羅仁立，陶偉明，舒俊良，劉志韜，趙全超

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 概述

石鹽是鹽巖的一類，其是在極度干熱環(huán)境的封閉凹地或湖塘，由于地表水、地下水的補給和蒸發(fā)不平衡，逐漸濃縮形成不同化學成分的高礦化度鹵水，因水分蒸發(fā)而結晶，最后形成的化學沉積巖。鹽巖地層常見的礦物有石膏、硬石膏、石鹽、天然堿、芒硝等，第四系前鹽巖地層主要以夾層狀分布于新生界沉積砂巖、泥巖、頁巖或石灰?guī)r地層中。TB 10038—2012《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》[1]將鹽巖按主要化學成分分為氯鹽類、硫酸鹽類和碳酸鹽類鹽巖。其中氯鹽類鹽巖的代表性種類有：石鹽(NaCl)、鉀鹽(KCl)、鈣鹽(CaCl2)、鎂鹽(MgCl2)等。

穿越鹽巖地層隧道工程案例中，有代表性的工程有南呂梁山隧道[2]和成昆鐵路永廣段隧道[3-4]，其均主要穿越含石膏的硫酸鹽類鹽巖地層，且都在運營開通后陸續(xù)出現(xiàn)大范圍襯砌開裂等病害[5]，整治花費巨大，而穿越含石鹽的氯鹽類鹽巖地層隧道尚無工程案例可借鑒，石鹽地層隧道修建技術還處于空白階段。中老鐵路友誼隧道穿越長段落石鹽地層且石鹽含量高達80%，地質(zhì)條件特殊，國內(nèi)外罕見，工程建設面臨一系列的困難，其中主要關鍵技術包括防水體系構建、注漿堵水設計、氯離子侵蝕防治、結構選型和建筑材料研究等。

2 工程地質(zhì)條件

友誼隧道穿越中國和老撾國境線，為設計旅客列車速度160 km/h的單線隧道，全長9 595.407 m，老撾境內(nèi)長2 425 m[6]。本隧道中國境內(nèi)設2座斜井；老撾境內(nèi)設置1座斜井(3號斜井)，長750 m。老撾境內(nèi)段共穿越第三系及白堊系地層：自小里程向大里程方向依次為第三系(E1-2)泥巖夾砂巖、礫巖、鹽巖含石膏；白堊系上統(tǒng)(K2)泥巖夾礫巖、砂巖，下統(tǒng)(K1)砂巖夾礫巖、泥巖。隧道埋深約240 m，均為Ⅳ級、Ⅴ級圍巖。

3號斜井于2017年4月進洞，至2018年4月轉(zhuǎn)入正洞施工，3號斜井工區(qū)均位于第三系地層(含鹽巖)，隧道開挖揭示的石鹽多為淺白、紫紅、暗灰色，與灰色、紫紅色砂泥巖碎石、角礫混雜，各段鹽含量不均，斜井段(X3DK0+000～X3DK0+155段)為點狀、脈狀，正洞DK0+000～DK0+363段石鹽含量總體上自小里程向大里程方向逐漸減少，DK0+550～DK1+565段石鹽含量總體上自小里程向大里程方向逐漸增大后逐漸減少，石鹽具有局部富集現(xiàn)象，部分地段石鹽含量達80%。補勘鉆探發(fā)現(xiàn)，隧道洞頂以上170 m均為含鹽地層，隧底施鉆孔深160 m未揭穿石鹽地層。根據(jù)施工開挖及補勘揭示，老撾境內(nèi)正洞共1 378 m含石鹽，具體分布示意見圖1。

圖1 含石鹽段落分布縱斷面示意(單位：m)

在隧道內(nèi)現(xiàn)場采取石鹽試樣進行巖石薄片鑒定試驗、膨脹性試驗、易溶鹽試驗、蒸發(fā)試驗、地下水試驗、X射線衍射分析等，其中巖石薄片鑒定試驗結論如下。

(1)結構構造：具中晶-巨晶結晶粒狀結構，塊狀構造，成分主要為石鹽(NaCl)，夾部分泥灰質(zhì)、硬石膏角礫。

(2)礦物成分及含量(表1)

