引洮工程总干7号隧洞疏松砂岩工程地质特性研究

崔 旭

(甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

引洮供水工程总干7#隧洞位于甘肃省渭源县境内，隧洞全长约17.28km，最大埋深368m，圆形断面，设计开挖洞径5.75m。隧洞掘进以单护盾TBM施工为主，其中TBM掘进13.528km，人工开挖3.752km。现已建成运行。

2 地质概况及施工情况

7#隧洞穿过洮河与渭河之间的分水岭，沿线地形破碎，沟壑纵横，总体呈沟谷与梁峁相间的黄土丘陵地貌景观。隧洞围岩为白垩系、新近系碎屑岩地层，其中新近系极软岩洞段长14.7km，占洞长的85.6%。新近系地层岩性以泥质粉砂岩、砂质泥岩及疏松砂岩(粉细砂岩)为主，疏松砂岩呈厚数十米的夹层，平缓的夹于泥质粉砂岩、砂质泥岩之中，共有8层，多含水饱和，部分具承压性。疏松砂岩是新近系在特殊环境和水动力条件下沉积而成，成岩时间不长，成岩作用差，主要分布于陇渭新生代盆地，其分布具有一定的区域性。

新近系围岩工程地质特性恶劣，地质环境复杂，施工难度大，特别含水的疏松砂岩在地下水作用下，工程地质问题尤为突出。隧洞主要采用TBM施工，并辅以人工掘进。TBM在含水疏松砂岩段施工中多次受困，出现了涌砂、埋机、栽头等严重的施工问题，以至于在桩号57+850附近难以脱困而被迫采用冻结法施工，付出了高昂的代价。为此对含水疏松砂岩集中分布且TBM严重受困难以继续段(桩号57+835～58+159m)进行了重点勘察及试验研究，其剖面位置如图1所示。该段长约324m，隧洞最大埋深约265m，岩层产状平缓，钻孔揭示自上而下间隔分布两层疏松砂岩，上层垂直厚度约22m，下层垂直厚度约70m，两层疏松砂岩均含地下水，且具承压性，但水量较小。

3 疏松砂岩工程地质特性

利用钻孔、竖井取得疏松砂岩原状样和泥质粉砂岩试样，进行物理力学性质试验，对比试验，分析研究疏松砂岩的工程地质特性。

3.1 岩石物理力学性质

3.1.1 岩石物质组成及结构

(1)矿物成分

经对比疏松砂岩和泥质粉砂岩粉末衍射矿物成分测试(XRD)，疏松砂岩矿物成分相对单一，主要以石英颗粒为主，黏土及钙质矿物含量很少，如图2所示。泥质粉砂岩中则有少量黏土、钙质胶结物存在，如图3所示。疏松砂岩中缺少黏土及钙质矿物等具有胶结作用的矿物是疏松砂岩特性的基础原因。

图1 剖面位置图

图2 疏松砂岩代表性XRD曲线图3 泥质粉砂岩代表性XRD曲线

(2)化学成分

根据能谱化学成分测试(EDS)见表1，化学成分以Si元素为主，其次为Ca、Fe、K、Al等，疏松砂岩Ca元素含量为9.30%～10.8%，泥质粉砂岩Ca元素含量20.42%～34.27%，这是疏松砂岩钙质胶结差的基础，是疏松砂岩特性的内在原因之一。

(3)岩石结构特征

疏松砂岩结构特征从宏观及微观方面进行分析，宏观方面研究颗粒的粒度特征，微观方面研究固体颗粒本身特征、排列方式、颗粒间的联结特征及孔隙特征等。

根据颗分试验，见表2，疏松砂岩中具有胶结作用的粘粒(<0.005mm)含量为2.4%～7.9%，而泥质粉砂岩中粘粒含量为13.3%～33.7%，疏松砂岩粘粒含量明显小于泥质粉砂岩的粘粒含量，这是疏松砂岩泥质胶结差的基础，是疏松砂岩形成的内在因素之一。另外，从不均匀系数和曲率系数分析，疏松砂岩颗粒均匀程度好于泥质粉砂岩，颗粒相对均匀，级配不良，根据颗粒组成疏松砂岩可定名为粉细砂岩。

根据电镜扫描试验(SEM)分析，疏松砂岩基本结构类型属于骨架状结构，颗粒大小主要集中在0.25～0.075mm之间，细砂级组分含量较大，构成疏松砂岩的骨架，以石英颗粒为主，大小较均匀，具有一定的磨圆度，坚硬不易变形，颗粒间相互依靠支撑，稳定性较好。骨架颗粒自重远大于颗粒之间的分子引力，颗粒之间几乎没有联结，或者具有微弱联结，形成单粒结构，排列方式为紧密的单粒排列。骨架颗粒间孔隙较大，分布较均匀，孔隙内黏粒较少，粘粒呈薄膜状或星点状覆盖在颗粒表面，在砂粒接触处有少量黏粒，起着接触弱连接作用。疏松砂岩属均匀松散的孔隙结构类型。

