砂巖基本達(dá)到飽和狀態(tài)，圍巖收斂、變形加大，且局部會(huì)發(fā)生流變，下斷面和邊墻出現(xiàn)溜塌現(xiàn)象。通過降水，砂巖含水率會(huì)緩慢降低，圍巖也逐漸趨于穩(wěn)定。

針對(duì)施工中砂巖含水率的變化特點(diǎn)，在掌子面開挖前后均未降水、先開挖后降水及超前降水三種工況下，分時(shí)間段取樣測(cè)定砂巖的含水率，分析隧道開挖過程中含水率與圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系。胡麻嶺隧道掌子面在三種工況下砂巖含水率隨時(shí)間變化曲線見圖1［6］。

圖1(a)顯示，隧道掌子面砂巖在開挖0～4 h內(nèi)含水率較低;4 h后含水率開始快速上升;6 h后達(dá)到14%，圍巖開始發(fā)生塑性變形，但穩(wěn)定性較好;8 h后含水率持續(xù)上升，11 h后局部砂巖飽和，開始發(fā)生流變，圍巖的穩(wěn)定性大大降低。

從圖1(b)可以看出，在掌子面開挖3 h內(nèi)，砂巖含水率約為10%左右;3 h砂巖開始出現(xiàn)滲水，含水率急速增長，并且逐漸發(fā)生塑性變形，約7 h含水率急劇上升到18%，局部發(fā)生流變，圍巖失穩(wěn)。之后隨著降水工作的開展，砂巖的含水率會(huì)逐漸下降，并在17 h后降至11%左右，圍巖基本穩(wěn)定，開始開挖。

從圖1(c)可以看出，掌子面采取超前降水措施后砂巖含水率雖有波動(dòng)，但變化幅度不大，基本保持在7%～8%之間，圍巖穩(wěn)定性相對(duì)較好。

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和分析表明:桃樹坪和胡麻嶺隧道區(qū)域分布的第三系砂巖塑限含水率約為14.1%，液限含水率17.2%;發(fā)生塑性變形的含水率為12%～16%，發(fā)生流變的含水率為18%～19%，當(dāng)砂巖含水率達(dá)到上述極限時(shí)，其穩(wěn)定性將大大降低，發(fā)生變形并最終導(dǎo)致失穩(wěn);超前降水能夠控制圍巖含水率在5%～9%，低于塑性變形的含水率。

同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果還表明，隧道各掌子面從開挖到6 h左右，砂巖含水率隨時(shí)間的變化情況基本相似，均呈指數(shù)形式上升，達(dá)到塑限值及液限值后開始失穩(wěn)，因而這一時(shí)間也是圍巖開始失穩(wěn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。圍巖失穩(wěn)前含水率與時(shí)間的關(guān)系，可用式w∝e0.08～0.15t來表示，其中w為含水率，t為時(shí)間(0＜t≤6 h)。

圖1 胡麻嶺隧道掌子面砂巖含水率隨時(shí)間變化曲線

3.2 含水率與圍巖強(qiáng)度

地下水對(duì)軟弱巖石的影響非常明顯，如泥質(zhì)板巖，含水率增加1.5%，其強(qiáng)度減小到最初值的1/3［7］。對(duì)于桃樹坪和胡麻嶺隧道的第三系疏松砂巖，地下水溶蝕了巖石和結(jié)構(gòu)面中的泥質(zhì)膠結(jié)物，潛蝕充填物中的細(xì)小顆粒，使巖石軟化，孔隙度增加，強(qiáng)度降低。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示，砂巖的壓縮模量、抗剪強(qiáng)度都隨著含水率的變化而變化。隨著含水率的增加，力學(xué)指標(biāo)都顯著下降，且它們之間互相影響、互相聯(lián)系、互相依存，有著一定的內(nèi)在關(guān)系。經(jīng)一元回歸分析，建立了含水率與黏聚力、內(nèi)摩擦角的函數(shù)關(guān)系式，見圖2。

由圖2可以看出，砂巖的長期抗剪強(qiáng)度隨含水率增大而明顯降低，其中黏聚力呈線性衰減，衰減幅度比較大;內(nèi)摩擦角呈指數(shù)衰減，降低幅度比較小。表明黏聚力對(duì)含水率的變化比較敏感。

圖2 含水率與內(nèi)摩擦角、黏聚力的關(guān)系

4 圍巖遇水軟化失穩(wěn)機(jī)理微觀分析

采用掃描電鏡觀察第三系砂巖軟化前后的微結(jié)構(gòu)變化，提取顆粒和孔隙的形態(tài)、大小、面積、數(shù)量、方向等微結(jié)構(gòu)參數(shù)，定性定量分析其在自然狀態(tài)和塑性流變狀態(tài)下內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化過程，探討遇水軟化失穩(wěn)的機(jī)理［8］。

