甘肃地区隧道工程第三系砂岩水稳特性浅析

权董杰

(中铁第一勘察设计院集团公司，陕西西安　710043)

第三系咸水河组下段砂岩成岩性差、泥质弱胶结。隧道工程穿过该段地层时，在无地下水地段，围岩整体稳定性较好；在含地下水地段，砂岩遇水后结构迅速破坏，稳定性变差，易产生变形，施工开挖后多呈粉细砂状；地下水富集段围岩稳定性差，收敛变形较大，施工难度大。新建兰渝铁路桃树坪隧道及胡麻岭隧道均通过该地层，目前处于施工阶段，开挖极为困难，导致工期拖延。新建兰州至中川机场铁路兰州北至周家庄货车直径线北环隧道亦通过该地层，尚未施工。该砂岩地层的水稳特性对于线路工程影响较大。

1　第三系砂岩概况

1.1　形成背景及分布

根据甘肃省区域地质志，上第三系地层划分为陇东区、陇西盆地的甘肃群，为一套桔黄色、浅棕黄色泥质砂岩，泥岩互层，属陆相湖盆及山间凹地沉积，厚度小于296 m，沉积地质时代距今约2 400～250万年；下第三系地层划分为陇东区、陇西盆地东部的固原群，为一套紫红色及浅棕红色砂岩、泥岩、砾岩互层，厚度10～300 m不等，属陆相湖盆及山间凹地型沉积，沉积地质时代距今约6 500～2 400万年。

第三系砂岩在兰州盆地和定西盆地分布范围较广，沉积厚度较大。兰州除新城盆地(河口、新城一带)基底为白垩系地层外，榆中(定远)、城关、七里河、安宁堡及西固盆地，下伏基岩均为第三系红色砂岩或碎屑岩类，在地貌上多表现为黄土梁、峁，以及河谷阶地上覆风积和冲、洪积黄土。

1.2　工程地质特征

第三系砂岩颗粒组成以粉细粒及中粒为主，颗粒较均一，泥质或泥钙质胶结，岩质较均匀，成岩性较差，属软质岩石。矿物成分以石英、长石为主，天然抗压强度低，遇水浸润或扰动后极易软化，砂岩的黏粒含量对砂岩颗粒密度、耐崩解性、抗压强度及抗拉强度等工程性质均有较大影响。该地层岩性较为单一，属新生代沉积，天然状态下，受构造运动影响较小，节理、裂隙不甚发育，地下水为以孔隙水为主的孔隙裂隙水。

2　工程实例水稳特性

2.1　工程概况

桃树坪隧道和胡麻岭隧道位于新建兰州至重庆铁路(兰渝线)，桃树坪隧道长3 225 m，DK3+430～DK6+655为第三系砂岩段落；胡麻岭隧道长13 611 m，DK76+350～DK79+600段为第三系砂岩段落。其中，桃树坪隧道穿行于黄河高阶地下部，地形起伏较大，高程一般为1 660～1 770。黄河高阶地顶部较平坦，伴有切割沟谷，进出口及沟谷地段出露圆砾土，其余地段大都黄土覆盖。胡麻岭隧道地处黄土梁峁区，地形起伏较大，地面高程约为2 105～2 430 m，冲沟发育，下切较深，冲沟沟壁陡峭，垂直山脊多呈树杈状分布，黄土覆盖层较厚。

北环隧道位于兰州北至周家庄货车直径线，长4 275 m，里程HK4+950～HK9+225，属低中山区，地面高程为1 598～1 860 m，地形起伏较大，沟壑纵横，自然坡度约20°～45°，沟谷多呈“V”字形，山顶平缓处及缓坡处多为风积黄土覆盖，植被稀疏。北环隧道与桃树坪隧道、胡麻岭隧道分属不同地貌类型(见表1)。

表1　地形地貌对照

2.2　物理力学性质

根据综合勘探、隧洞施工及取样试验，对第三系砂岩的含水量、黏粒含量、渗透系数、浸水特性、抗压强度等物理力学参数进行了试验。通过物理力学参数统计(见表2)，三条隧道洞身通过的第三系砂岩物理力学性质基本一致，主要为泥质胶结，胶结程度较差。其中，北环隧道HK4+960～HK7+400段砂岩局部为钙质胶结，黏粒含量略高，天然密度及抗压强度较大。

表2　北环隧道、桃树坪隧道、胡麻岭隧道物理力学对比

2.3　水稳特征

(1)桃树坪、胡麻岭隧道

桃树坪隧道和胡麻岭隧道现场施工揭示，第三系砂岩成岩性差，泥质弱胶结，遇水浸润(泡)或长时间暴露极易产生结构破坏。在隧道开挖过程中，砂岩含水率较低或无渗水时，围岩稳定性较好；当含水率过高以致有渗水时，在水的作用下，加之施工扰动，其工程性质迅速恶化，开挖后围岩迅速变差，多呈粉细砂状，拱部及边墙变形，坍塌严重，稳定性极差，出现不同程度的涌砂、涌水，施工难度大。

