甄秉國

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

1 工程概況

桃樹坪隧道是蘭渝鐵路第一座隧道，位于蘭州市東崗鎮(zhèn)桃樹坪村，隧道全長3.20 km。隧道通過區(qū)為黃河高階地及黃土梁峁區(qū)，上部為第四系砂質黃土及圓礫土，洞身為上第三系砂巖。

上第三系砂巖礦物成分以石英和長石為主，粉細粒砂狀結構，成巖性差、泥質弱膠結。在無地下水地段，隧道圍巖整體穩(wěn)定性較好;在含地下水地段，砂巖遇水后結構迅速破壞，施工開挖后多呈飽和的粉細砂狀，穩(wěn)定性變差，施工難度極大。

2 上第三系砂巖地質成因及分布

本套地層為隴東區(qū)、隴西盆地的甘肅群，為一套桔黃色、淺棕黃色泥質砂巖、泥巖互層，屬陸相湖盆及山間凹地沉積，厚度＜296 m。上第三系砂巖在蘭州盆地和定西盆地分布范圍較廣，沉積厚度較大。蘭州除新城盆地(河口、新城一帶)基底為白堊系地層外，榆中(定遠)、城關、七里河、安寧堡及西固盆地，下伏基巖均為上第三系紅色砂巖或碎屑巖類，在地貌上多表現(xiàn)為黃土梁峁和河谷階地上覆風積和沖洪積黃土，下伏上第三系泥巖、砂巖及礫巖。

3 砂巖工程特性研究

3.1 砂巖的物理特征

根據取樣的顆粒分析及顆粒級配圖(圖1)，桃樹坪隧道上第三系砂巖的顆粒組成以粉細粒為主，粒徑主要集中于0.075～0.250 mm，黏粒含量低，僅為0.5% ～2.0%。

桃樹坪在施工過程中通過取樣測得，上第三系砂巖的天然含水率為4% ～10%，天然密度為1.88～2.13 g/cm3，顆粒密度為2.60～2.65 g/cm3，相對密度為2.64～2.67，孔隙比為0.36～0.44，滲透系數為1.2×10－4～7.6 ×10－5cm/s。

圖1 砂巖試樣級配曲線

3.2 砂巖的強度特征

3.2.1 抗壓強度

桃樹坪隧道上第三系砂巖受沉積環(huán)境的影響，形成過程中多以泥質弱膠結，且成巖性差，天然抗壓強度很低，一般＜1 MPa;遇水浸潤或擾動后極易軟化的特征明顯，其飽和抗壓強度無法通過室內試驗測得;局部夾有鈣質膠結薄層或結核，天然抗壓強度平均為2.46～7.58 MPa，飽和抗壓強度約為0.80～2.67 MPa。

3.2.2 抗剪強度

桃樹坪隧道砂巖直接剪切試驗，砂巖黏聚力為14.20 ～27.00 kPa，平均為 20.4 kPa，內摩擦角為 33°～41°，如圖2 和圖3。

圖2 1#抗剪強度曲線

圖3 4#抗剪強度曲線

3.3 砂巖含水率隨時間變化研究

考慮到含水砂巖開挖暴露時間與其圍巖穩(wěn)定性相關的特性，在隧道開挖過程中按照不同的施工方法和不同時間段采取了砂巖樣，進行了砂巖含水率試驗。

1)開挖前后均未降水。圖4曲線數據顯示，隧道掌子面開挖0～2 h內含水率低，約4%左右;2 h后含水率開始快速上升，約3 h后含水率達到12%，砂巖開始發(fā)生塑性變形，圍巖基本穩(wěn)定;約5 h后含水率繼續(xù)上升，變形加劇，約10 h后含水率約為18%，砂巖穩(wěn)定性大大降低，工程性質迅速惡化，圍巖失穩(wěn)，并呈現(xiàn)流變狀態(tài)。

