朱容辰(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安 710043)Study on Complex Water Stability of Third Series Sandstone of Beihuan TunnelZHU Rongchen
北環(huán)隧道第三系砂巖復(fù)雜水穩(wěn)特性研究
朱容辰(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安710043)Study on Complex Water Stability of Third Series Sandstone of Beihuan TunnelZHU Rongchen
摘要蘭州地區(qū)分布的第三系含水砂巖具有異常復(fù)雜的工程特性,北環(huán)隧道洞身將穿越該套地層。介紹北環(huán)隧道的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)特征、巖體物理力學(xué)參數(shù),并取巖樣做水穩(wěn)特性試驗(yàn)。在綜合參考各試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下,分析控制隧道地質(zhì)條件的工程地質(zhì)問(wèn)題,總結(jié)了北環(huán)隧道第三系砂巖的水穩(wěn)特征。
關(guān)鍵詞北環(huán)隧道第三系砂巖水穩(wěn)特性失穩(wěn)機(jī)理
北環(huán)隧道位于蘭州市安寧區(qū)沙井驛鎮(zhèn)及皋蘭縣九合鎮(zhèn)。隧道起止里程HK0+690~HK9+225,隧道長(zhǎng)8 535 m,為雙線隧道,隧道洞身最大埋深220 m。地貌上屬低中山區(qū),地面高程一般1 598~1 860 m,地形起伏較大,自然坡度約20°~45°,地表溝壑縱橫,溝谷多呈“V”字形。山頂平緩處及緩坡多為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土覆蓋,多基巖裸露,植被稀疏。第三系泥巖夾砂巖段坡面較陡,山頂渾圓;砂巖段地貌隨著巖體工程性質(zhì)的變化,由陡崖逐漸過(guò)渡為渾圓的山丘(見(jiàn)圖1)。
1地層巖性
根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料[1-3],隧道洞身通過(guò)的地層主要為第三系中新統(tǒng)泥巖夾砂巖、砂巖。本套地層屬于上第三系中新統(tǒng)咸水河組,從時(shí)代成因及巖性特征可分為上、中、下三段[4]。上段(HK0+690~HK1+050)主要以泥巖為主,泥巖占本段地層厚度的80%左右,上段地層的下部為一層厚約5~8 m的青灰色砂巖,砂巖結(jié)構(gòu)較疏松。中段(HK1+050~HK4+950)為泥巖夾砂巖,泥巖約占本套地層的60%左右,多為互層狀的泥巖、砂巖;本段地層底部為一層細(xì)礫巖,膠結(jié)較好,較堅(jiān)硬。下段(HK4+950~HK9+225)為砂巖,本套地層的上部偶夾有0.5~2 m厚的泥巖,巖體為泥質(zhì)膠結(jié),極少部分為鈣質(zhì)膠結(jié),下部以純砂巖為主,膠結(jié)較差,遇水結(jié)構(gòu)易破壞,工程地質(zhì)性質(zhì)差。
2地質(zhì)構(gòu)造
該隧道在構(gòu)造上位于祁連褶皺系的中祁連隆起帶,處于北北西、北西西、北東—北東東構(gòu)造交匯部位。隧道通過(guò)區(qū)的構(gòu)造主要為李麻砂溝向斜,位于沙井驛與哈家嘴之間,軸向北北西,長(zhǎng)約25 km,寬約10 km,向北開(kāi)闊。兩翼傾角較緩,一般為15°~35°。隧道通過(guò)區(qū)位于李麻砂溝向斜構(gòu)造的西翼,為單斜地層,巖層產(chǎn)狀傾向東,地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。
3水文地質(zhì)特征
隧道區(qū)地表水較發(fā)育,除進(jìn)口小溝谷無(wú)地表水外,較大的李麻沙溝、拐子溝、八面溝、老羊溝及出口的大拉拉溝均有多處水塘和少量地表水流,地下水類(lèi)型可分為黃土孔隙裂隙水和基巖裂隙水。
(1)黃土孔隙裂隙水
黃土孔隙裂隙水主要賦存于上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土中,主要分布于山間洼地,結(jié)構(gòu)疏松,垂直節(jié)理發(fā)育,有利于大氣降水的入滲。黃土潛水多不連續(xù)分布,沒(méi)有統(tǒng)一的潛水面,且季節(jié)性變化大,第四系孔隙潛水水位埋藏變化大,富水性較差。
