程儿山隧道第三系砂岩施工地质问题研究

魏国俊

程儿山隧道第三系砂岩施工地质问题研究

魏国俊

(中铁一院兰州铁道设计院有限公司,兰州 730000)

针对新建铁路原州区至王洼线程儿山长隧道工程通过第三系砂岩时出现的施工地质问题,在全面分析隧道区域地质、工程地质、水文地质条件的基础上,比拟在建兰渝线条件相近隧道工程、结合我国隧道勘察、设计现状和取样试验资料,深入分析第三系砂岩的工程特性,叙述砂岩黏粒含量、易溶盐含量2个因素对砂岩工程性质的控制作用和两者与含水率的关系,对地下水对砂岩稳定性影响及作用机理进行深入研究,针对性地提出工程处理措施,为隧道设计提供依据,为在第三系砂岩中的隧道施工安全奠定了基础。

铁路隧道;第三系砂岩;地质问题

1 概况

新建地方铁路原州区至王洼线位于宁夏回族自治区固原市原州区和彭阳县境内,线路全长约37 km。其中程儿山隧道为该线的控制性工程,隧道长度6 437m,最大埋深290m。设置1号斜井长度1 038m, 2号斜井长度1 036m。该隧道开工建设以来,进、出口及斜井工区围岩主要为成岩作用差的第三系砂岩。根据现场开挖揭露,第三系砂岩总体以细粒结构为主,泥质弱胶结(或无胶结),成岩作用差,局部夹有钙质胶结、半胶结薄层或结核状砂岩。总的看来,隧道在开挖过程中,砂岩含水率较低或无渗水时,围岩稳定性较好;当含水率过高以致在掌子面有渗漏水或股状流水时,在水的作用下,其工程性质迅速恶化,开挖扰动后多呈细砂状,围岩变形、坍塌严重,稳定性极差,收敛变形较大,施工难度加大。目前除在建兰渝线桃树坪、胡麻岭两隧道遇此问题外,我国路内外其他地下洞室工程中尚未遇到过类似的实例。因此,有必要对该套岩体的工程特性进行专题研究,以期对今后类似地区的隧道勘察设计提供借鉴。

2 隧道工程地质条件

2.1 地形地貌

程儿山隧道地处属黄土梁、峁区,梁、峁间冲沟纵横,沟谷深切,地形起伏较大,地面高程介于1 688～2 007 m。

2.2 地层岩性

隧道工程涉及地层主要为第四系上更新统风积砂质黄土和第三系砂岩、泥岩与白垩系下统泥岩、泥灰岩、页岩及断层角砾等。

其中砂质黄土分布于隧道进、出口及洞顶地表一带,厚度10～35m,其下以第三系砂岩为主,基底主要由白垩系下统泥岩、泥灰岩和页岩组成。

2.3 地质构造

工程区域就大的构造而言位于中朝准地台的西南边缘和祁连褶皱系的东北端过渡地带。以红糜子湾—黑马泉大断裂F2为界,其西归于祁连褶皱系走廊过渡带,其东则属于中朝准地台鄂尔多斯中台拗。

其中F2断裂为一高角度隐伏正断层,断于白垩系与第三系地层内,走向近南北向,断层面倾向西,倾角达80°以上,破碎带宽约180m,其内物质主要以断层角砾为主[1]。

2.4 水文地质

2.4.1 地表水

隧道通过区地表沟壑发育,下切较深,无常年地表径流,只在雨后有短暂洪流。

2.4.2 地下水类型

隧道区地下水的形成受地形地貌、地层岩性、地质构造、植被、降水量等多种因素控制和影响。地下水赋存类型主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙(孔隙)水和构造裂隙水,与隧道关系较密切的为基岩裂隙水和构造裂隙水。

2.4.3 第三系砂岩内隧道涌水量预测及地下水富水性分区

隧道区内沟谷无地表径流,亦无地下水露头,勘察期间隧道钻孔孔内基本无水。因此隧道洞身地下水与大气降水有直接的水力联系,表现为季节性特征。第三系砂岩内隧道涌水量预测和地下水富水性分区评价如下:

(1)隧道进口段长915 m为弱富水区,岩性主要为第三系砂岩,预测该段隧道洞身单位正常涌水量302 m3/d·km;

