中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031

1 工程概述

灌口組（K2g）廣泛分布于成都市區(qū)、東部臺(tái)地、南部蘇碼頭背斜兩翼，在地鐵建設(shè)過程中，地下結(jié)構(gòu)部分圍巖位于灌口組（K2g）棕紅色泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖中。石膏質(zhì)巖具有溶蝕特性，部分地段溶蝕孔洞發(fā)育，孔徑為1～2cm，呈蜂窩狀，溶蝕后其環(huán)境水中富含硫酸鹽，對(duì)混凝土具有較強(qiáng)的腐蝕性，導(dǎo)致混凝土劣化，需要經(jīng)過勘察查明環(huán)境水的腐蝕性。

2 石膏質(zhì)巖溶蝕及不同工況條件下的水化學(xué)特征

石膏質(zhì)巖泛指含有石膏或硬石膏的巖體，硬石膏水化生成石膏，石膏在一定的條件下脫水又能生成硬石膏。在自然界中，由于地質(zhì)環(huán)境的演化，在石膏或硬石膏生成后，又經(jīng)歷了地質(zhì)及水文環(huán)境的變化，在一定的地質(zhì)環(huán)境下兩種礦物水化、脫水而相互轉(zhuǎn)換，常以過渡型巖石存在。石膏在128℃下失去1個(gè)分子結(jié)晶水，在163℃下失去2個(gè)分子結(jié)晶水。石膏質(zhì)巖溶蝕是溶解與結(jié)晶的動(dòng)態(tài)平衡過程，溶液中存在的硫酸根離子會(huì)抑制石膏質(zhì)巖的溶解作用，宏觀上表現(xiàn)為溶蝕速率的降低和溶蝕量的減少。

根據(jù)相關(guān)研究成果，石膏質(zhì)巖屬于中溶鹽，溶蝕主要受水溶液性質(zhì)、水動(dòng)力條件、溫度、壓力等因素制約。在酸性溶液中溶蝕最快，在天然水中次之，在鹽溶液中溶蝕最小。當(dāng)巖體中水循環(huán)較弱時(shí)，石膏質(zhì)巖處于靜態(tài)溶蝕環(huán)境中。滲流通道的不發(fā)達(dá)，使溶蝕后地下水不能及時(shí)滲走，使水溶液溶解離子接近飽和狀態(tài)；當(dāng)巖體中水循環(huán)較強(qiáng)烈時(shí)，石膏質(zhì)巖處于動(dòng)態(tài)溶蝕環(huán)境中，溶蝕迅速，其溶解度在38℃時(shí)最大，約2.11g/L，隨著溫度的升高或降低，溶解度逐漸降低，其溶解度隨溫度的變化情況如表1所示。

表1 石膏的溶解度隨溫度的變化情況

根據(jù)溶解度可間接求得石膏質(zhì)巖環(huán)境水中SO42-的濃度，其計(jì)算公式如下：

式中：ρ液為溶液液體密度，取1g/cm3；的摩爾質(zhì)量；M石膏或硬石膏為石膏或硬石膏的摩爾質(zhì)量。

根據(jù)式（1），求解出不同工況條件下石膏質(zhì)巖環(huán)境水中理論溶蝕產(chǎn)生的SO42-濃度如下。

（1）工況一：如果石膏質(zhì)巖均為二水石膏時(shí)，按最大溶解度2.11g/L計(jì)算，由溶蝕產(chǎn)生的SO42-濃度為1153mg/L；如果石膏質(zhì)巖石均為硬石膏時(shí)，按最大溶解度計(jì)算，由溶蝕產(chǎn)生的SO42-濃度為1315mg/L。推導(dǎo)出，在最大溶解度條件下，地下水中溶蝕產(chǎn)生的SO42-濃度為1153～1315mg/L。

