兰渝铁路隧道第三系砂岩含水率与围岩稳定性关系研究

高勤运

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

兰渝铁路隧道第三系砂岩含水率与围岩稳定性关系研究

高勤运

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

兰州地区分布的第三系含水砂岩具有异常复杂的工程特性，围岩稳定性随时间延长、含水率升高而显著变差，极易产生塑性变形或流变。通过现场观测和室内试验，研究了围岩结构及强度与砂岩含水率的关系，得到围岩发生变形的临界水稳数据，分析了降水对围岩稳定性的影响程度，探讨了微观层次下砂岩遇水失稳的机理。研究表明，随开挖时间的延长，第三系弱胶结砂岩的含水率呈指数形式上升，长期抗剪强度显著降低;当含水率接近塑限和液限时，围岩开始变形失稳。超前降水可有效提高围岩稳定性。

第三系砂岩 含水率 围岩稳定性 变形 失稳机理

兰渝铁路兰州至广元段桃树坪隧道、胡麻岭隧道局部地段通过第三系砂岩。在无地下水地段，围岩整体稳定性较好;在含水地段，砂岩遇水后结构迅速破坏，开挖扰动后多呈粉细砂状，稳定性差，易产生围岩变形、坍塌、流沙，基底软弱等现象，对隧道开挖极为不利。为优化施工工艺和工法，规避风险，开展第三系砂岩含水率与围岩稳定性关系研究。

1 砂岩的成因与分布

根据区域地质资料［1-2］，兰州盆地的第三系砂岩属中新统咸水河组下段，属河流—湖泊相沉积，为单纯的桔红色厚层块状疏松砂岩，底部为泥钙质结核层或砂砾岩层，厚约59～593 m，集中出露在黄河以北的咸水河、哈家嘴、沙井驿、石门沟一带，在兰州市城关区、安宁区及西固区石岗一带下伏基岩也多为砂岩［3］。在地貌上表现为黄土梁峁和河谷阶地，上覆风积和冲洪积黄土，下伏第三系砂岩。

2 砂岩的工程性质

隧道通过区的第三系砂岩矿物成分以石英、长石等为主，粉细粒结构，巨厚层状，产状近水平，偶见节理，泥质弱胶结，成岩差，钻孔岩芯多呈碎块或短柱状，手捏即碎，纵波波速1 600～2 200 m/s［4］，工程性质更接近于具压密作用的粉细砂，原始状态下密实度和变形模量均比较高。

2.1 主要物理性质

根据对桃树坪隧道T0，T2号斜井、胡麻岭隧道H3，H4号斜井原状样的试验结果分析，砂岩的粒径大多在0.075～0.25 mm，黏粒含量为0.53%～8.52%，含水率约为4%～16%，天然密度为1.882～2.162 g/cm3，相对密度为2.64～2.67，孔隙率为26.62%～30.66%，饱和度23.06%～98.63%;渗透系数为1.84 ×10－4～6.49×10－5cm/s。反映该砂岩的砂质纯净，级配较均匀，矿物组成稳定，孔隙发育，多处于饱和状态，整体渗透性能较差。

2.2 力学性能

隧道开挖揭示的砂岩含水率较高，孔隙发育，无胶结～弱胶结，手捏即碎，天然抗压强度一般＜1 MPa，且遇水浸润后易崩解，无法实测饱和抗压强度，局部见有钙质胶结砂岩薄层或结核，岩质相对较硬，天然抗压强度达2.46～7.58 MPa，饱和抗压强度约0.80～2.67 MPa;直剪试验黏聚力为14.21～99.38 kPa，平均为56.79 kPa，内摩擦角31.96°～53.59°，平均为44.24°;压缩模量为11.34～39.87 MPa，平均为19.05 MPa，表明砂岩整体较为松散破碎，强度受含水率和胶结程度影响较大。

3 含水率对围岩稳定性的影响

影响隧道围岩稳定性的地质因素主要有岩石性质、地下水、岩体结构特征以及岩体中初始应力状态等［5］。相同条件下，因地下水的存在和作用，对洞室围岩稳定性的影响很大，特别是对软弱岩石。