(2)隧道出口段长1 572m为弱富水区,岩性主要为第三系砂岩,局部为断层角砾及白垩系泥灰岩夹页岩,预测该段隧道洞身单位正常涌水量302m3/d·km。

2.5 隧道围岩分级

该区第三系砂岩成岩性差,钻孔岩芯多呈散状及碎块,局部呈短柱状,结构较紧密,在地质学概念中,此地层为第三纪形成,定名为砂岩。但其工程性质更接近于具压密作用的粉细砂层,考虑地下水分布的不均匀性,富水性分区为弱富水区。故设计时将第三系砂岩的围岩分级划分为V级。

3 隧道设计简介

本隧道为一单线隧道,设计采用曲墙带仰拱的断面形式,开挖尺寸宽6.96m,高8.64m。依据隧道地质条件,正洞按喷锚构筑法技术要求设计,采用复合式衬砌,初期支护采用喷锚支护,二衬采用模筑混凝土灌注;斜井在洞口段、斜井与正洞相交处及全部Ⅴ级围岩段采用模筑衬砌,其余段落采用喷锚衬砌。

施工方法要求按照超短台阶(三台阶)、留核心土的方法(严禁爆破施工)进行施工,台阶高度按照钢架临时仰拱位置确定。

4 第三系砂岩施工地质问题

程儿山隧道自2010年10月开工建设,进、出口及斜井工区穿过砂质黄土后,围岩以第三系砂岩为主。截止2011年10月,进、出口工区分别累计完成260、167m,1号、2号斜井分别累计完成592、576 m。除2号斜井掌子面未见地下水外,其余各掌子面自仰拱底以上2m范围内均有不同程度的渗水现象,总体出水量较小,围岩稳定性相对较好。

随着隧道施工掘进进尺的增大,自2012年3月,各掌子面出水点位置从下边墙及仰拱底部逐渐扩大直至拱顶,出水量由原来不足100 m3/d逐渐增加至200～400m3/d,甚至局部出现股状流水,围岩条件变差,掌子面时有溜塌、坍塌和涌砂现象。特别在隧道进口、1号斜井和2号斜井施工期间中下导及仰拱受渗水、股状水流的影响给施工带来一定难度,开挖扰动后中下导断面前方多形成饱和、松散的砂层,两侧边墙砂岩因股状水流的影响局部形成空洞,部分地段曾出现初支变形,变形最严重的的部位拱顶收敛达到了0.6m,边墙收敛达到了1m。截止2012年4月,进、出口工区分别累计完成345、306m,1号、2号斜井分别累计完成662、643m。施工进度缓慢,工期已严重滞后。

2012年5月18日,进口掌子面立设钢支撑1榀完毕后,拱顶左下侧出现股状流水,随后水量及出水点范围逐渐扩大,局部出现垮塌现象。间隔近2 h掌子面右侧及拱顶部位出现突然涌水现象,胶结松散的砂岩随即塌落并随着流水一并涌出。次日平均涌水量约270 m3/d,掌子面附近弱胶结的砂岩受水冲刷严重,变为松散、流动状态,导致紧邻掌子面钢架塌落,初衬开裂。涌水涌砂现象造成洞内整个工作面停工,累计洞内作业面及仰拱、二衬段流砂淤积量约200m3。

5 第三系砂岩主要地质问题的分析

(1)砂岩内地下水的分布具明显的不均匀性

程儿山隧道通过地区地貌属黄土梁、峁区,冲沟发育,沟谷深切,地表多覆盖有厚度较大的砂质黄土,其下的第三系砂岩为本隧道的主要含水层,地下水类型属基岩裂隙(孔隙)水,受大气降水下渗及降雨期沟谷地表径流的补给,赋存于基岩裂隙、孔隙中。总的规律应该为成岩作用差的砂岩所含的孔隙水,随着施工进尺的推进,所揭示的含水层厚度和范围有所增大,地下水向隧道洞身运移汇集,形成以隧道洞身为轴线的降落漏斗而流出。但在施工过程中发现自出现渗漏水后,表现为部分地段地下水渗流严重,甚至出现股状水流和突然涌水现象,而部分地段围岩则处于干燥或少水状态。看来砂岩中地下水囊的位置及储水水量的大小,随砂岩胶结程度、黏粒含量及补给途径的不同,在空间上的分布具有明显的不均匀性。表现在微地貌上局部沟谷地段砂岩含水偏高或地下水相对富集。这一点在施工中处理较大的涌水、涌砂事故时均已得到验证。