(2)基巖孔(裂)隙水
該隧道洞身通過(guò)區(qū)地下水主要為基巖孔(裂)隙水,賦存于砂巖、泥巖夾砂巖地層中。泥巖結(jié)構(gòu)致密,產(chǎn)狀較平緩,節(jié)理裂隙不發(fā)育,滲透性差,不利于地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移,僅在局部孔隙發(fā)育地段含少量地下水;砂巖中孔(裂)隙水由于成巖程度或風(fēng)化帶厚度不一,節(jié)理裂隙發(fā)育程度等因素,變幅較大。本段地下水為孔(裂)隙潛水,埋深一般為42~86 m,溝谷區(qū)埋深較淺,一般在5~14 m,季節(jié)性變化較明顯。地下水的富集受地層巖性、地貌形態(tài)影響較為明顯,巖性含泥質(zhì)多,膠結(jié)性好,地下水貧乏,反之地下水富集;受巖性及補(bǔ)給條件限制,該地區(qū)水量一般不大,但溝谷區(qū)地下水相對(duì)富集。
隧道區(qū)地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給,地下水從山頂向溝谷自高向低徑流匯集,多在深切溝谷處以泉、面狀滲水或蒸發(fā)的形式排泄。
為查明第三系砂巖的含水特性,隧道區(qū)共布鉆孔11個(gè)。11個(gè)鉆孔中除DXSZ-7未揭露到地下水外,其余鉆孔均揭露到地下水,并對(duì)有水鉆孔進(jìn)行了提水試驗(yàn)。由于鉆孔中的地下水水量小,只能選擇其中水量相對(duì)較大的4個(gè)鉆孔進(jìn)行水文地質(zhì)計(jì)算(見(jiàn)表1)。
試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)及這4個(gè)鉆孔所處的地貌位置說(shuō)明第三系砂巖具有弱富水性。在沖溝、地貌低洼帶,地表有灌溉農(nóng)田下部的第三系砂巖富水性相對(duì)其它地段要好。
第三系砂巖成巖程度較差,遇地下水易軟化或崩解。以下對(duì)隧道洞身通過(guò)砂巖中地下水對(duì)隧道施工的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。
(1)HK4+950~HK7+295段:洞身通過(guò)巖性為砂巖,局部夾泥巖,膠結(jié)較好(多為泥、鈣質(zhì)膠結(jié)),黏粒含量較高,滲透系數(shù)相對(duì)較小,砂巖中的地下水主要以砂巖裂隙、層間水為主。本段施做4個(gè)鉆孔,水位埋深一般在40~86 m,從水位分布高程分析,地下水分布具有不均一性。在同一溝槽,地下水的分布、埋藏也存在明顯差異,其補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水,大氣降水通過(guò)節(jié)理裂隙、地表匯水條件較好的溝谷下滲。由于該段砂巖中的地下水的富集受節(jié)理裂隙的控制,故地下水對(duì)砂巖工程性質(zhì)的影響在節(jié)理較發(fā)育段或地表匯水條件較好的溝谷淺埋段較為明顯。
(2)HK7+295~HK7+600段:該段位于沖溝淺埋段,巖性為砂巖,局部夾泥,膠結(jié)差,黏粒含量低,滲透系數(shù)相對(duì)較大。砂巖中的地下水主要以砂巖孔(裂)隙水為主,水位埋深一般在4~14 m,其補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和溝谷中第四系孔隙水雙重補(bǔ)給。大氣降水、第四系孔隙水通過(guò)砂巖節(jié)理裂隙下滲,在風(fēng)化帶和節(jié)理帶中富集,對(duì)砂巖工程性質(zhì)有很大影響。
(3)HK7+600~HK8+640段:洞身通過(guò)巖性為砂巖,泥質(zhì)弱膠結(jié),黏粒含量較低,滲透系數(shù)一般。砂巖中的地下水主要以砂巖裂隙水為主,水位埋深在34 m左右,其補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水。該段地形陡峻,不利與大氣降水通過(guò)節(jié)理裂隙下滲補(bǔ)給地下水。地表灌溉農(nóng)田的灌溉水也對(duì)其下部第三系砂巖中的地下水有一定補(bǔ)給。該段砂巖中地下水的富集受節(jié)理裂隙控制,地下水對(duì)砂巖工程性質(zhì)的影響主要在節(jié)理密集帶段、地表人工灌溉用水活動(dòng)區(qū)。
(4)HK8+640~HK9+225段:洞身通過(guò)巖性為砂巖,泥質(zhì)弱膠結(jié),黏粒含量低,滲透系數(shù)相對(duì)高。砂巖中的地下水主要以砂巖裂隙水為主,水位埋深一般在42.9~50.3 m,其補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水。該段地下水水位位于隧道洞身以下,但季節(jié)性水位波動(dòng)可能對(duì)砂巖工程性質(zhì)產(chǎn)生影響。