（2）工況二：成都地區(qū)多年平均氣溫為15～16℃，石膏質(zhì)巖相應(yīng)溶解度為1.99g/L，推導(dǎo)出，地下水中石膏質(zhì)巖溶蝕產(chǎn)生的SO42-濃度為1087～1240mg/L。除了理論推導(dǎo)計(jì)算，在勘察過程中，還通過收集、取樣在室內(nèi)測(cè)試了大量石膏質(zhì)巖環(huán)境水中SO42-濃度。

（3）工況三：根據(jù)吳銀亮[1]在室內(nèi)對(duì)石膏質(zhì)巖粉末最大溶出離子濃度研究，在雨水中，石膏質(zhì)巖溶蝕產(chǎn)生的SO42-濃度最大為1530mg/L，而雨水之所以更容易使石膏溶出SO42-，是因?yàn)橛晁幸欢康奶妓釟涓坝坞xCO2，在弱酸性條件下，有利于石膏的溶蝕。

（4）工況四：成都地鐵9號(hào)線勘察期間，將含大量石膏質(zhì)巖塊放入蒸餾水中進(jìn)行100d的浸泡試驗(yàn)，產(chǎn)生的SO2-4濃度最大為1430mg/L。

（5）工況五：將工況四中的巖塊磨成粉末，再進(jìn)行100d浸泡試驗(yàn)，產(chǎn)生的SO42-濃度最大為1507mg/L。

（6）工況六：成都地鐵9號(hào)線勘察期間，選一個(gè)含大量石膏質(zhì)鉆孔，取不同穩(wěn)定時(shí)間的基巖裂隙水，來(lái)模擬地下工程修建后，環(huán)境水中SO42-濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律。取樣時(shí)間分別為24h、3d、30d、60d、90d，檢測(cè)基巖裂隙水SO42-濃度最大為198.60mg/L。

在以上各工況條件下，石膏質(zhì)巖溶解試驗(yàn)匯總表如表2所示。

表2 石膏質(zhì)巖溶解試驗(yàn)匯總表 單位：mg/L

3 成都地區(qū)石膏質(zhì)巖的溶蝕特征

影響石膏質(zhì)巖溶出的環(huán)境因素很多，也非常復(fù)雜，溶蝕一般受地質(zhì)構(gòu)造、石膏質(zhì)巖的埋深、地下水補(bǔ)給、季節(jié)、地鐵運(yùn)營(yíng)等因素的影響。成都地區(qū)整體構(gòu)造不發(fā)育，泥巖完整性較好，在9號(hào)線一期、17號(hào)線二期、30號(hào)線一期勘察過程中發(fā)現(xiàn)，灌口組（K2g）石膏質(zhì)泥巖中基本沒有溶蝕現(xiàn)象，僅于錦江、府河、南河附近二級(jí)階地過渡處零星可見溶蝕孔洞，呈蜂窩狀。在階地過渡段上，地形存在躍變陡坎，在地質(zhì)歷史時(shí)期，河床下切，為區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面，兩側(cè)階地地下水向河流排泄，其水力坡度大，滲流速度快，徑流條件好，引起石膏質(zhì)巖的溶蝕，其溶解量、溶解速度增加，伴隨化學(xué)溶蝕作用，還發(fā)生機(jī)械掏蝕作用，故在這些地段溶蝕發(fā)育。

地鐵修建完成后，施工注漿封堵，完整泥巖巖體中水循環(huán)整體較弱，滲流空間狹小，滲流速度近乎停滯，石膏質(zhì)巖基本處于靜態(tài)溶蝕平衡狀態(tài)，水溶液主要產(chǎn)生浸泡溶解，近于飽和。當(dāng)水溶液中硫酸鹽與水泥中水化鋁酸四鈣進(jìn)行接觸，發(fā)生反應(yīng)，將產(chǎn)生鈣礬石、石膏結(jié)晶體，反應(yīng)速度快，產(chǎn)生的結(jié)晶物質(zhì)難以被立即搬運(yùn)走，而是充填本就狹小的滲流空間，導(dǎo)致地下水與結(jié)構(gòu)接觸機(jī)會(huì)降低，從而弱化了硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕作用[2]。