图1　桃树坪隧道某断面含水率变化曲线

图1为桃树坪隧道某处开挖过程中砂岩含水率变化曲线。隧洞开挖过程中砂岩含水率变化较大，0～2 h内含水率低，约4%左右；2 h后含水率开始快速上升，约3 h后含水率达到12%，砂岩开始发生塑性变形，围岩基本稳定；5 h后含水率继续上升，变形加剧，10 h后含水率约为18%，砂岩稳定性大大降低，工程性质迅速恶化，发生流变。

图2为胡麻岭隧道某处开挖过程中砂岩含水率变化曲线图。此段砂岩开挖过程开挖0～4 h内含水率较低，约4%～6%左右；4 h后含水率开始快速上升，在开挖后6 h含水率达到14%，砂岩开始发生塑性变形，砂岩的稳定性较好。8 h后含水率继续上升，在11 h后局部砂岩饱和，开始发生流变，围岩的稳定性大大降低，工程性质迅速恶化。

图2　胡麻岭隧道某断面含水率变化曲线

(2)北环隧道

勘探过程中，沿隧洞线路方向取7个钻孔中洞身位置岩芯进行现场浸水试验(见表3)。通过浸水试验可见，除个别钻孔岩芯浸水后无较大变化外，其余试样砂岩遇水崩解，速度较快，30 min后结构均被破坏，手搓呈砂状，或直接解体为散砂状。经观察，浸水无变化试样中，砂岩主要为钙质胶结，强度较高，浸水后不易崩解，在地层中主要以薄层状、透镜体状或结核状发育，分布无规律性。

通过浸水试验，结合隧洞区砂岩物理力学性质，北环隧道HK4+960～HK7+400段砂岩工程性质整体相对较好，强度较高，含水率较低，局部工程性质差，如DXSZ-1钻孔75 m试样，DH1Z-21钻孔60 m试样在静水环境中，结构破坏。HK7+400～HK9+255段砂岩工程性质差，强度低，含水率高，遇水易砂化，局部可能出现工程性质较好段落，如DXSZ-4钻孔45～65 m岩芯浸水无明显变化。

表3　北环隧道第三系砂岩岩芯浸水试验

2.4　水文地质特征

北环隧道、桃树坪隧道及胡麻岭隧道洞身通过的砂岩，含水率较低或无水浸润时，围岩稳定；遇水后，稳定性迅速变差，软化呈砂状。因此，隧道洞身区水文地质条件，决定该套砂岩的稳定性。

桃树坪隧道洞身主要穿越粗、细圆砾(局部有胶结)下部的第三系粉细砂岩，地下水主要为第三系砂岩中孔(裂)隙水，地下水有统一的地下水位，富水性好。桃树坪隧道TTZ-2、TTZ-3钻孔出水量分别为46.4 m3/d和5.6 m3/d。胡麻岭隧道洞身主要穿越第四系砂质黄土下部的第三系粉细砂岩，地下水主要为基岩孔(裂)隙水，地下水无统一的地下水位，但由于隧道洞身上部有常年流水沟奶长沟的地表水下渗补给，砂岩富水性较好，如HMSZ-3钻孔出水量为14.08 m3/d。北环隧道洞身穿过第四系砂质黄土下部的第三系砂岩，地下水主要为基岩孔(裂)隙水，地下水无统一水位，埋深一般在42～86m，沟谷区埋深较浅，一般在5～14m左右，受大气降水补给，季节性变化较明显，砂岩富水性一般。经钻孔提水试验，北环隧道钻孔水量约为0.2～3m3/d。

通过对比，胡麻岭隧道与北环隧道水文地质条件类似，从钻孔水量相比较桃树坪最大，胡麻岭次之，北环隧道最小，隧道洞身第三系砂岩水稳特征也与此顺序基本一致，且可预计北环隧道HK4+960～HK7+400段砂岩水稳性强于HK7+400～HK9+255段。

3　结束语

(1)甘肃地区第三系砂岩分布广泛，原始状态下密实度、承载力和变形模量较高，但多为泥质弱胶结，成岩作用差，由于黏粒含量少，具有结构脆弱、强度低、复杂的水稳特性，遇水工程性质迅速恶化。

(2)该组砂岩遇水变差，对该地层的认识，应结合工程区水文地质环境进行区别对待。

(3)线路遇到该段砂岩时，条件允许下应进行适当绕避，若无法绕避时，应与该地层大角度相交通过，隧道工程应进行适当抬坡，选择从地下水位以上通过。

(4)隧道工程施工中，应加强对该组地层施工工法研究，同时，应加强地质超前预报和动态设计工作。

[1]地质部甘肃地质局.中华人民共和国区域地质图说明书(1∶20 000兰州幅)[R].甘肃：地质部甘肃地质局，1965：15-16

[2]TB10012—2001铁路工程地质勘察规范[S]

[3]GB50021—2001岩土工程勘察规范[S]

[4]铁路第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1999：17-40

[5]《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007

[6]GB/T50123—1999土工试验方法标准[S]

[7]TB10002—2005铁路路基设计规范[S]

[8]何振宁.区域工程地质与铁路选线[M].北京：中国铁道出版社，2004