兰州地区某隧道第三系砂岩工程特性研究

成 诚

（中冶地集团西北岩土工程有限公司西安分公司，陕西 西安 710116）

1 概况

兰州至中川机场铁路起于兰州市兰州西站，终点至中川机场，全长约62km。兰州市隧道工程，其基本特性线以及长度的测量通过实现基本地貌以及现在坡度较大的缓解方式，对现在沟壑纵横以及实际自然度的判断，进行有效的v 字形设计，于平缓处和基础处进行相应的覆盖，使其能够充分地进行吸收处理。北环隧道经过地层为上第三系咸水河组砂岩[1]，该套砂岩成岩作用差，泥质胶结，胶结作用差，岩质软弱，且遇水易软化，工程性质极差[2]。隧道在开发的过程中，对于现在基本含水率和渗水过程都需要进行相应的稳定，因此在开发的时候要进行相应的顺水处理，对于水质以及开发后的各种细沙进行相应的围岩变形。在施工中遇到的主要地质问题为涌水、涌砂、开挖困难，施工难度极大[3]。由此可见，此套砂岩地层为特殊岩土，对线路方案影响较大，需引起重视。

2 物理力学特性

2.1 胶结程度

砂岩地层由于胶结成分的差异，形成软硬交互的特点，软硬交互的层厚一般为3 ～8m。根据其胶结程度可分为两段，HK4+950 ～HK7+400 段为上段，多为泥质胶结，局部钙质胶结，其胶结程度稍高。HK7+400 ～HK9+225 段为下段，以泥质胶结为主，胶结程度较差。该段上部砂岩的胶结略好于下部，但上部仍有胶结较差的岩体，下部亦有少部分胶结较好的岩体。总体趋势是软硬交互，上部好于下部。

2.2 颗粒组成

根据功率的大小和实际实验的报告，应该将孔粒的基本密度和孔粒大小进行相应的对比。以现在的孔粒直径作为基本标准，粒径主要集中于0.01 ～0.5mm，HK4+950 ～HK7+400 段的砂岩颗粒粒径略小于HK7+400 ～HK9+225 段，HK4+950 ～HK7+400 段 的黏粒含量略大于HK7+400 ～HK9+225 段。

2.3 物理力学指标

第三系砂岩的各项物理力学指标如表1 所示。基本的天然含水率为4%～5.6%，天然密度比为17%～34%，基本的颗粒密度直径为2.45 ～3.1mm。该套第三系砂岩天然抗压强度很低，一般基本的直径小于5mm，而在遇水或松软的泥土后容易进行软化，并且会出现饱和强度的实验效果。仅在钻孔DXSZ-1 取样测得饱和抗压强度约为4.23MPa。该套砂岩地层局部夹有钙质胶结薄层，天然抗压强度平均为0.151 ～10.2MPa。采用劈裂法对隧道砂岩进行抗拉试验，测得其抗拉强度平均为3.3 ～25.3MPa。

黏粒含量对砂岩的性质影响较大，具体表现在该套第三系砂岩在HK4+950 ～HK7+400 段的颗粒密度、天然密度、耐崩解指数、抗拉强度及抗压强度均大于HK7+400 ～HK9+225 段，但数据较离散，不同深度，钻孔数据差异较大。而含水率及渗透系数则表现为，HK4+950 ～HK7+400 段的含水率及渗透系数小于HK7+400 ～HK9+225 段。

2.4 浸水特性对比

为了解北环隧道砂岩浸水特性，选取了不同钻孔洞身附近岩芯做了砂岩简易浸水试验，如表2 所示。由试验可见，选取的7 组试样中，DXSZ-2、DXSZ-2-1、DXSZ-4 在静水环境中浸泡30min 后无明显变化，砂岩结构未被破坏；其余各砂岩试样均破坏，呈砂状，或手搓即成砂状。在对本套地层进行的浸水试验中发现，局部钙质胶结的砂岩强度较高，在浸水试验数天后，仍需锤击方可击开，这种性质的岩体所占比较很小，主要分布本段地层的上段。该段上部泥质胶结的粉砂岩、细砂岩占大多数，强度较低，在进行浸水试验后，数天内结构不会被破坏，手可掰开，用力可将小块搓成砂状。下部的砂岩的颗粒成分较粗，胶结较差，浸水后结构虽不会完全破坏，但手可搓成砂状，少部分泡水后在3h 左右完全崩解。

表1 物理力学指标

表2 浸水试验

3 工程特性及围岩分级

北环隧道洞身地层均以第三系砂岩为主，根据物理力学指标分为两段，HK4+950 ～HK7+450 段与HK7+ 400 ～HK9+255 段，两段地质存在差异。HK4+950 ～ HK7+450 段工程地质特征略好，砂岩黏粒含量较高，胶结较好，多为泥、钙质胶结，岩芯多呈短柱状及柱状，岩芯手掰不开，渗透系数相对较小，泡水后结构不破坏，部分长期泡水仍较坚硬。HK7+400 ～HK9+225 段砂岩为粉细粒及中粒结构，泥质弱胶结，极少部分为钙质胶结，成岩性差，岩芯多呈饼状及短柱状，黏粒含量较低，渗透系数相对较高，围岩稳定性与桃树坪隧道、胡麻岭隧道相当。总体上砂岩的特点是上部好于下部，软硬交互分布。

北环隧道的围岩分级，充分考虑桃树坪隧道、胡麻岭隧道的工程经验[3]，根据本隧道的地层岩性特点及地下水分布情况，将第三系砂岩埋深较大且有地下水地段的围岩划分为V 级，浅埋沟谷水塘等富水地段的围岩划分为V 加强或Ⅵ级，如表3 所示。

表3 隧道围岩分级

4 结束语

（1）北环隧道上第三系砂岩成岩差，胶结程度低，主要由粉细粒及中粒组成，工程性质差。黏粒含量、含水率、渗透系数对砂岩围岩特性影响较大。在含水量比较低的情况下，会造成现在砂岩的基本颗粒情况不平衡；若含水量升高，就会造成现在砂岩的体积不稳定，砂岩内部稳定性比较差，因此在含水量上升的过程中就要进行相应的稳定训练。（2）砂岩的实际组成比例、脱水率以及相应的系数，都会影响各项运行状态，因此在进行砂岩的基本判断的时候，要结合其软度、硬度及其内部的胶着程度，对其整体的浸泡模式和现在内在的组成情形进行相应的影响，使其能够充分具有稳定性差异。