石膏质岩的膨胀特性及防治对策研究

韩琳琳，张黎，蒋小权

(1. 广西农业职业技术学院，南宁 530007；2.广西壮族自治区第四地质队，南宁 530007)

石膏质岩中含有较多硬石膏(CaSO4)，硬石膏遇水发生水化反应，生成石膏，进而会导致体积膨胀，故石膏岩具有一定的膨胀性[1,2]。石膏质岩在我国的分布范围非常广，尤其是中西部地区，为我国高速公路、铁路穿越中西部造成了很大的困扰[3-5]。本文选取宜巴高速公路凉水井隧道区内的石膏质岩，对其膨胀特性进行了试验研究，并针对其膨胀特性提出了相应的防治措施。

1 试验样品及试验方法

本文选用宜巴高速路凉水井隧道出露的石膏质岩，样品为灰白色。采用X’Pert PRO DY2198 型号的X-射线衍射仪对试样进行X衍射试验，试验结果显示该试样中石膏含量为92%。

根据《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)将样品烘干碾碎后过0.5mm筛。取4个试样，均为10 g，进行自由膨胀率试验。用小型击实仪将烘干后的岩石粉末置于环刀中进行击实，制备成4个平行的重塑样。利用膨胀仪，进行无荷载膨胀试验。

2 试验结果分析

2.1 自由膨胀率试验结果及分析

对4个平行试验进行自由膨胀率试验，观察48 h后，得出试样的自由膨胀率，结果见表1。从表1中可得，该石膏质岩粉末遇水后有一定的体积膨胀，自由膨胀率可达4.1%。该结果相对于含有高亲水矿物的膨胀土来说，膨胀性较弱。但如果在实际工程中发生3%的膨胀，对工程也会造成毁灭性的破坏。在试验过程中发现，将蒸馏水加入到量筒与试样粉末混合后，桶壁以及桶底都有非常明显的发热，说明石膏质岩中的硬石膏遇水发生水化反应，放出热量，并使岩体产生膨胀。

表1 石膏质岩粉自由膨胀率试验结果

2.2 无荷载膨胀率试验结果分析

对4个重塑样进行无荷载膨胀率试验，试验结果见表2。从表2中可得，该试样无荷载膨胀率为4.84%～5.86%，最大为5.86%，比自由膨胀率大。根据无荷载膨胀率试验过程绘制膨胀率曲线如图1。

从图1中可以得出：试验开始后，试样膨胀较快。选取试样1分析，试验开始90 min后，试样的膨胀率达到2.62%，完成了整体膨胀率(5.86%)的45%。试验经历400 min后，膨胀变形已完成88%。经历900 min后，膨胀变形已基本完成。试验经历1 200 min后，趋于稳定，膨胀变化不大。相较于含亲水黏土矿物较多的膨胀土来说(膨胀土一般300 min完成膨胀变形)，石膏质岩的膨胀变形周期较长，这表明硬石膏遇水发生水化反应导致岩石膨胀变形所经历的周期较长[6]。对比4个试样的干密度和最终膨胀率可以发现，干密度越大，无荷载膨胀率越大,说明干密度越大，硬石膏的含量会越多，则遇水后发生膨胀变形的体积也会越大。在实际工程中，石膏质岩中硬石膏的含量越大，则该区域发生膨胀变形的概率和变形的体积也会越大，设计施工时更应该引起注意[7]。

表2 石膏质岩粉重塑样膨胀率试验结果

图1 重塑样膨胀率曲线

3 石膏岩膨胀变形的危害及防治措施

3.1 石膏岩膨胀变形的危害

在铁路、公路的隧道施工过程中，石膏质岩会逐渐暴露。隧道的开挖，临空面的增加，会改变地下水原来的补给、径流和排泄途径，导致隧道的基底地下水流量增大，地下水汇集。具备了地下水流动的条件后，石膏质岩遇水发生水化反应的时间和概率均有所增加。随着水化周期的增加，石膏质岩吸水膨胀，产生侧向膨胀变形，进而对隧道衬砌的支撑结构产生一定的挤压，导致衬砌结构中部分区域出现应力集中现象。经过长时间的挤压，会最终导致衬砌结构破坏，隧道边墙鼓包、开裂，甚至坍塌，危害行车安全[8,9]。

石膏质岩呈现膨胀特性与其特殊的成分相关，其主要成分硬石膏可以与水反应生成石膏，反应方程式如下：

从上述化学方程式中可以看出，硬石膏吸水变成石膏的过程，实质上是通过化学反应，将自由水变成结合水的过程。结合水的增加，导致土颗粒体积增大，无数土颗粒体积的增大，最终导致石膏质岩的体积膨胀。这个化学过程是不可逆的，不能依靠轴向应力的转变来使石膏向硬石膏转变，但轴向应力的大小却能够控制其转化的程度。试验研究表明，通过增大石膏质岩周围的围岩压力，可以有效控制石膏质岩的膨胀变形。

3.2 防治措施

由于我国高速公路、高速铁路的快速发展，穿越石膏质岩区域的隧道增多。而石膏质岩的膨胀性，会给隧道工程的勘查、设计、施工和后期维护带来较多的困难。本文从隧道的勘查设计、施工两个方面针对石膏质岩的膨胀性提出几点防治措施[10]。