4物理力學(xué)特征
勘察階段,通過(guò)鉆探取樣試驗(yàn),對(duì)北環(huán)隧道HK4+976~HK9+225段第三系砂巖的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)[5-6]。
HK4+950~HK7+400段砂巖:天然密度為2.25~2.54 g/cm3,平均為2.25 g/cm3;顆粒密度為2.61~2.69 g/cm3,平均為2.64 g/cm3;HK7+400~HK9+225段砂巖:天然密度為1.86~2.34 g/cm3,平均為2.18 g/cm3;顆粒密度為2.60~2.64 g/cm3,平均為2.61 g/cm3。
HK4+950~HK7+400段砂巖:含水率(地下水位以下)為5.1%~6.2%之間,平均為5.4%,數(shù)值穩(wěn)定。HK7+400~HK9+225段砂巖:含水率為為5.6%~15.2%,平均為11.2%。HK4+950~HK7+400段砂巖:含水率低于HK7+400~HK9+225段。
HK4+950~HK7+400段砂巖:黏粒含量為1.3%~1.7%,平均為1.5%。HK7+400~HK9+225段砂巖:黏粒含量為1.0%~1.7%,平均為1.5%。兩個(gè)段落砂巖黏粒含量基本一致。
HK4+950~HK7+400段砂巖:滲透系數(shù)為1.01×10-4~6.49×10-3cm/s。平均為2.01×10-3cm/s,HK7+400~HK9+225段砂巖:滲透系數(shù)為3.72×10-4~6.64×10-3cm/s,平均為1.74×10-3cm/s,兩個(gè)段落砂巖滲透系數(shù)均較低。
HK4+950~HK7+400段砂巖耐崩解指數(shù)為5.7%~49.4%,平均為30.1%;HK7+400~HK9+225砂巖耐崩解指數(shù)為3.6%~40%,平均為12.4%。HK4+950~HK7+400段砂巖耐崩解指數(shù)高于HK7+400~HK9+225段。
HK4+950~HK7+400段砂巖抗壓強(qiáng)度為1.11~7.44 MPa,平均為4.15 MPa;HK7+400~HK9+225砂巖抗壓強(qiáng)度為0.15~2.2 MPa,平均為0.66 MPa。HK4+950~HK7+400段砂巖抗壓強(qiáng)度高于HK7+400~HK9+225段。
為了解北環(huán)隧道砂巖的水穩(wěn)特性,選取不同鉆孔洞身附近的巖芯做簡(jiǎn)易浸水試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
5控制隧道地質(zhì)條件的工程地質(zhì)問(wèn)題
影響隧道圍巖穩(wěn)定性的地質(zhì)元素主要有巖石性質(zhì)、地下水、巖體結(jié)構(gòu)特征及巖體中初始應(yīng)力特征等[7-9]。
隧道穿越的第三系砂巖,具結(jié)構(gòu)疏松、膠結(jié)差、強(qiáng)度低、黏粒含量低的特點(diǎn),當(dāng)隧道洞身位于地下水位以下時(shí),圍巖的工程性質(zhì)急劇惡化,易發(fā)生涌水、涌砂,導(dǎo)致施工困難等地質(zhì)問(wèn)題。
地下水對(duì)第三系砂巖的穩(wěn)定性起控制性作用。當(dāng)?shù)谌瞪皫r含水量低且位于地下水位以下時(shí),工程地質(zhì)條件一般;當(dāng)砂巖含水量高且位于地下水位以上時(shí),工程地質(zhì)性質(zhì)急劇惡化。
隧道穿越的第三系咸水河組下段的砂巖,與蘭渝鐵路桃樹(shù)坪及胡麻嶺隧道穿越的第三系砂巖屬同一套地層。桃樹(shù)坪、胡麻嶺隧道在穿越第三系砂巖時(shí),由于其水穩(wěn)性差[10],施工極為困難。
6結(jié)論
(1)該套第三系砂巖主要由粉細(xì)砂粒及中粒組成,局部夾有泥巖,黏粒含量較高,膠結(jié)較好,工程性質(zhì)較好;純砂巖處的黏粒含量低,膠結(jié)程度差,工程性質(zhì)較差[10]。由簡(jiǎn)易浸水試驗(yàn)可知,部分鉆孔砂巖試樣浸水后,表層迅速解體、開(kāi)裂,周?chē)恋砑?xì)砂,30 min時(shí)完全崩解,與桃樹(shù)坪隧道同一套砂巖的變形非常相似,均表現(xiàn)為含水率升高時(shí),砂巖易發(fā)生塑性變形或流變。含水率達(dá)到極限時(shí),其穩(wěn)定性降低,圍巖將發(fā)生變形、失穩(wěn);當(dāng)?shù)陀趪鷰r塑性變形的含水率時(shí),圍巖基本穩(wěn)定,表明含水率的高低對(duì)圍巖穩(wěn)定性有顯著影響。