圖4 1#斜井X0+45砂巖含水率變化曲線

2)先開挖后降水。圖5為2#斜井X0+020砂巖含水率變化曲線圖，可以看出，在0～2 h內，砂巖含水率的增長速度比較緩慢;2 h掌子面開始有水流滲，含水率迅速增長;在4～5 h后，砂巖局部發(fā)生塑性變形，臺階開始失穩(wěn)，隨著時間的推移，砂巖含水率不斷上升。約6 h后含水率達到19%，基本達到飽和狀態(tài)，開始流變。隨著降水工作的開展，砂巖的含水率會逐漸下降，約降水24 h時后含水率達到10%左右，圍巖基本穩(wěn)定。

圖5 2#斜井X0+020砂巖含水率變化曲線

3)開挖前持續(xù)超前降水。圖6為4#斜井DK5+880砂巖含水率變化曲線，可以看出，隧道開挖過程中，分層超前降水，掌子面下斷面中部砂巖含水率與時間的關系。分析可知，砂巖含水率保持在6% ～7%之間，且變化幅度不大，圍巖基本穩(wěn)定，說明持續(xù)降水，可保持圍巖穩(wěn)定。

3.4 上第三系砂巖工程特性

1)上第三系砂巖原始狀態(tài)下具有密實度高、不擾動狀態(tài)下承載力和變形模量比較高的特性。但第三系砂巖為泥質弱膠結，成巖作用差，由于黏粒含量少，結構脆弱，極易破壞，穩(wěn)定性差，工程性質極差?？梢姡苯永蒙系谌瞪皫r，不僅在工程技術上要求較高，而且工程造價也會大幅提高，因此對此類砂巖特性的認識，直接關系到工程的投資和安全。

圖6 4#斜井 DK5+880砂巖含水率變化曲線

2)上第三系砂巖的成分組成、膠結及含水情況具有不均一性，受水浸泡及外部條件的影響，圍巖穩(wěn)定性隨時間滯后且顯著變差，受水的影響之大，極其罕見。上第三系砂巖是一種特殊工程性質的巖層，現(xiàn)有的勘察手段(鉆探、物探、測試)難以查明其在水的作用下開挖后工程性質迅速惡化的特性。因此，對其異常復雜的巖性特征和水穩(wěn)特性的認識還需在工程建設中進一步研究。

3)通過試驗分析，上第三系砂巖主要由粉細砂粒及少量黏粒組成，膠結程度差，工程性質較差。在含水率低的情況下，砂巖的顆粒受力平衡，處于穩(wěn)定狀態(tài)，當含水率逐漸升高時，砂巖結構極易發(fā)生破壞，易發(fā)生塑性變形或流變，圍巖穩(wěn)定性迅速變差，具有十分復雜的水穩(wěn)特性，穩(wěn)定性隨含水率變化和時間延續(xù)具有顯著變化的特點。經分析研究，3～5 h為圍巖開始塑性變形的臨界時間點，7～10 h為圍巖開始流變的臨界時間點;砂巖發(fā)生塑性變形的含水率為12% ～16%，發(fā)生流變的含水率為18% ～19%;當砂巖含水率達到上述極限時，其穩(wěn)定性大大降低，圍巖將發(fā)生變形，并導致失穩(wěn);超前降水能夠控制圍巖含水率在5%～9%，低于圍巖塑性變形的含水率，圍巖基本穩(wěn)定。表明通過超前降水控制圍巖的含水率保持圍巖的穩(wěn)定性具有良好的效果。

4 結論

1)上第三系砂巖具有異常復雜的工程特性，地下水對圍巖穩(wěn)定性的影響非常大，在鐵路建設中尚未曾遇到過類似的大型地下洞室工程實例，是一個世界性施工技術難題。通過現(xiàn)場試驗分析以及施工實踐證明，超前降水能控制圍巖含水率低于砂巖塑性變形含水率，保持圍巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。因此，超前降水是有效解決上第三系含水砂巖穩(wěn)定性的首要措施。

2)上第三系砂巖厚度較大，巖性較均，施工中應盡量堅持“早、快、少”的原則?！霸纭睘樵缃邓?、超前降水，控制圍巖含水率低于砂巖塑性變形含水率，保持圍巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài);“快”為快開挖、快支護，及時封閉圍巖;“少”為少擾動。

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