长平高速公路杜公岭隧道石膏及硬石膏分布特征

赵 强 徐春枝

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

1 石膏、硬石膏性质

石膏是二水硫酸钙，化学式为CaSO4·2H2O，理论成分为：CaO占32.6%，SO3占46.5%，H2O占20.9%，有时含有SiO2,Al2O3,Fe2O3,MgO，NaCl等杂质，并常有粘土有机质等机械混入物。

硬石膏为无水硫酸钙，化学式为CaSO4，理论成分为：CaO占41.2%，SO3占58.8%。斜方晶体，晶体厚板状，集合体致密块状或粒状，白、灰白色，有时微带浅蓝或浅红色，玻璃光泽，硬度较石膏大。

2 山西省石膏、硬石膏分布特征

山西省是石膏分布较为广泛的地区之一，主要集中在汾河沿岸的太原至襄汾一带，保有储量43 690万t，占全省储量的95.0%。其中临汾，襄汾一带分布面积约4 000 km2，共有三个矿区，保有储量31 790万t，占全省储量的69.1%；其次为太原市和灵石县两个矿区，保有储量分别为6 164万t和5 750万t，分别占全省储量的13.4%和12.5%。全省仅有少量的储量分布在长治市潞城的上黄、常家岭一带(杜公岭隧道以北约19.0 km处)，保有储量2 315.5万t，占全省储量的5%。

平顺县石膏、硬石膏主要分布在杜公岭隧道东南部的牛石窑和杏城一带(距隧道直线距离约26 km)。

矿体厚度变化趋势是：南部临汾一带厚度大，一般厚度达10 m～25 m，最厚达89 m，但品位低，一般在65%～73%之间；中部灵石一带厚度变薄，达2 m左右，但品位增高，达85%左右；北部太原一带矿体厚度一般为1 m～2 m，品位最高，达80%～90%。

3 杜公岭隧道左洞石膏、硬石膏分布特征

杜公岭隧道位于长平高速公路主线段，隧址位于长治市平顺县前鸦沟至大岭沟之间。2013年11月，隧道出现衬砌开裂、路面隆起、边沟倾斜等病害，通过对杜公岭隧道的详细工程地质勘察，隧址区存在石膏岩。

3.1 洞渣石膏、硬石膏分布特征

在杜公岭隧道弃渣场取岩块(b1～b5)共5组进行矿物成分鉴定(详见图1,图2，鉴定结果见表1)。

表1 杜公岭隧道岩石鉴定表

编号岩石名称主要矿物次要矿物鉴定结论b1微晶白云岩白云石90%磷灰石10%浅灰色,具微晶结构,块状构造,矿物成分主要是白云岩,含少量磷灰石b2硬石膏石膏岩石膏85%白云石7%～9%硬石膏6%～8%灰白色,具层状构造,纤维状结构,交代残余结构。矿物主要成分是石膏,其次含少部分硬石膏和白云石b3白云石石膏岩石膏83%白云石12%硬石膏5%灰色,具层状构造,纤维状结构。矿物成分主要为石膏和白云石,其次含少量硬石膏b4硬石膏石膏岩石膏91%白云石5%硬石膏4%灰白色,具层状构造,结晶粒状结构。矿物成分主要为石膏,其次含少量白云石和硬石膏b5白云石石膏岩石膏75%白云石15%～20%硬石膏6%～8%灰色,具层状构造,纤维状结构。矿物主要成分是石膏和白云石,其次含少量硬石膏

5组岩样中，1组为微晶白云岩，2组硬石膏、石膏岩，2组白云石石膏岩。除1组不是石膏岩外，其他4组均是石膏岩，石膏含量达75%～91%，说明隧道内确实存在石膏或硬石膏。

3.2 隧道钻孔石膏、硬石膏分布特征

钻孔揭露石膏、硬石膏分布于边墙孔内(斜孔)。边墙孔所夹的石膏和硬石膏见表2。

表2 杜公岭隧道洞内钻孔岩石鉴定表

在鉴定的7个钻孔中，有6个钻孔揭露石膏、硬石膏，其中左边墙4个孔，分布段落为K34+950～K35+370段。6个孔中确定石膏岩有 4个孔，矿层垂直厚度1.06 m～4.14 m，石膏含量达80%～95%；含石膏的泥灰岩1孔，垂直厚度达2.62 m，野外初步判断石膏含量达20%～30%；石膏白云岩1个孔，垂直厚度达3.42 m，其中白云岩含量达55%～65%，石膏含量达35%～45%。

纵观地表出露和钻孔中揭露的石膏、硬石膏，有以下特点：

1)石膏、硬石膏一般与泥灰岩共生，夹于泥灰岩中，呈层状、透镜状产出。

2)石膏、硬石膏颜色与泥灰岩相近，呈灰白色，局部呈灰褐色。

3)石膏、硬石膏具有软化性和膨胀性。

4 石膏、硬石膏病害机理分析

通过取岩样进行室内试验和现场埋设9个压力盒进行测试，石膏、硬石膏膨胀性分析如下：

1)石膏岩的破坏机理是水合作用，即石膏岩中的硬石膏吸水而产生膨胀变形。反应方程式为：CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O，反应后体积可增大60%左右。试验进行了72 h，测得最大膨胀率为152.6%～300.0%，最大膨胀力为1.62 MPa～2.55 MPa。

2)膨胀力在雨季时增长明显，并达到该年读数的最大值；在干燥季节时膨胀力下降比较明显，并达到读数的最小值。上述现象表明：硬石膏的膨胀力与水有密切关系，并且膨胀力是相对较缓慢的增加。

3)第一年的观测结果,最大膨胀力为0.49 kg/cm2,与室内硬石膏岩膨胀力观测结果0.688 kg/cm2(一年内)比较接近，只是后者获得的数值略高。

4)石膏岩的水化膨胀过程十分缓慢，持续时间很长。

综上所述,硬石膏岩开挖暴露，与水结合后体积膨胀，产生侧向变形，对隧道防护结构的挤压作用增强，局部产生应力集中，超过了混凝土结构强度，致使防护结构遭受破坏。

5 石膏、硬石膏病害防治措施

1)首先探明地下水的分布范围及规律，对有地下水渗流的隧道，施工时采取有效措施，切断水源并加强洞壁与隧道的防、排水措施，提高衬砌混凝土的抗渗标号，对施工缝进行可靠的防水处理等。

2)降低地下水位是治理的关键措施。设计时在隧道富水一侧布置一条纵向泄水廊道，降低隧道地下水位。

3)衬砌时使用抗硫酸盐侵蚀为主水泥材料，增强混凝土抗渗等级，提高材料的耐侵蚀性。

采用综合措施施工处理后，杜公岭隧道于2018年7月恢复通车。