桃树坪和胡麻岭隧道的施工过程就印证了这点，在含水率低或无地下水地段，围岩稳定性较好，施工进展顺利(斜井最快达134 m/月);当砂岩含水率高且有渗水时，围岩稳定性变差，施工缓慢，月进尺在10～15 m左右。因此，对于软岩来说，岩石含水率是一个比较关键的物理性质指标，对研究围岩稳定性有重要意义。

3.1 含水率与围岩变形

桃树坪和胡麻岭隧道施工进入有地下水的砂岩段后，进度缓慢。经现场观测，发现一般情况下掌子面在开挖3～5 h内围岩整体稳定性较好;3～5 h后砂岩含水率快速增长，出现渗水，围岩开始变形;开挖7 h后砂岩基本达到饱和状态，围岩收敛、变形加大，且局部会发生流变，下断面和边墙出现溜塌现象。通过降水，砂岩含水率会缓慢降低，围岩也逐渐趋于稳定。

针对施工中砂岩含水率的变化特点，在掌子面开挖前后均未降水、先开挖后降水及超前降水三种工况下，分时间段取样测定砂岩的含水率，分析隧道开挖过程中含水率与围岩稳定性的关系。胡麻岭隧道掌子面在三种工况下砂岩含水率随时间变化曲线见图1［6］。

图1(a)显示，隧道掌子面砂岩在开挖0～4 h内含水率较低;4 h后含水率开始快速上升;6 h后达到14%，围岩开始发生塑性变形，但稳定性较好;8 h后含水率持续上升，11 h后局部砂岩饱和，开始发生流变，围岩的稳定性大大降低。

从图1(b)可以看出，在掌子面开挖3 h内，砂岩含水率约为10%左右;3 h砂岩开始出现渗水，含水率急速增长，并且逐渐发生塑性变形，约7 h含水率急剧上升到18%，局部发生流变，围岩失稳。之后随着降水工作的开展，砂岩的含水率会逐渐下降，并在17 h后降至11%左右，围岩基本稳定，开始开挖。

从图1(c)可以看出，掌子面采取超前降水措施后砂岩含水率虽有波动，但变化幅度不大，基本保持在7%～8%之间，围岩稳定性相对较好。

通过对试验结果的统计和分析表明:桃树坪和胡麻岭隧道区域分布的第三系砂岩塑限含水率约为14.1%，液限含水率17.2%;发生塑性变形的含水率为12%～16%，发生流变的含水率为18%～19%，当砂岩含水率达到上述极限时，其稳定性将大大降低，发生变形并最终导致失稳;超前降水能够控制围岩含水率在5%～9%，低于塑性变形的含水率。

同时，试验结果还表明，隧道各掌子面从开挖到6 h左右，砂岩含水率随时间的变化情况基本相似，均呈指数形式上升，达到塑限值及液限值后开始失稳，因而这一时间也是围岩开始失稳的时间节点。围岩失稳前含水率与时间的关系，可用式w∝e0.08～0.15t来表示，其中w为含水率，t为时间(0＜t≤6 h)。

图1 胡麻岭隧道掌子面砂岩含水率随时间变化曲线

3.2 含水率与围岩强度

地下水对软弱岩石的影响非常明显，如泥质板岩，含水率增加1.5%，其强度减小到最初值的1/3［7］。对于桃树坪和胡麻岭隧道的第三系疏松砂岩，地下水溶蚀了岩石和结构面中的泥质胶结物，潜蚀充填物中的细小颗粒，使岩石软化，孔隙度增加，强度降低。

对现场和室内试验数据分析显示，砂岩的压缩模量、抗剪强度都随着含水率的变化而变化。随着含水率的增加，力学指标都显著下降，且它们之间互相影响、互相联系、互相依存，有着一定的内在关系。经一元回归分析，建立了含水率与黏聚力、内摩擦角的函数关系式，见图2。

由图2可以看出，砂岩的长期抗剪强度随含水率增大而明显降低，其中黏聚力呈线性衰减，衰减幅度比较大;内摩擦角呈指数衰减，降低幅度比较小。表明黏聚力对含水率的变化比较敏感。