在地形起伏較大的階地陡緩交界處、斜坡地段，有利的地形高差，地下水將發(fā)生滲流，產(chǎn)生水頭差，滲流發(fā)育，速度快，石膏質(zhì)巖溶蝕符合動(dòng)態(tài)溶蝕特征。地下水沒有足夠的反應(yīng)時(shí)間對(duì)石膏產(chǎn)生溶解作用，雖然滲流的水溶液量很大，但單位體積溶液內(nèi)的石膏溶解量很小。在這種條件下，石膏質(zhì)巖溶蝕是機(jī)械潛蝕與化學(xué)溶解之和，更容易發(fā)生機(jī)械潛蝕作用，產(chǎn)生大量的溶蝕通道?？梢钥闯觯谘h(huán)交替強(qiáng)烈地帶，水溶液中硫酸鹽濃度難以達(dá)到飽和狀態(tài)，硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕作用被弱化，這一現(xiàn)象也在勘察中得到證實(shí)。

成都地鐵9號(hào)線勘察期間，在滲流交替強(qiáng)烈的錦江一級(jí)階地鉆孔中取不同穩(wěn)定時(shí)間段水樣（工況六），發(fā)現(xiàn)隨時(shí)間延長(zhǎng)，鉆孔水中SO42-濃度遞增，但最大離子濃度降低。

4 不同規(guī)范、工況條件下腐蝕性判定

在勘察過程中，常采用《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50476—2019）（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)標(biāo)”）、《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10005—2010）（以下簡(jiǎn)稱“鐵規(guī)”）、《巖土工程勘察規(guī)范（2009版）》（GB 50021—2001）等規(guī)范對(duì)地下水腐蝕性進(jìn)行分析，與SO42-判定相關(guān)的判定標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。將上文各工況條件下獲得的SO42-數(shù)值按不同規(guī)范進(jìn)行腐蝕性判定，結(jié)論如表4所示。

表3 各規(guī)范腐蝕性判定中與SO42-判定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值

表4 不同SO42-數(shù)值根據(jù)不同規(guī)范進(jìn)行的腐蝕性判定結(jié)論

5 地鐵勘察中石膏質(zhì)巖環(huán)境水化學(xué)特征建議

根據(jù)上述分析，建議在成都地區(qū)地鐵勘察中，當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)位于含石膏質(zhì)巖石地下水位以下時(shí)，石膏質(zhì)巖環(huán)境水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性等級(jí)宜適當(dāng)降低[3]。當(dāng)石膏質(zhì)含量較低，零星可見時(shí)，不考慮基巖裂隙水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性；在石膏含量較高地段，基巖裂隙水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性等級(jí)建議按弱考慮，即國(guó)標(biāo)按V-C考慮，鐵規(guī)按H1、Y2考慮，原因如下。

（1）在地鐵設(shè)計(jì)中，基本采用國(guó)標(biāo)對(duì)地下水環(huán)境作用等級(jí)進(jìn)行判定，該規(guī)范與鐵規(guī)相比具有更高的混凝土強(qiáng)度等級(jí)。在地鐵設(shè)計(jì)使用年限為100年的條件下，國(guó)標(biāo)V-C、V-D采取的混凝土強(qiáng)度等級(jí)基本一致。在成都地區(qū)類似地層中，采用鐵規(guī)設(shè)計(jì)的高鐵、普速鐵路，尚未發(fā)生石膏質(zhì)圍巖溶出SO42-離子對(duì)混凝土產(chǎn)生嚴(yán)重侵蝕作用的工程實(shí)例[4]。

