趙 文

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

1 概述

新建西寧至成都鐵路位于青海、甘肅、四川三省交界地帶。走行于青藏高原東部邊緣與黃土高原過(guò)渡地帶，整體呈南北走向，北起青海省東北部的西寧盆地，向南經(jīng)祁連山、穿秦嶺、跨若爾蓋草原、抵岷山山脈，于四川省松潘縣黃勝關(guān)站與成蘭鐵路接軌，項(xiàng)目新建長(zhǎng)度509 km[1]。其中拉脊山越嶺段南、北麓廣泛分布第三系、白堊系地層[2]，其中第三系貴德組、白堊系民和組砂、礫巖鉆探揭示呈散沙狀、碎塊狀，且含穩(wěn)定的地下水位，局部具承壓性。其巖性具有結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)程度差、強(qiáng)度低、遇水軟化等特點(diǎn)，屬含水弱膠結(jié)地層[3]。

類比蘭渝鐵路施工階段第三系砂巖的工程地質(zhì)問(wèn)題，即復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，砂巖在水作用下穩(wěn)定性變差、變形大、開挖及支護(hù)難度大，涌水、涌砂，軟硬不均、降水及開挖困難，施工階段通過(guò)大量試驗(yàn)對(duì)掌子面圍巖變形與含水率關(guān)系研究、控制含水率對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響研究[4-10]才認(rèn)識(shí)第三系砂巖水穩(wěn)性問(wèn)題。本文在勘察階段通過(guò)地面調(diào)查、鉆探分析白堊系民和組、第三系貴德組地層結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)室內(nèi)巖石試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)、黏土礦物含量試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)，考慮賦水特征，對(duì)各套巖性進(jìn)行工程水穩(wěn)性綜合評(píng)價(jià)研究。

2 巖體結(jié)構(gòu)特征

2.1 第三系貴德組巖體結(jié)構(gòu)特征

(1)泥巖：黃褐、棕黃、棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，成分主要以黏土礦物為主，巖芯呈短柱狀，節(jié)長(zhǎng)10～20 cm，巖質(zhì)較軟，成巖作用差，錘擊易碎，遇水易崩解。

(2)砂巖：褐黃色，粉砂狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)孔隙不明顯、松散而均勻，黏粒依附在顆粒表面，盆地邊緣砂巖中多含有2～10 mm礫石，盆地中央砂質(zhì)較純，成巖作用差，巖芯呈散狀?yuàn)A少量短柱狀，遇水成砂狀(圖1)。

(3)礫巖：黃褐、青灰色，礫狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)孔隙明顯、松散而不均勻，黏粒依附在礫石與礫石接觸點(diǎn)，泥砂質(zhì)膠結(jié)，礫石成分以石英巖、砂巖為主，分選一般，巖芯呈柱狀、短柱狀，成巖作用差，錘擊易碎(圖2)。

圖1 貴德組弱膠結(jié)砂巖

圖2 貴德組弱膠結(jié)礫巖

2.2 白堊系民和組巖體結(jié)構(gòu)特征

(1)砂巖：棕紅色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)孔隙明顯、松散而均勻，黏粒依附在顆粒表面，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，巖體呈碎塊狀為主，局部為散砂狀(圖3)，成巖較差，較破碎。

(2)礫巖：棕紅、青灰色，礫狀結(jié)構(gòu)，厚層-巨厚層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)孔隙不明顯、松散而不均勻，黏粒依附在礫石與礫石孔隙內(nèi)，礫石分選不好，巨礫和泥質(zhì)混雜，礫石成分復(fù)雜，以花崗巖、板巖、石英巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)，巖體呈柱狀為主(圖4)，局部為碎塊狀，較完整[11]。

圖3 民和組弱膠結(jié)砂巖

圖4 民和組弱膠結(jié)礫巖

3 巖體物理力學(xué)特征

取柱狀巖芯進(jìn)行天然極限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析巖體堅(jiān)硬程度，采用綜合測(cè)井進(jìn)行縱波波速測(cè)試，分析巖體完整程度[12]，其試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 西寧至成都鐵路第三系、白堊系地層物理力學(xué)指標(biāo)

第三系、白堊系屬弱膠結(jié)地層，天然抗壓強(qiáng)度大部分小于5 MPa，由于飽和抗壓強(qiáng)度需要巖樣在水中自由吸水48 h[13]，第三系、白堊系地層已崩解，其飽和抗壓強(qiáng)度均無(wú)法測(cè)得，屬極軟巖。其聲波波速均大于1.5 km/s，巖體相對(duì)較完整。

4 顆粒分析試驗(yàn)

由于鉆孔揭示第三系、白堊系砂、礫巖呈散沙狀、碎塊狀，遇水極易崩解，磨片制樣困難。取弱膠結(jié)砂巖、礫巖進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)[14]，把粒徑小于0.005 mm定義為黏粒含量[15]。其試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 西寧至成都鐵路第三系、白堊系地層顆粒分析成果

對(duì)于拉脊山南北麓弱膠結(jié)地層而言，其物理與力學(xué)特性主要受巖體內(nèi)部黏粒含量的影響。一般情況下，黏粒含量越高，巖石膠結(jié)程度越高。第三系貴德組、白堊系民和組砂、礫巖黏粒含量為0～6%，處于弱膠結(jié)狀態(tài)。