表1 石鹽試樣礦物成分及含量

(3)巖石定名：半透明淺灰白色含硬石膏、泥灰質(zhì)角礫石鹽巖。

3 石鹽地層工程病害及成因分析

南呂梁山隧道和成昆鐵路永廣段隧道病害主要表現(xiàn)為石膏的侵蝕和膨脹引起的襯砌開裂，而友誼隧道地層以石鹽為主，其病害主要表現(xiàn)為隧底圍巖溶解形成空洞、鋼材嚴重腐蝕、襯砌開裂和底鼓。

3.1 隧底圍巖溶解形成空洞

正洞DK0+760線路左側(cè)避車洞底部出現(xiàn)下沉塌陷，下沉量10～20 cm，經(jīng)開挖發(fā)現(xiàn)，左側(cè)邊墻下方存在空洞，洞高20～60 cm，沿線路方向發(fā)育，如圖2所示。石鹽巖遇水具有強烈的喀斯特巖溶特征，石化儲能工程上，常利用石鹽地層的遇水溶解形成空洞的特性將其作為儲油、儲氣場所[7-8]。隧道工程修建后水文地質(zhì)環(huán)境有所改變，地下水沿隧底仰拱周圍由小里程流向大里程仰拱端頭集水坑縱向流動，地下水不斷溶蝕隧底石鹽地層，產(chǎn)生溶蝕孔洞并進而發(fā)展成較大空洞，降低隧道基底、圍巖的受力條件，最終產(chǎn)生結構下沉和破壞。

圖2 避車洞底部塌陷及空洞

3.2 鋼材嚴重腐蝕

洞內(nèi)裸露鋼筋、鋼架以及止水帶的鋼邊結構等發(fā)生嚴重銹蝕，如圖3所示，石鹽段侵蝕環(huán)境作用等級為L3、H3、Y3，屬強腐蝕環(huán)境，特別是環(huán)境中氯離子含量極高，對鋼筋和鋼架等主體結構會造成較強腐蝕，即使在不直接接觸圍巖或地下水的情況下，洞內(nèi)施工環(huán)境中粉塵吸收空氣中的水亦可造成嚴重銹蝕。

圖3 鋼筋及止水帶鋼邊結構銹蝕

3.3 襯砌開裂和底鼓

3號斜井工區(qū)正洞段84 m仰拱及矮邊墻、24 m拱墻襯砌在施工2～3個月后相繼于邊墻和基底部位出現(xiàn)橫、縱向裂縫，如圖4所示。監(jiān)測資料顯示，拱頂襯砌最大下沉值31 mm，邊墻最大收斂值102.99 mm，隧底最大上鼓值70.62 mm。經(jīng)鉆孔取芯驗證，混凝土無明顯裂化且無鹽類物質(zhì)結晶體析出等現(xiàn)象。友誼隧道襯砌開裂在較短時間內(nèi)發(fā)生，與南呂梁山隧道和成昆鐵路永廣段隧道在較長時間周期作用后襯砌混凝土自身受腐蝕裂化、承載能力降低而發(fā)生的開裂不同。友誼隧道表現(xiàn)為受石鹽膨脹而發(fā)生的物理開裂，其膨脹主要是石鹽地層蠕變、重結晶[9-10]以及圍巖內(nèi)石膏的體積膨脹[11-12]所致。

圖4 邊墻開裂及仰拱底鼓

4 關鍵技術方案

結合上述分析，可以總結出石鹽地層的3個主要工程特性：強溶解性、強侵蝕性和膨脹性。石鹽地層隧道修建關鍵技術主要針對以上工程性質(zhì)采取有效措施減少其對隧道工程的影響。

4.1 限制地下水流動，避免石鹽溶解

在防排水總體設計思路上采取全包防水+注漿堵水措施，限制地下水流動，避免石鹽溶解。

常規(guī)排水型隧道洞周地下水將不斷從洞周進入隧道內(nèi)，地下水一直處于流動狀態(tài)，流動的地下水將不斷溶解洞周圍巖進而形成襯砌背后空洞。采用全包防水后，地下水流動受到限制，即使洞周裂隙中的地下水溶解了部分圍巖，但在鹽溶液達到飽和度后則不會繼續(xù)發(fā)生溶解，溶蝕作用也將停止。

注漿堵水則旨在通過封堵地下水滲流的各種通道，限制地下水流動，進而避免石鹽溶解。注漿堵水根據(jù)注漿部位和功能要求的不同分為局部徑向注漿、隧底注漿和初支背后注漿。

