成都地铁石膏质岩环境水水化学特征分析

中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031

1 工程概述

灌口组（K2g）广泛分布于成都市区、东部台地、南部苏码头背斜两翼，在地铁建设过程中，地下结构部分围岩位于灌口组（K2g）棕红色泥岩夹泥质粉砂岩中。石膏质岩具有溶蚀特性，部分地段溶蚀孔洞发育，孔径为1～2cm，呈蜂窝状，溶蚀后其环境水中富含硫酸盐，对混凝土具有较强的腐蚀性，导致混凝土劣化，需要经过勘察查明环境水的腐蚀性。

2 石膏质岩溶蚀及不同工况条件下的水化学特征

石膏质岩泛指含有石膏或硬石膏的岩体，硬石膏水化生成石膏，石膏在一定的条件下脱水又能生成硬石膏。在自然界中，由于地质环境的演化，在石膏或硬石膏生成后，又经历了地质及水文环境的变化，在一定的地质环境下两种矿物水化、脱水而相互转换，常以过渡型岩石存在。石膏在128℃下失去1个分子结晶水，在163℃下失去2个分子结晶水。石膏质岩溶蚀是溶解与结晶的动态平衡过程，溶液中存在的硫酸根离子会抑制石膏质岩的溶解作用，宏观上表现为溶蚀速率的降低和溶蚀量的减少。

根据相关研究成果，石膏质岩属于中溶盐，溶蚀主要受水溶液性质、水动力条件、温度、压力等因素制约。在酸性溶液中溶蚀最快，在天然水中次之，在盐溶液中溶蚀最小。当岩体中水循环较弱时，石膏质岩处于静态溶蚀环境中。渗流通道的不发达，使溶蚀后地下水不能及时渗走，使水溶液溶解离子接近饱和状态；当岩体中水循环较强烈时，石膏质岩处于动态溶蚀环境中，溶蚀迅速，其溶解度在38℃时最大，约2.11g/L，随着温度的升高或降低，溶解度逐渐降低，其溶解度随温度的变化情况如表1所示。

表1 石膏的溶解度随温度的变化情况

根据溶解度可间接求得石膏质岩环境水中SO42-的浓度，其计算公式如下：

式中：ρ液为溶液液体密度，取1g/cm3；的摩尔质量；M石膏或硬石膏为石膏或硬石膏的摩尔质量。

根据式（1），求解出不同工况条件下石膏质岩环境水中理论溶蚀产生的SO42-浓度如下。

（1）工况一：如果石膏质岩均为二水石膏时，按最大溶解度2.11g/L计算，由溶蚀产生的SO42-浓度为1153mg/L；如果石膏质岩石均为硬石膏时，按最大溶解度计算，由溶蚀产生的SO42-浓度为1315mg/L。推导出，在最大溶解度条件下，地下水中溶蚀产生的SO42-浓度为1153～1315mg/L。

（2）工况二：成都地区多年平均气温为15～16℃，石膏质岩相应溶解度为1.99g/L，推导出，地下水中石膏质岩溶蚀产生的SO42-浓度为1087～1240mg/L。除了理论推导计算，在勘察过程中，还通过收集、取样在室内测试了大量石膏质岩环境水中SO42-浓度。

（3）工况三：根据吴银亮[1]在室内对石膏质岩粉末最大溶出离子浓度研究，在雨水中，石膏质岩溶蚀产生的SO42-浓度最大为1530mg/L，而雨水之所以更容易使石膏溶出SO42-，是因为雨水含有一定量的碳酸氢根及游离CO2，在弱酸性条件下，有利于石膏的溶蚀。

（4）工况四：成都地铁9号线勘察期间，将含大量石膏质岩块放入蒸馏水中进行100d的浸泡试验，产生的SO2-4浓度最大为1430mg/L。

（5）工况五：将工况四中的岩块磨成粉末，再进行100d浸泡试验，产生的SO42-浓度最大为1507mg/L。

（6）工况六：成都地铁9号线勘察期间，选一个含大量石膏质钻孔，取不同稳定时间的基岩裂隙水，来模拟地下工程修建后，环境水中SO42-浓度随时间的变化规律。取样时间分别为24h、3d、30d、60d、90d，检测基岩裂隙水SO42-浓度最大为198.60mg/L。

在以上各工况条件下，石膏质岩溶解试验汇总表如表2所示。

表2 石膏质岩溶解试验汇总表 单位：mg/L

3 成都地区石膏质岩的溶蚀特征

影响石膏质岩溶出的环境因素很多，也非常复杂，溶蚀一般受地质构造、石膏质岩的埋深、地下水补给、季节、地铁运营等因素的影响。成都地区整体构造不发育，泥岩完整性较好，在9号线一期、17号线二期、30号线一期勘察过程中发现，灌口组（K2g）石膏质泥岩中基本没有溶蚀现象，仅于锦江、府河、南河附近二级阶地过渡处零星可见溶蚀孔洞，呈蜂窝状。在阶地过渡段上，地形存在跃变陡坎，在地质历史时期，河床下切，为区域侵蚀基准面，两侧阶地地下水向河流排泄，其水力坡度大，渗流速度快，径流条件好，引起石膏质岩的溶蚀，其溶解量、溶解速度增加，伴随化学溶蚀作用，还发生机械掏蚀作用，故在这些地段溶蚀发育。

地铁修建完成后，施工注浆封堵，完整泥岩岩体中水循环整体较弱，渗流空间狭小，渗流速度近乎停滞，石膏质岩基本处于静态溶蚀平衡状态，水溶液主要产生浸泡溶解，近于饱和。当水溶液中硫酸盐与水泥中水化铝酸四钙进行接触，发生反应，将产生钙矾石、石膏结晶体，反应速度快，产生的结晶物质难以被立即搬运走，而是充填本就狭小的渗流空间，导致地下水与结构接触机会降低，从而弱化了硫酸盐对混凝土的侵蚀作用[2]。