(2)該套砂巖的成分組成、膠結(jié)、含水率、滲透系數(shù)及耐崩解指數(shù)均呈各向異性狀態(tài),具有不均一性,不同深度內(nèi),巖芯軟硬程度、膠結(jié)程度、完整程度均不一致。受水浸泡及外部條件的影響,圍巖穩(wěn)定性有較大差異,不確定性較強(qiáng)。
(3)黏粒含量較高的砂巖膠結(jié)程度較好,滲透系數(shù)相對(duì)較低,抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高,抗水浸泡性較好,穩(wěn)定性相對(duì)較好。
(4)不同區(qū)域的第三系砂巖性質(zhì)稍有不同,其物質(zhì)組成、膠結(jié)程度、水穩(wěn)特性均有區(qū)別;同一區(qū)域的砂巖其物質(zhì)組成、膠結(jié)程度、水穩(wěn)特性亦有區(qū)別,差異比較大。北環(huán)隧道穿越的砂巖可分為上部(HK4+950~HK7+450)、下部(HK7+400~HK9+255),其工程性質(zhì)有所差異。上部砂巖具有膠結(jié)較好,夾少量泥巖,巖石強(qiáng)度較高,遇水不易軟化、砂化的特點(diǎn);下部砂巖膠結(jié)差,黏粒含量低,巖石強(qiáng)度也低,遇水極易軟化、砂化。總體上是上部好于下部,軟硬交互分布。
(5)隧道穿越第三系砂巖時(shí)施工風(fēng)險(xiǎn)較大,當(dāng)線路以隧道形式穿越時(shí),軌面高程應(yīng)盡量位于地下水位以上,且選擇砂巖含水率低的段落通過(guò)。為降低風(fēng)險(xiǎn),隧道通過(guò)段落越短越好[11]。
參考文獻(xiàn)
[1]甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局.甘肅省區(qū)域地質(zhì)志[M].北京:地質(zhì)出版社,1989:290-302
[2]黃德征,翟玉沛,曹志霖,等.中華人民共和國(guó)1∶20萬(wàn)地質(zhì)圖蘭州幅(J-48-32)[R].蘭州:地質(zhì)部甘肅省地質(zhì)局第一區(qū)域地質(zhì)測(cè)量隊(duì),1965∶15-17.
[3]地質(zhì)部甘肅地質(zhì)局.中華人民共和國(guó)區(qū)域地質(zhì)圖說(shuō)明書(shū)(1∶20 000蘭州副)[R].蘭州:地質(zhì)部甘肅地質(zhì)局,1965:15-16
[4]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建寶雞至蘭州客運(yùn)專(zhuān)線初步設(shè)計(jì)第四篇(地質(zhì))[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2009
[5]《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007
[6]GB/T50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]
[7]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10012—2007鐵道工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007
[8]GB50021—2001巖土工程勘察規(guī)范[S]
[9]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.第三系砂巖復(fù)雜的水穩(wěn)特性地質(zhì)專(zhuān)題研究報(bào)告[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2011
[10]鐵道第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999
[11]何振寧.區(qū)域工程地質(zhì)與鐵路選線[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2004
中圖分類(lèi)號(hào):P642
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1672-7479(2015)06-0041-03
作者簡(jiǎn)介:朱容辰(1983—),男,2009年畢業(yè)于成都理工大學(xué)地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè),工學(xué)碩士,工程師。
收稿日期:2015-10-12