（2）地鐵修建后，均對(duì)石膏質(zhì)圍巖滲流通道進(jìn)行封閉，且主體結(jié)構(gòu)與環(huán)境水之間存在充填層，地下主體結(jié)構(gòu)難以與環(huán)境水直接接觸，即使接觸，根據(jù)國(guó)標(biāo)第7.2.1條說明，巖體中的硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕作用需要通過溶于巖體中的基巖裂隙水來(lái)實(shí)現(xiàn)，成都地區(qū)石膏質(zhì)巖多為泥巖，屬于弱透水層，基巖裂隙水少，流動(dòng)困難，地下水與石膏接觸表面積小，靠近混凝土表面的化學(xué)腐蝕物質(zhì)與混凝土發(fā)生化學(xué)作用后被消耗，得不到充分的補(bǔ)充，腐蝕作用有限[5]。

（3）根據(jù)室內(nèi)研究，巖體周邊無(wú)論滲流速度大小，無(wú)論溶蝕符合靜態(tài)溶蝕特征還是動(dòng)態(tài)溶蝕特征，硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕作用均被弱化，環(huán)境水中硫酸根離子濃度難以達(dá)到飽和[6]。

（4）在地鐵建設(shè)中，地下結(jié)構(gòu)多為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)防滲要求高，受混凝土凝固水化熱影響，提高混凝土標(biāo)高，更容易開裂，施工質(zhì)量難以控制。完整的地下結(jié)構(gòu)僅外表面與水溶液接觸，接觸面小，腐蝕有限，短期內(nèi)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)影響。開裂后，地下水將直接進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，與水接觸的面積更大，主體結(jié)構(gòu)更容易被侵蝕，相比腐蝕性，結(jié)構(gòu)的防滲、降低環(huán)境水與混凝土的接觸面大小、減緩溶蝕速率都更加重要[7]。

（5）環(huán)境水與混凝土發(fā)生反應(yīng)，該過程析出鈣礬石和石膏晶體，體積膨脹，對(duì)滲流通道具有封堵作用，SO42-延緩了基巖裂隙水的流動(dòng)，限制了地下水與結(jié)構(gòu)的接觸，弱化了其腐蝕性。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）石膏質(zhì)巖屬于中溶鹽，溶蝕受多種因素制約，根據(jù)理論推導(dǎo)及室內(nèi)理想浸泡環(huán)境SO42-數(shù)據(jù)，按《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50476—2019）判定，地下水環(huán)境作用等級(jí)為V-C～V-D。

（2）在自然狀態(tài)下，石膏質(zhì)巖基巖裂隙水不發(fā)育，加之施工對(duì)滲流通道封閉，環(huán)境水與混凝土發(fā)生化學(xué)作用后被消耗，得不到充分補(bǔ)充，不管是處于靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)溶蝕平衡狀態(tài)，腐蝕性均被弱化，建議勘察中適當(dāng)降低其腐蝕性等級(jí)。

（3）在勘察過程中，石膏質(zhì)巖環(huán)境水根據(jù)傳統(tǒng)取鉆孔水進(jìn)行檢測(cè)化驗(yàn)，因溶蝕速率低，受上層環(huán)境水混合影響，腐蝕性一般偏低，不利于工程安全，應(yīng)結(jié)合巖塊浸泡試驗(yàn)綜合確定腐蝕性。

（4）根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，灌口組（K2g）泥巖通常含鈣芒硝，成都地區(qū)地鐵水化學(xué)特征勘察重點(diǎn)是查明泥巖中是否含芒硝，芒硝為易溶鹽，芒硝的存在，將極大地影響地下水的腐蝕性等級(jí)。在勘察過程中，可通過巖芯風(fēng)化鑒定是否起霜，根據(jù)環(huán)境水的味道來(lái)初判是否含有芒硝，具體可結(jié)合礦物分析來(lái)判定。如果存在芒硝，應(yīng)根據(jù)浸泡試驗(yàn)判定腐蝕性。