根據(jù)現(xiàn)場開挖揭示經(jīng)驗，石鹽段地下水滲出有一定滯后性，從開挖到地下水滲出一般有2～3 d時間間隔，故局部徑向注漿應根據(jù)拱墻初支施作后的滲漏部位通過現(xiàn)場核對加以確定，而不是根據(jù)開挖揭示地下水滲漏部位，同時注漿范圍宜適當放大，確保加固效果。

隧底注漿兼顧堵水和加固的作用，主要針對隧底地下水較發(fā)育的段落，為避免隧底溶蝕形成空洞和承載力下降而產(chǎn)生不均勻沉降，對隧底全斷面采用徑向注漿堵水。

由于石鹽與噴混凝土的結合效果較差，易造成初支與圍巖之間不密實，從而形成地下水滲流通道，故需進行初支背后回填注漿。石鹽全段落除局部徑向注漿和隧底注漿范圍外，均進行初支背后回填注漿。

為確保注漿效果，注漿實施前的現(xiàn)場注漿試驗是十分必要的，注漿現(xiàn)場見圖5。

圖5 注漿現(xiàn)場

注漿后對DK0+359、DK0+364、DK0+369三個斷面共取芯9孔，所取芯樣總體較完整，整體芯樣斷口可見漿液飽滿，水泥漿與碎裂巖體膠結密實、完整，斷口顯示無明顯裂隙及破碎，其中1個芯樣斷口如圖6所示。

圖6 注漿后取芯芯樣斷口

經(jīng)注漿試驗統(tǒng)計分析，推薦普通水泥漿水灰比為1∶0.5，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa，注漿填充率約為9.2%。當普通注漿完成后，發(fā)現(xiàn)可注性較差且仍有漏水現(xiàn)象時，可補注超細水泥漿，超細水泥漿水灰比為1∶0.4，注漿壓力控制在0.8～1.0 MPa，注漿充填率約為3.4%。試驗段經(jīng)超細水泥補注漿后，現(xiàn)場初支基本實現(xiàn)無滲漏現(xiàn)象。

4.2 氯鹽(Cl-)侵蝕防治措施

現(xiàn)場取樣試驗中土中氯離子含量最高達3.329×105mg/kg，水中氯離子含量最高達1.860×105mg/L，上述數(shù)值遠高于L3環(huán)境判定基準值，在超高濃度環(huán)境下，需要采用多道設防的理念進行設計。為此，在初支與二襯間增設1道防水素混凝土隔水層，充分利用混凝土自身良好的自防水性阻斷地下水和氯離子對二襯鋼筋的侵蝕。增設隔水層后，卷材防水層也由1道增加為2道：初期支護與隔水結構(模筑素混凝土)之間全環(huán)設置“EVA防水板+土工布”防水層；隔水結構(模筑素混凝土)與二次襯砌之間全環(huán)設置“反粘式防水板”防水層對二襯進行皮膚式防水保護。為避免射釘對隔水層結構造成損傷，反粘式防水板通過粘結面自粘于隔水層C35混凝土上，避免“竄水”。

二襯鋼筋及隔水層接茬鋼筋為防止氯離子侵蝕均采用環(huán)氧涂層防腐。

施工縫防水是全包防水的關鍵，為避免被氯離子侵蝕，止水結構均不含鋼材，石鹽段隔水結構、二襯縱向施工縫采用中埋式橡膠止水帶；環(huán)向施工縫采用中埋式橡膠止水帶+背貼式止水帶。同時，隔水結構與二襯的施工縫錯開設置，縱向施工縫錯開距離≮1 m，環(huán)向施工縫錯開距離≮2 m。環(huán)向施工縫混凝土表面涂抹混凝土界面劑?？v、環(huán)向施工縫防水構造分別如圖7、圖8所示。

圖7 縱向施工縫防水構造(單位：mm)

圖8 環(huán)向施工縫防水構造(單位：mm)

4.3 膨脹性防治

考慮膨脹性對斷面形式進行對比分析。采用ANSYS有限元分析軟件，石鹽段隧道埋深約240 m，圍巖壓力按深埋隧道圍巖荷載考慮，石鹽段地下水位較高，根據(jù)地勘報告，拱頂水壓力按1.0 MPa考慮，膨脹力按300 kPa考慮，合計徑向荷載1.3 MPa。對二襯結構分別采用正常襯砌(160 km/h單線部頒參考圖)、橢圓形襯砌和圓形襯砌進行選型比較，斷面模型見圖9。