(2)砂岩在水作用下稳定性变差,其程度与砂岩内含水率变化和泥质含量有关

第三系砂岩成岩性差,泥质弱胶结,遇水浸润(泡)或长时间暴露极易产生结构破坏,施工扰动后,很快变成松散的砂状,隧道围岩稳定性迅速变差,拱部及边墙变形、坍塌现象普遍。中下台阶及侧墙砂岩渗水后很快达到饱和状态,发生塑性流变,局部地段会导致上台阶掌子面向下滑移或产生外挤现象。基底表层扰动后多呈软弱状,围岩稳定性差,变形、收敛较大。

通过现场观测及取样试验发现砂岩在水作用下稳定性变差主要表现为:一方面砂岩的稳定性随含水率变化和时间延续具有显著变化的特点。表现在开挖过程中0～1 h内砂岩含水率的增长速度比较缓慢,1～2 h后掌子面砂岩开始有水渗出,砂岩含水率快速上升,当含水率超过12%时逐渐发生塑性变形,当含水率超过18%时开始发生流变,围岩的稳定性大大降低,工程性质迅速恶化,施工难度加大。之后随着降水工作的开展,砂岩的含水率会逐渐下降,含水率降至10%以下,围岩基本稳定。另一方面在水作用下砂岩的稳定性与泥质含量有关。通过取样试验发现本隧道第三系砂岩颗粒组成以粉细粒为主,粒径主要集中在0.075～0.25 mm,黏粒含量进口及斜井段为3.5%～7.6%,出口段黏粒含量为13.6%～26%。在隧道出口段掌子面一度出水量达到280 m3/d,局部也出现股状流水。但由于该段砂岩围岩黏粒含量相对较高(大于10%),且局部夹有薄层泥岩,虽然围岩有不同程度的软化,但总体上围岩稳定性相对较好。

(3)砂岩在水作用下化学稳定性变差,其程度与砂岩内含水率变化和易溶盐含量有关

第三系砂岩成岩性差,泥质弱胶结,局部夹有钙质胶结。随着隧道掘进进尺增大改变了局部地下水的水文地质条件,导致地下水及其中的易溶盐赋存环境改变,使原有的化学平衡被破坏。即各掌子面地下水的渗出或流出使溶蚀作用不断加强,并使岩体内易溶盐成分逐渐流失,导致溶蚀、溶隙空间逐渐扩大,进而破坏了岩体结构,施工扰动后,很快变成松散的砂状。初步判定认为砂岩内易溶盐含量较高,在水的作用下,其化学稳定性变差。

(4)涌水、涌砂

隧道各洞口在施工过程中均出现不同程度的涌水、涌砂现象,而规模较大的涌水、涌砂现象主要发生在隧道进口段,经施工现场调查分析认为:一方面主要受施做超前支护(加固)过程中扰动过大,拱部前方砂岩受扰动范围扩大,岩体结构基本上完全被破坏,形成松散的砂体,并不断产生坍塌或形成空腔,周围孔隙水不断向松散体方向汇集,很快使扰动后的砂岩(或坍体)达到饱水状态,并被封堵在掌子面前方,当压力过大或掌子面再次开挖时,就会出现涌砂、涌水现象。另一方面由于第三系砂岩局部泥质含量增高,掌子面围岩胶结相对较好,则富水性相对较差,形成相对隔水层,围岩貌似变好的假象。如果在该掌子面前方一定范围内存在富水性相对较好的含水岩体,受含水较差岩体的阻挡,地下水位雍高,水压力增大,当临界平衡状态被打破后,在施工面的薄弱部位就会出现突发性涌水,继而发展成涌砂现象。

(5)岩质软硬不均,降水和开挖困难

第三系砂岩受沉积环境的影响,在形成过程中多为泥质弱胶结,局部为钙质半胶结或胶结的薄层、透镜体或结核状砂岩,其分布无规律性,施工开挖过程中均遇到这种状况。由于掌子面上下围岩软硬不均、渗透性的差异,存在降排水较困难,较软围岩易变形、坍塌。钙质胶结层强度和厚度较大,人工开挖困难,有时需要弱爆破,这一点在隧道出口段洞身施工过程中表现的尤为突出。

6 隧道施工采取的应对措施

程儿山隧道在第三系砂岩中施工难度大、进度缓慢、风险高。建设、设计、施工及监理等单位多次组织现场会勘和专题方案研讨,明确在加强施工管理、强化监控量测与地质超前预报工作、优化施工组织和确保安全、质量的前提下着重考虑施工进度要求。主要采取的应对措施如下:

(1)据实将隧道进口和1号、2号斜井部分段落围岩分级调整为Ⅵ级,并对原“轻型真空井点+管井降水”方案参数进行了优化;