通過對(duì)所有試樣的電鏡掃描圖片進(jìn)行觀察，并結(jié)合相關(guān)理論進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，第三系弱膠結(jié)砂巖骨架顆粒為粒狀，表面附有少量鱗片狀的黏土礦物，孔隙以架空孔隙為主，鑲嵌孔隙次之，顆粒間多為點(diǎn)接觸或局部面接觸，接觸面積小。在地下水的作用下發(fā)生流變后，內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)重新排列，孔隙數(shù)量成倍增加遠(yuǎn)超過流變前，變形后相同視域內(nèi)孔隙的總面積略有增加，但由于孔隙總數(shù)量的猛增導(dǎo)致試樣整體孔隙的平均面積和平均直徑均有所降低。

圖3為兩種狀態(tài)下放大1 000倍的對(duì)比圖。由圖可見，未流變的試樣整體上較均勻干凈，骨架顆粒表面粗糙，黏土礦物均勻裹在其上;流變后，各種絮狀沉淀物沉積于大孔隙的邊緣以及顆粒接觸點(diǎn)局部區(qū)域，顆粒疏松，表面相對(duì)光滑，已沒有包裹物。

圖3 第三系砂巖在兩種狀態(tài)下的電鏡掃描圖片

因此，當(dāng)?shù)谌等跄z結(jié)砂巖未受地下水浸潤時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)顆粒間的黏土礦物黏聚力與摩擦力使得巖體具有相對(duì)較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能夠抵抗一定強(qiáng)度的荷載;但當(dāng)開挖過程中遇到地下水，黏土礦物浸泡后軟化，在水流的溶蝕及沖擊作用下被帶走，使得顆粒間的點(diǎn)接觸逐步消失，大量的中、小孔隙急劇增加，并且顆粒膠結(jié)作用越強(qiáng)的地方，因結(jié)構(gòu)浸水損失的強(qiáng)度就越大，越容易發(fā)生塑性變形并最終導(dǎo)致流變。

5 結(jié)論

1)第三系砂巖顆粒組成以粉細(xì)粒為主，泥質(zhì)弱膠結(jié)，成巖作用差，由于黏粒含量少，結(jié)構(gòu)脆弱，極易破壞，工程性質(zhì)極差，對(duì)地下水的作用敏感。

2)地下水對(duì)第三系砂巖穩(wěn)定性影響非常大，在溶解和滲流作用下，砂巖膠結(jié)物明顯減少，孔隙率顯著增加，結(jié)構(gòu)趨于疏松，黏聚力、內(nèi)摩擦角減小，長期抗剪強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致塑性變形或流變。

3)第三系砂巖在無地下水地段，圍巖穩(wěn)定性較好;在含水地段，圍巖穩(wěn)定性隨含水率和時(shí)間延長顯著變化，隧道掌子面開挖后3～5 h為圍巖開始塑性變形的臨界時(shí)間點(diǎn)，含水率為12%～16%;7～10 h為流變的臨界時(shí)間點(diǎn)，含水率為18%～19%。掌子面開挖前超前降水可以使圍巖含水率維持在10%以下，有效地提高了圍巖的穩(wěn)定性。

［1］甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局．甘肅省區(qū)域地質(zhì)志［M］．北京:地質(zhì)出版社，1989:290-302．

［2］黃德征，翟玉沛，曹志霖，等．中華人民共和國1∶20萬地質(zhì)圖蘭州幅(J-48-32)［Z］．蘭州:地質(zhì)部甘肅省地質(zhì)局第一區(qū)域地質(zhì)測(cè)量隊(duì)，1965:15-17．

［3］董其鳳，陳萬業(yè)．蘭州第三系砂巖工程特性研究［J］．蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，39(3):90-93．

［4］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．桃樹坪隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2009．

［5］中華人民共和國鐵道部．TB 10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2007．

［6］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．第三系砂巖復(fù)雜的水穩(wěn)特性地質(zhì)專題研究報(bào)告［R］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011．

［7］鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院．鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)［M］．北京:中國鐵道出版社，1999:563-564．

［8］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西南交通大學(xué)．蘭渝線桃樹坪、胡麻嶺隧道第三系含水砂巖水文地質(zhì)條件與圍巖穩(wěn)定性關(guān)系研究［R］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，成都:西南交通大學(xué)，2013．

(責(zé)任審編葛全紅)

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10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．18

1003-1995(2015)03-0062-03

2014-05-07;

2014-09-20

高勤運(yùn)(1971—)，男，甘肅天水人，教授級(jí)高級(jí)工程師。