图2 含水率与内摩擦角、黏聚力的关系

4 围岩遇水软化失稳机理微观分析

采用扫描电镜观察第三系砂岩软化前后的微结构变化，提取颗粒和孔隙的形态、大小、面积、数量、方向等微结构参数，定性定量分析其在自然状态和塑性流变状态下内部结构的变化过程，探讨遇水软化失稳的机理［8］。

通过对所有试样的电镜扫描图片进行观察，并结合相关理论进行分析可以发现，第三系弱胶结砂岩骨架颗粒为粒状，表面附有少量鳞片状的黏土矿物，孔隙以架空孔隙为主，镶嵌孔隙次之，颗粒间多为点接触或局部面接触，接触面积小。在地下水的作用下发生流变后，内部颗粒结构重新排列，孔隙数量成倍增加远超过流变前，变形后相同视域内孔隙的总面积略有增加，但由于孔隙总数量的猛增导致试样整体孔隙的平均面积和平均直径均有所降低。

图3为两种状态下放大1 000倍的对比图。由图可见，未流变的试样整体上较均匀干净，骨架颗粒表面粗糙，黏土矿物均匀裹在其上;流变后，各种絮状沉淀物沉积于大孔隙的边缘以及颗粒接触点局部区域，颗粒疏松，表面相对光滑，已没有包裹物。

图3 第三系砂岩在两种状态下的电镜扫描图片

因此，当第三系弱胶结砂岩未受地下水浸润时，内部结构颗粒间的黏土矿物黏聚力与摩擦力使得岩体具有相对较稳定的结构，能够抵抗一定强度的荷载;但当开挖过程中遇到地下水，黏土矿物浸泡后软化，在水流的溶蚀及冲击作用下被带走，使得颗粒间的点接触逐步消失，大量的中、小孔隙急剧增加，并且颗粒胶结作用越强的地方，因结构浸水损失的强度就越大，越容易发生塑性变形并最终导致流变。

5 结论

1)第三系砂岩颗粒组成以粉细粒为主，泥质弱胶结，成岩作用差，由于黏粒含量少，结构脆弱，极易破坏，工程性质极差，对地下水的作用敏感。

2)地下水对第三系砂岩稳定性影响非常大，在溶解和渗流作用下，砂岩胶结物明显减少，孔隙率显著增加，结构趋于疏松，黏聚力、内摩擦角减小，长期抗剪强度降低，从而导致塑性变形或流变。

3)第三系砂岩在无地下水地段，围岩稳定性较好;在含水地段，围岩稳定性随含水率和时间延长显著变化，隧道掌子面开挖后3～5 h为围岩开始塑性变形的临界时间点，含水率为12%～16%;7～10 h为流变的临界时间点，含水率为18%～19%。掌子面开挖前超前降水可以使围岩含水率维持在10%以下，有效地提高了围岩的稳定性。

［1］甘肃省地质矿产局．甘肃省区域地质志［M］．北京:地质出版社，1989:290-302．

［2］黄德征，翟玉沛，曹志霖，等．中华人民共和国1∶20万地质图兰州幅(J-48-32)［Z］．兰州:地质部甘肃省地质局第一区域地质测量队，1965:15-17．

［3］董其凤，陈万业．兰州第三系砂岩工程特性研究［J］．兰州大学学报(自然科学版)，2003，39(3):90-93．

［4］中铁第一勘察设计院集团有限公司．桃树坪隧道工程地质勘察报告［R］．西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009．

［5］中华人民共和国铁道部．TB 10012—2007铁路工程地质勘察规范［S］．北京:中国铁道出版社，2007．

［6］中铁第一勘察设计院集团有限公司．第三系砂岩复杂的水稳特性地质专题研究报告［R］．西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011．

［7］铁道部第一勘测设计院．铁路工程地质手册［M］．北京:中国铁道出版社，1999:563-564．

［8］中铁第一勘察设计院集团有限公司，西南交通大学．兰渝线桃树坪、胡麻岭隧道第三系含水砂岩水文地质条件与围岩稳定性关系研究［R］．西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，成都:西南交通大学，2013．

(责任审编葛全红)

U451+．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．18

1003-1995(2015)03-0062-03

2014-05-07;

2014-09-20

高勤运(1971—)，男，甘肃天水人，教授级高级工程师。