圖9 二襯結構斷面模型

為分析三種斷面對徑向荷載的承載能力，對不同結構厚度承載能力進行檢算，計算結果如表2所示。

表2 三種斷面承載能力計算結果 MPa

由表2可以看出，圓形襯砌對徑向荷載承載能力最好，襯砌厚度為60 cm時其承載能力在1.3 MPa以上，推薦二襯結構采用圓形斷面；同時，襯砌厚度越厚承載能力越好，但為保證混凝土施工質(zhì)量兼顧經(jīng)濟性，襯砌厚度選定為60 cm。

4.4 襯砌結構體系構建

考慮石鹽地層復雜性，為增加設計冗余度，襯砌內(nèi)輪廓預留30 cm拱墻補強空間，擬定內(nèi)輪廓半徑4.7 m。隔水層結構底部適當加深，對前期施工未進行處理而受強溶解性影響的隧底圍巖進行換填，同時進一步增加隧底結構的整體剛度和自重，防止在拱墻襯砌未施作、結構未封閉成環(huán)前，仰拱結構因石鹽膨脹性而上鼓。同時，盡量減少洞室及斷面變化對石鹽段防水的影響，取消了石鹽段大避車洞及設備洞室，同時取消了錨段關節(jié)襯砌加寬、加高，石鹽段均采用同一種襯砌結構。結合前述技術方案，最終擬定隧道襯砌結構斷面如圖10所示。

圖10 石鹽段襯砌結構橫斷面(單位：cm)

結合前期開挖揭示，發(fā)現(xiàn)石鹽段含鹽量越高，圍巖完整性越高同時地下水越不發(fā)育；反之，含鹽量越低，圍巖完整性越低同時地下水越發(fā)育。

設計支護措施時，盡量避免破壞圍巖進而增加地下水滲流通道，故石鹽段襯砌段落均不設系統(tǒng)錨桿。對于高含鹽段，雖然地下水不發(fā)育，但系統(tǒng)錨桿施作形成的鉆孔一旦形成地下水通道，因石鹽含量高而導致的圍巖溶蝕也是劇烈的，后果也越嚴重，故高含鹽段亦不設系統(tǒng)錨桿。

為彌補因不設系統(tǒng)錨桿而造成支護措施偏弱的問題，噴混凝土強度等級提高為C30，并通過優(yōu)化配合比提高噴混凝土密實度。鋼架采用格柵鋼架形式，提高初支與鋼架間的結合程度避免形成空隙。同時，施工中采取加強超前支護和盡早封閉成環(huán)等措施，確保施工安全。

4.5 建筑材料

根據(jù)TB 10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范》[13]，石鹽段襯砌混凝土需滿足抗硫酸鹽結晶破壞等級(56 d)≮KS150；56 d電通量應≮1000C，氯離子擴散系數(shù)(56 d)DRCM(×10-12m2/s)應≯3等耐久性指標要求，同時，鋼筋混凝土結構強度等級應采用C50，素混凝土強度等級應采用C45。但結合國內(nèi)工程經(jīng)驗，高強度等級混凝土澆筑時因水泥用量增大、水化熱較高，容易開裂[14]，同時礦山法施工隧道受澆筑施工工藝及養(yǎng)護條件限制，現(xiàn)場施工時更易造成開裂，結構開裂后鹽巖更易侵入混凝土反而降低了襯砌結構的耐久性。因此，尋求通過對特殊建筑材料的研究，解決采用較低強度等級混凝土滿足較高強度等級混凝土要求的各項耐久性指標從而防止開裂的問題。

通過對不同混凝土等級的二次襯砌進行分析計算，確定滿足承載力條件下的結構混凝土最低強度等級，計算結果如表3所示。

表3 二襯不同強度等級混凝土承載能力計算結果 MPa

由表3可知，C40以上強度等級均滿足結構受力要求，故推薦采用C40作為二襯鋼筋混凝土強度等級。隔水層結構為素混凝土結構，且不是主要承載結構，推薦采用C35強度等級。以上述強度等級為基礎開展特殊建筑材料研究。