(2)针对初支背后局部漏砂的情况,为确保初支与围岩紧贴,保证初支受力均匀,避免衬砌应力集中,在初支施做过程中,提前预埋φ42 mm小导管,初支完成之后,及时对拱顶进行初支背后注水泥浆,使初支与围岩紧密结合;

(3)采用加密小导管进行超前预支护。将原设计小导管的长度、步距等参数进行了调整,降低因外插角增大而对围岩的扰动等。

7 结语

(1)程儿山隧道地质条件复杂,第三系砂岩属特殊岩体,成岩作用差,其工程性质随着岩体内黏粒含量、易溶盐含量2个因素和两者与含水率的关系对砂岩的工程性质起到控制作用:表现为当岩体内黏粒含量小于10%,含水率超过12%时逐渐发生塑性变形,含水率大于18%时发生流变,工程性质恶化,稳定性极差,加大了施工难度和风险;砂岩内易溶盐含量较高,在水的作用下,其化学稳定性变差。至于易溶盐含量与含水率的关系对砂岩工程性质的影响程度有待于作进一步的专题研究。

(2)建议在今后类似的隧道勘察设计过程中,要充分认识到第三系砂岩中黏粒含量、易溶盐含量2个因素和两者与含水率的关系对砂岩的工程性质起到控制作用及对其工程性质的影响。当黏粒含量低、易溶盐含量高且有地下水的第三系砂岩段,如果其分布范围大,并且拟设隧道洞身穿越的段落长,应优先选择绕避方案为宜;如果第三系砂岩分布的范围小,也要充分考虑它的特殊性和复杂性,以防止出现隧道变更设计、投资增加的现象。

[1] 地质部甘肃省地质局.中华人民共和国地质图说明书1∶20万固原幅及其图件[Z].酒泉:地质部甘肃省地质局,1965.

[2] 铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册(修订版)[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[3] 中华人民共和国铁道部.TB10012—2007铁路工程地质勘察规范[S].北京:中国铁道出版社,2007.

[4] 中华人民共和国铁道部.TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[5] 兰州铁道设计院.新建铁路原州区至王洼线线初步设计有关图件及资料[Z].兰州:兰州铁道设计院,2010.

[6] 兰州铁道设计院.新建铁路原州区至王洼线程儿山隧道工程地质勘察报告[Z].兰州:兰州铁道设计院,2010.

[7] 兰州铁道设计院.新建铁路原州区至王洼线程儿山隧道设计及现场情况汇报材料[Z].兰州:兰州铁道设计院,2012.

[8] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路兰州至重庆线兰州至广元段第三系砂岩复杂的水稳特性地质专题研究报告[Z].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2011.

[9] 高延平.太峪隧道含水地层施工研究[J].铁道工程学报,2011 (8):58-61.

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[11]原郭兵.函谷关隧道斜井进入正洞施工方案[J].铁道标准设计, 2006(9):73-75.

[12]武世燕.高寒地区含水碎屑地层隧道设计与施工[J].铁道标准设计,2012(6):97-101.

Research on Geological Problems during Construction in Tertiary Sandstones Section of Chengershan Tunnel

WEIGuo-jun
(Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co.,Ltd.,China Railway First Survey and Design Institute Group,Lanzhou 730000,China)

Aiming at the geological problems during construction in tertiary sandstone section of Chengershan Tunnel on newly-built railway from Yuanzhou to Wangwa,on the basis of a comprehensive ______analysis of regional geology,engineering geology and hydrogeology conditions about this tunnel,incomparison with those tunnel projects having similar conditions on Lanzhou-Chongqing Railwaywhich was being constructed,in combination with China's tunnel survey and design situations and the sampling test data,the author conducted an in-depth analysis on the engineering characteristics of tertiary sandstones. Then,the author illustrated the two factors of sandstones including the clay content and soluble salt content,which will exert control effect on sandstone engineering property and are related to water content.Furthermore,after deeply studying the impact of groundwater on sandstone stability and mechanism of action,the author put forward the targeted engineeringmeasures.It provides reference for the design of the tunnel,laying foundation for the safety of tunnel constructed in tertiary sandstones.

railway tunnel;tertiary sandstone;geological problems

U452

A

1004-2954(2013)07-0087-04

2012-11-27;

2013-01-29

魏国俊(1970—),男,高级工程师,1994年毕业于西安地质学院,工学学士,E-mail:576562949@qq.com。