3.2.1 勘查设计方面的防治措施

勘查设计可以为后期的施工提供第一手地质资料，且石膏质岩的危害直接与石膏质岩所在区域的地质背景、构造特征、水文特征等有关。因此，在勘查设计阶段，对石膏质岩所在区域进行详细的勘查设计，是非常重要，也是非常必要的。本文结合石膏质岩的膨胀特性提出以下几点建议：

(1) 查明石膏质岩区域的构造特征，包括岩石的命名，石膏和硬石膏的含量，埋藏区域，岩层的厚度等。尤其是石膏和硬石膏的含量，硬石膏的含量多少直接影响岩层的膨胀特性。因此，需要采取原位样本，采用XRD试验和全化学成分试验，分析其所含石膏、硬石膏的含量及其它化学成分。

(2) 石膏质岩的膨胀特性其实是硬石膏的水化过程，因此，需要查明隧道穿越区域的地下水文情况，包括地下水发育情况、渗流特征、地下水补给-流动-排泄区，地下水与石膏质岩的接触情况、水位埋深等。减少隧道建设区域的地下水发育或降低地下水与石膏质岩的接触面，会有效降低石膏质岩的膨胀变形，减少对隧道工程的危害。

(3) 对隧道区域的地表水文特征进行详细统计。天然气候下的地表降水会对地下水进行有效补给，增大地下水的流动，进而会增加石膏质岩的水化反应。同时，施工期间，地表降水会直接与裸露出来的石膏质岩发生水化反应，增加膨胀变形。因此，统计并分析好施工区域的地表水文特征，避开雨期施工，会降低石膏质岩的膨胀变形。

(4) 调查清楚施工区域的围岩压力。石膏质岩的膨胀力达到一定的强度并超过围岩压力后，才会使石膏质岩发生膨胀变形。因此，围岩压力的大小会影响石膏质岩发生膨胀变形的可能性和变形的大小。

(5) 当地表调查难以发现石膏质岩时，可以结合野外调查石膏质岩系的地表特征及岩相特点、岩溶角砾岩和塌陷角砾岩的存在等来判断岩层是否含石膏。

3.2.2 施工方面的防治措施

经过详细的勘查设计阶段后，隧道进入施工开挖阶段。隧道开挖，导致石膏质岩的裸露和地下水流的变化，裸露的石膏质岩既可以与地下水发生水化反应，也可以与地表水发生水化反应，增加了其发生膨胀变形的可能性。因此，选用合理施工工艺和支护措施，能够有效防治石膏质岩膨胀变形产生的危害。本文给出以下几点建议：

(1) 分析施工阶段地下水和地表水的情况。在施工阶段，合理的降低地下水位，减少地表水流，会有效降低石膏质岩发生膨胀变形的概率。因此，需要结合施工区域的水文地质情况制定合理的施工方案，减少施工阶段地下水和地表水与石膏质岩的接触。

(2) 制定合理的隧道开挖方案。隧道开挖，围岩压力释放，导致石膏质岩的膨胀力大于释放后的围岩压力，原来未发生膨胀变形的石膏质岩会发生膨胀变形。因此，在隧道开挖时，应该尽量减少对石膏质围岩体的扰动，建议可考虑采用无爆破掘进法进行隧道开挖。

(3) 选择合理的围岩支护方案。根据石膏质围岩膨胀特性采取适合施工场地的围岩支护措施。在石膏质岩隧道施工时应注意以下两点：

① 喷锚支护，稳定围岩。一般情况下，建议采用喷射混凝土、钢筋网的方案进行支护。当围岩膨胀力很大的时候，可以结合锚喷、格构的联合支护方案，可用超前锚杆或小导管在隧道顶部进行支护，同时用锚杆支护在隧道底部进行支护。

② 衬砌结构及早封闭。隧道开挖后，由于原始应力的释放，会导致石膏质围岩向内发生膨胀变形，因此为了控制围岩体的膨胀变形，要求隧道衬砌结构要及早封闭。在施工过程中，可以考虑浇筑隧道拱圈部分时设置临时混凝土仰拱或者喷射混凝土充当临时仰拱。然后当在下部台阶施工阶段，再拆除临时仰拱，并同时尽快灌筑永久性仰拱。

4 结论

本文采取宜巴高速路凉水井隧道出露的石膏质岩，通过室内试验分析了岩样的自由膨胀率和无荷载膨胀率试验，同时给出了防治石膏质岩膨胀变形的防治措施，得出以下结论：

(1) 试样的自由膨胀率可达4.1%，且量筒的桶壁以及桶底都有非常明显的发热，说明石膏质岩中的硬石膏遇水发生水化反应，放出热量，并使岩体产生膨胀。

(2) 试样无荷载膨胀率为4.84%～5.86%，最大为5.86%。试验经历1 200 min后，膨胀变形趋于稳定，表明硬石膏遇水发生水化反应导致岩石膨胀变形所经历的周期较长。

(3) 在隧道穿越石膏质岩勘查设计阶段，必须准确查明区域石膏质岩的构造特征、地下水文情况、地表水文特征和围岩压力等。勘查阶段的数据准确性能够为后期设计、施工阶段防治石膏质岩膨胀变形提供有力保障。

(4) 在隧道穿越石膏质岩施工支护阶段，需要选择合理的开挖方案和支护方案。

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