結合資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，聚合物乳液是一種有效的改性外加劑，它對混凝土的改性作用主要是通過聚合物在水泥漿與集料間形成具有較高黏結力的膜層，進而堵塞砂漿內(nèi)的孔隙來實現(xiàn)的，同時聚合物C35混凝土中的早期水化速度較低，產(chǎn)生的水化熱也較低，降低了溫度裂縫產(chǎn)生的可能性。通過室內(nèi)試驗，一種添加丙烯酸乳液的C35聚合物混凝土能滿足規(guī)范要求的各項耐久性指標，其與C35普通混凝土的主要技術指標對比如表4所示。

表4 普通C35與C35聚合物混凝土耐久性指標對比

二襯結構通過采用低水化熱、礦物摻和料、補償收縮技術，在混凝土材料中使用了低熱水泥和膨脹劑，其早期強度低，降低水化熱，減少了溫度裂縫的產(chǎn)生；而后期強度增長明顯，加入膨脹劑減少混凝土收縮，對抗?jié)B、氯離子擴散、抗硫酸鹽侵蝕等耐久性指標有明顯改善和提高。經(jīng)室內(nèi)試驗，C40低熱混凝土均能滿足規(guī)范要求的各項耐久性指標，其與C40普通混凝土主要技術指標對比如表5所示。

表5 普通C40與C40低熱混凝土耐久性指標對比

綜上分析，隔水層結構推薦采用C35聚合物混凝土，二襯結構推薦采用C40低熱混凝土。

4.6 施工質(zhì)量控制

為達到理想的處理效果，施工控制要點如下。

(1)二襯及隔水層結構均應加強混凝土澆筑質(zhì)量控制，避免拱頂出現(xiàn)空洞。

(2)二襯混凝土施工應確保鋼筋保護層厚度滿足要求，防止地下水對鋼筋的腐蝕。

(3)洞內(nèi)施工應嚴格控制施工用水量，盡量避免因施工用水造成對圍巖的溶蝕。

(4)開挖后盡快封閉圍巖，減少空氣中水分溶解襲奪石鹽，防止崩塌。

(5)二襯鋼筋綁扎時應加強對鋼筋表面環(huán)氧涂層的保護，以及對反粘式防水板的保護，避免其因外力造成自粘失效而脫落，或是被鋼筋刺破。

5 整治效果

目前，友誼隧道已開通運營?，F(xiàn)場監(jiān)測成果顯示，圍巖與初支、隔水層與二襯間接觸壓力最大為0.27 MPa，結構外最大水壓0.224 MPa，含鹽量較高的斷面處于鹵水環(huán)境，隧底未發(fā)現(xiàn)溶蝕，二襯混凝土中鋼筋處于鈍化狀態(tài)。

總體而言，隧道結構穩(wěn)定、安全，未見地下水流動，襯砌未見滲漏水，隧道運營良好。

6 結語

本文重點闡述了友誼隧道石鹽段工程概況和現(xiàn)場病害情況，分析總結了石鹽地層的3個工程性質(zhì)(即強溶解性、強侵蝕性、膨脹性)，并針對這3個工程性質(zhì)開展關鍵技術方案研究，最終確定采取“注漿堵水、全包防水、強化材料防腐、圓形加強結構”的原則進行處理，取得了良好的效果，主要結論如下。

(1)友誼隧道長段落穿越巨厚層石鹽地層，石鹽含量極高，國內(nèi)外罕見，處理難度大。

(2)石鹽的3個工程特征是隧道發(fā)生隧底圍巖溶解形成空洞、鋼材嚴重腐蝕、襯砌開裂和底鼓等病害的主要原因。

(3)采用全包防水+注漿堵水的措施可有效限制地下水流動，避免石鹽溶解，注漿應根據(jù)初支滲漏水情況分別采取隧底注漿、局部徑向注漿和初支背后充填注漿。

(4)為防止氯鹽(Cl-)侵蝕，提出多道設防理念，設1道素混凝土隔水層結構及2道卷材防水層，同時應加強施工縫防水。

(5)通過結構比選，開發(fā)了三層圓形加強新型隧道結構，二襯推薦采用60 cm厚圓形襯砌結構，不設系統(tǒng)錨桿。

(6)結構防腐方面重點研究了隔水層和二襯的特殊建筑材料，推薦隔水層結構采用C35聚合物混凝土，二襯采用C40低熱混凝土，有效解決了高強度等級混凝土開裂問題。