在地形起伏较大的阶地陡缓交界处、斜坡地段，有利的地形高差，地下水将发生渗流，产生水头差，渗流发育，速度快，石膏质岩溶蚀符合动态溶蚀特征。地下水没有足够的反应时间对石膏产生溶解作用，虽然渗流的水溶液量很大，但单位体积溶液内的石膏溶解量很小。在这种条件下，石膏质岩溶蚀是机械潜蚀与化学溶解之和，更容易发生机械潜蚀作用，产生大量的溶蚀通道。可以看出，在循环交替强烈地带，水溶液中硫酸盐浓度难以达到饱和状态，硫酸盐对混凝土的侵蚀作用被弱化，这一现象也在勘察中得到证实。

成都地铁9号线勘察期间，在渗流交替强烈的锦江一级阶地钻孔中取不同稳定时间段水样（工况六），发现随时间延长，钻孔水中SO42-浓度递增，但最大离子浓度降低。

4 不同规范、工况条件下腐蚀性判定

在勘察过程中，常采用《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476—2019）（以下简称“国标”）、《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB 10005—2010）（以下简称“铁规”）、《岩土工程勘察规范（2009版）》（GB 50021—2001）等规范对地下水腐蚀性进行分析，与SO42-判定相关的判定标准，如表3所示。将上文各工况条件下获得的SO42-数值按不同规范进行腐蚀性判定，结论如表4所示。

表3 各规范腐蚀性判定中与SO42-判定相关标准值

表4 不同SO42-数值根据不同规范进行的腐蚀性判定结论

5 地铁勘察中石膏质岩环境水化学特征建议

根据上述分析，建议在成都地区地铁勘察中，当地下结构位于含石膏质岩石地下水位以下时，石膏质岩环境水对混凝土结构的腐蚀性等级宜适当降低[3]。当石膏质含量较低，零星可见时，不考虑基岩裂隙水对混凝土结构的腐蚀性；在石膏含量较高地段，基岩裂隙水对混凝土结构腐蚀性等级建议按弱考虑，即国标按V-C考虑，铁规按H1、Y2考虑，原因如下。

（1）在地铁设计中，基本采用国标对地下水环境作用等级进行判定，该规范与铁规相比具有更高的混凝土强度等级。在地铁设计使用年限为100年的条件下，国标V-C、V-D采取的混凝土强度等级基本一致。在成都地区类似地层中，采用铁规设计的高铁、普速铁路，尚未发生石膏质围岩溶出SO42-离子对混凝土产生严重侵蚀作用的工程实例[4]。

（2）地铁修建后，均对石膏质围岩渗流通道进行封闭，且主体结构与环境水之间存在充填层，地下主体结构难以与环境水直接接触，即使接触，根据国标第7.2.1条说明，岩体中的硫酸盐对混凝土的腐蚀作用需要通过溶于岩体中的基岩裂隙水来实现，成都地区石膏质岩多为泥岩，属于弱透水层，基岩裂隙水少，流动困难，地下水与石膏接触表面积小，靠近混凝土表面的化学腐蚀物质与混凝土发生化学作用后被消耗，得不到充分的补充，腐蚀作用有限[5]。

（3）根据室内研究，岩体周边无论渗流速度大小，无论溶蚀符合静态溶蚀特征还是动态溶蚀特征，硫酸盐对混凝土的侵蚀作用均被弱化，环境水中硫酸根离子浓度难以达到饱和[6]。

（4）在地铁建设中，地下结构多为大体积混凝土结构，对防渗要求高，受混凝土凝固水化热影响，提高混凝土标高，更容易开裂，施工质量难以控制。完整的地下结构仅外表面与水溶液接触，接触面小，腐蚀有限，短期内对内部结构无影响。开裂后，地下水将直接进入结构内部，与水接触的面积更大，主体结构更容易被侵蚀，相比腐蚀性，结构的防渗、降低环境水与混凝土的接触面大小、减缓溶蚀速率都更加重要[7]。

（5）环境水与混凝土发生反应，该过程析出钙矾石和石膏晶体，体积膨胀，对渗流通道具有封堵作用，SO42-延缓了基岩裂隙水的流动，限制了地下水与结构的接触，弱化了其腐蚀性。

6 结束语

（1）石膏质岩属于中溶盐，溶蚀受多种因素制约，根据理论推导及室内理想浸泡环境SO42-数据，按《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476—2019）判定，地下水环境作用等级为V-C～V-D。

（2）在自然状态下，石膏质岩基岩裂隙水不发育，加之施工对渗流通道封闭，环境水与混凝土发生化学作用后被消耗，得不到充分补充，不管是处于静态还是动态溶蚀平衡状态，腐蚀性均被弱化，建议勘察中适当降低其腐蚀性等级。

（3）在勘察过程中，石膏质岩环境水根据传统取钻孔水进行检测化验，因溶蚀速率低，受上层环境水混合影响，腐蚀性一般偏低，不利于工程安全，应结合岩块浸泡试验综合确定腐蚀性。

（4）根据区域地质资料，灌口组（K2g）泥岩通常含钙芒硝，成都地区地铁水化学特征勘察重点是查明泥岩中是否含芒硝，芒硝为易溶盐，芒硝的存在，将极大地影响地下水的腐蚀性等级。在勘察过程中，可通过岩芯风化鉴定是否起霜，根据环境水的味道来初判是否含有芒硝，具体可结合矿物分析来判定。如果存在芒硝，应根据浸泡试验判定腐蚀性。