5 黏土礦物含量試驗(yàn)

黏土礦物主要包括蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石及混層結(jié)構(gòu)等，而黏土礦物晶體結(jié)構(gòu)的差異使巖體表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性。黏土礦物的成分及含量不同，引起巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、物理力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)也不相同。吸水后使得巖石內(nèi)產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，同時(shí)部分黏土礦物的膠結(jié)物被稀釋、軟化或溶解，于是導(dǎo)致巖石發(fā)生泥化、軟化、膨脹和崩解等一系列物理現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象整體表現(xiàn)出巖石的水穩(wěn)性。本次試驗(yàn)采用X射線衍射分析[16]，其測(cè)試結(jié)果詳見表3。

表3 第三系、白堊系地層黏土礦物比例含量、種類

第三系貴德組弱膠結(jié)巖地層黏土礦物成分以伊/蒙混層為主，其次為蒙脫石、伊利石、含少量高嶺石、綠泥石，伊/蒙混層占43%～63%，蒙脫石占4%～24%。

白堊系民和組弱膠結(jié)巖地層黏土礦物成分以伊/蒙混層為主，其次為伊利石、蒙脫石、高嶺石，含少量綠泥石，伊/蒙混層占50%～68%，蒙脫石占13%。

第三系、白堊系弱膠結(jié)砂、礫巖因其內(nèi)部黏土礦物含量較高及孔隙度較高，結(jié)構(gòu)壓實(shí)性差等特點(diǎn)，水分子易進(jìn)入黏土礦物晶胞層間及碎屑顆粒之間，黏土礦物遇水極易與水發(fā)生作用，形成層間膨脹和粒間膨脹，導(dǎo)致弱膠結(jié)巖石結(jié)構(gòu)性損傷。

6 賦水性特征

第三系貴德組地層位于化隆盆地，盆地邊緣以礫巖、泥巖為主，盆地中心以泥巖、砂巖為主，盆地邊緣地下水主要靠上部含水層的垂向補(bǔ)給及拉脊山基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，該段地層多為含地下水，屬含水地層。盆地中心地層具備地下水的賦存條件，但由于泥巖的阻隔，地下水的徑流條件較弱，局部可能賦存地下水。

白堊系民和組地層位于西寧盆地，上部為砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖，中部以粉砂質(zhì)泥巖，底部為砂巖夾礫巖為主，該段以砂、礫巖為主，地表基巖裸露，地下水可以接受降水、溝水的垂向入滲補(bǔ)給及拉脊山山區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給。根據(jù)現(xiàn)有的鉆探資料顯示，多揭示有裂隙孔隙地下水，且于盆地中心揭示有承壓水，承壓水溢流出地表，且流量穩(wěn)定，屬含水地層[17]。

7 現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)

為查明第三系、白堊系地層工程水穩(wěn)特性，取鉆孔洞身附近巖芯進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)[18-20]，觀察不同時(shí)間點(diǎn)下巖體浸水過(guò)程的吸水、泥質(zhì)析出、掉渣開裂情況，詳見表4。

表4 寧至成都鐵路第三系、白堊系地層浸水試驗(yàn)

根據(jù)吸水情況初判其膠結(jié)的填充方式，根據(jù)泥質(zhì)析出情況初判其膠結(jié)物類型，最后根據(jù)泡水時(shí)間長(zhǎng)短情況判定其水穩(wěn)性。

8 水穩(wěn)性綜合評(píng)價(jià)

結(jié)合顆粒分析試驗(yàn)、黏土礦物含量試驗(yàn)、巖芯現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)成巖情況、膠結(jié)類型、水敏感性特征、賦水性特征進(jìn)行歸納分類，并進(jìn)行水穩(wěn)性綜合評(píng)價(jià)。詳見表5。

第三系貴德組泥巖、白堊系民和組礫巖浸水2～5 h呈碎塊狀，水敏感性一般，屬泥質(zhì)弱膠結(jié)、孔隙式膠結(jié)，水穩(wěn)性綜合評(píng)價(jià)較差；第三系貴德組砂、礫巖與白堊系民和組砂巖浸水30 min～2 h呈散沙狀、碎塊狀，水敏感性差，屬未膠結(jié)、接觸式膠結(jié)，水穩(wěn)性綜合評(píng)價(jià)極差。

表5 西寧至成都鐵路第三系、白堊系地層水穩(wěn)性綜合評(píng)價(jià)

9 結(jié)論

(1)第三系貴德組、白堊系民和組砂、礫巖黏粒含量為0～6%，屬弱膠結(jié)巖，黏土礦物以伊/蒙混層為主，遇水易形成層間膨脹和粒間膨脹，導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)性損傷。

(2)西寧盆地、化隆盆地中心均具備形成承壓水的條件，建議線路選擇盡量走形于盆地邊緣，降低承壓水頭高度或繞避承壓水對(duì)隧道工程的影響。

(3)通過(guò)顆粒分析試驗(yàn)、黏土礦物含量試驗(yàn)、浸水試驗(yàn)綜合分析認(rèn)為，拉脊山北麓的白堊系民和組砂巖及拉脊山南麓的第三系貴德組砂、礫巖為接觸式膠結(jié)，水穩(wěn)性綜合評(píng)價(jià)極差，建議線路盡量繞避，無(wú)法繞避時(shí)隧道洞身盡量選擇礫巖段落通過(guò)。