表1 EDS试验化学成分对比表 %

表2 颗分试验对比表

表3 物理性质对比表

表4 水理性质对比表

3.1.2 物理性质

疏松砂岩和泥质粉砂岩干密度、孔隙比、含水量等指标见表3，通过对比可知，疏松砂岩干密度小、孔隙比大、含水率高，具有结构疏松的特点。

3.1.3 水理性质

(1)崩解特性

疏松砂岩吸水率12.6%～22.78%，饱和吸水率13.1%～24.8%，具遇水极易软化、浸水极易崩解特性；泥质粉砂岩吸水率8.19%～20.9%，饱和吸水率8.6%～22.3%，具遇水易软化、浸水易崩解特性。疏松砂岩泥质粉砂岩水理性质对比见表4，通过对比可知，疏松砂岩吸水率及饱和吸水率比泥质粉砂岩大，遇水更易软化，浸水后崩解速度更快。

(2)渗透性

根据表4室内渗透试验看出，疏松砂岩渗透系数(5.8～30)×10-5cm/s，弱～中等透水；泥质粉砂岩渗透系数(0.15～4.3)×10-5cm/s，弱～微透水。根据表4中钻孔提水试验看出，疏松砂岩渗透系数(6.5～32)×10-5cm/s，属弱～中等透水岩体；泥质粉砂岩渗透系数(0.2～4.7)×10-5cm/s，属弱～微透水岩体。疏松砂岩透水性明显强于泥质粉砂岩。

表5 抗剪强度对比表

注：表中数值为最小值～最大值/(平均值)

3.1.4 力学性质

抗剪强度对比见表5。从表5直剪试验中看出，疏松砂岩强度较低，特别是内聚力极低，平均内聚力7.10kPa，平均内摩擦角44.01°。泥质粉砂岩平均内聚力95.2kPa，平均内摩擦角43.90°。疏松砂岩与泥质粉砂岩内摩擦角接近，但疏松砂岩的内聚力明显低于泥质粉砂岩。

疏松砂岩结构疏松，抗压强度试验制样困难，根据Mohr-Coulomb准则，抗压强度σ=2c·cosφ/(1-sinφ)，估算疏松砂岩单轴抗压强度为33.29kPa，而泥质粉砂岩直剪饱和抗压强度为900kPa，疏松砂岩单轴抗压强度远远小于泥质粉砂岩的抗压强度，属极软岩，类似于“固结粉细砂”的强度特性。

3.2 围岩工程地质特性

疏松砂岩受构造影响微弱，断层、裂隙不发育，主要结构面为层面。根据钻孔声波测试，岩体纵波速Vpr为1690～2300m/s，完整性系数Kv为0.70～0.80，岩体完整性好。疏松砂岩围岩应力环境主要为自重应力场，围岩强度应力比一般S<0.1。围岩稳定性取决于岩石性质，同时可视为散体结构，可按散体理论进行围岩稳定性和山岩压力分析。

4 围岩主要工程地质问题

疏松砂岩胶结程度差，成岩作用差，结构疏松，属极软岩，岩体完整性好，抗压及抗剪强度低。含水饱和后，其围岩工程地质性质更为恶劣，围岩强度应力比一般小于0.1，按现行规范为稳定性极差的Ⅴ类围岩，隧洞开挖后几乎不能自稳且极易产生塑性变形破坏，进而发生规模较大的塌方。根据散体压力理论，疏松砂岩塌方高度采用普氏塌落拱公式h=b+2b·tg(90°-φ)/f，若取饱和疏松砂岩f=0.8，饱水疏松砂岩围岩塌方高度10～15m。该估算值与与施工量测最大塌方高度基本相符。

另一方面，饱和疏松砂岩中地下水一般具承压性，承压水头数十米，随着隧洞的开挖，地下水渗流场发生改变，地下水在隧洞洞周集中渗出，围岩将产生机械潜蚀破坏，使得围岩稳定性进一步下降。同时，围岩塌落物为松散的饱水粉细砂，其颗粒多为细砂和粉砂，遇振动极易液化。

由此可见，含水疏松砂岩工程性质恶劣，其工程性质类似于固结饱和粉细砂。作为地下工程围岩，疏松砂岩存在自稳时间极短、稳定性极差，以及地下水机械潜蚀破坏和振动液化问题。

引洮总干7#隧洞施工实践表明，含水疏松砂岩无论是TBM还是人工掘进施工难度极大，成为引洮工程施工中遇到的重大技术难题。TBM施工中多次受困，表现为严重的埋机、栽头，甚至因振动液化出现喷水冒砂现象，最后不得已采用冻结法施工解困使引水隧洞得以贯通。

5 结语

疏松砂岩是在特殊地质环境中沉积的，成岩作用差，在甘肃陇渭盆地新近系地层中呈不厚的夹层分布，具有一定的区域性。含水疏松砂岩工程性质软弱恶劣，其性质类似于固结饱水粉细砂，作为地下工程围岩存在自稳时间极短、稳定性极差，地下水机械潜蚀破坏和振动液化问题，是一种极为特殊恶劣的围岩，将其视作散体，采用普氏理论分析围岩稳定性，估算山岩压力有一定的合理性。在饱水疏松砂岩中进行地下工程开挖施工困难极大，不适宜TBM施工。隧洞线路在选线时应仔细勘察，尽量绕避，否则必须考虑特殊施工方法。