三叉嶺隧道工程地質(zhì)特性分析

張啟龍

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團， 陜西西安 710043)

三叉嶺隧道是蘭州至新疆烏魯木齊新建第二線在既有西寧車站出站后從東西方向轉(zhuǎn)折,由南向北拐彎穿越西寧北山向北行進的重要工程。其線路里程為DK192+160～DK197+860,全長5 700 m。

這座隧道不論從線路技術(shù),還是工程地質(zhì)條件方面都存在著其獨特的復(fù)雜性。

首先,在線路技術(shù)方面,由于現(xiàn)代城市建設(shè)和交通建設(shè)的飛速發(fā)展,給新建工程的選址造成一定的困難。因此,蘭州至新疆烏魯木齊新建第二線在西寧車站由東向西出站后,只有在進口端DK192+160～DK193+528段以淺埋的方式穿行于湟水河階地地表下,埋深約12～25 m；自DK193+528左右進入北山山體,穿行于三叉嶺中,大部分隧道埋深超過50 m,隧道最大埋深約283 m。

其次,在工程地質(zhì)條件方面,隧道整個洞身都穿行在第三系硫酸鹽化學(xué)沉積層中。就筆者淺薄的知識而言,我國已經(jīng)修建并積累了在萬丈鹽湖上建造地面工程(一期青藏鐵路西寧至格爾木段近70 km的鹽湖鐵路)的經(jīng)驗,但尚無在厚層的硫酸鹽化學(xué)沉積層中修建地下工程的先例。因此,其難度和復(fù)雜的程度可想而知(見圖1)。

1 第三系硫酸鹽化學(xué)沉積層的巖性特征及化學(xué)成分

三叉嶺隧道整個洞身穿行的地層是上第三系中新統(tǒng),由湖相細顆粒沉積與化學(xué)沉積交互沉積的棕紅色泥巖、石膏、芒硝以及其他硫酸鹽組成，局部夾有不純凈的巖鹽薄層(見圖2)。

圖2 三叉嶺隧道穿行示意

1.1 硫酸鹽化學(xué)沉積層的巖性特征

泥巖(N1Ms)：多為棕紅色,夾在硫酸鹽沉積層中的泥巖呈灰色及深灰色，其主要礦物成分以伊利石、蒙脫石等黏土礦物為主。泥質(zhì)結(jié)構(gòu),局部夾有粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu),厚層狀構(gòu)造。成巖作用差。地層質(zhì)地細膩,但大多夾有3～10 mm厚的石膏薄層,局部夾有20～30 cm厚粉砂質(zhì)泥巖(泥質(zhì)粉砂巖)。

石膏巖(N1Gy)：白色為主，其主要礦物成分以石膏為主,質(zhì)地不純時含有伊利石、蒙脫石等黏土礦物。纖維狀結(jié)構(gòu),也多見有雪花狀結(jié)構(gòu),厚層狀構(gòu)造,最厚的可達8 m。但在硫酸鹽化學(xué)沉積層中的石膏巖呈薄層狀構(gòu)造,一般5～10 cm厚,且質(zhì)地不純凈,含有大量的泥土，局部有澀味。

芒硝(N1Rs)：主要分布于隧道進入三叉嶺山體段,主要呈薄夾層狀,揭露最大厚度可達0.5 m。淺灰色及灰色,礦物成分以黏土礦物及硫酸鹽為主,粒狀結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,錘擊不易碎。

硫酸鹽化學(xué)沉積層(N1)：雜色,也有成層的紫紅色。其主要礦物成分以石膏、芒硝為主,也有硫酸鎂、硫酸鐵等的結(jié)晶體,這套地層質(zhì)地一般不純,多含有伊利石、蒙脫石等黏土礦物。細粒結(jié)晶結(jié)構(gòu),厚層狀構(gòu)造,跟石膏巖一樣,也有薄層狀構(gòu)造,質(zhì)地不純凈,但巖質(zhì)較硬,形似砂巖,具很濃的苦澀味和咸味。因此,這層化學(xué)沉積層可謂是各種硫酸鹽成分混雜,沉積規(guī)律復(fù)雜,且毫無規(guī)律可循的薄層泥巖、薄層芒硝、薄層石膏，以及薄層既不是石膏,也不是芒硝的硫酸鹽呈互層狀分布。這是隧道洞身穿越的主要地層。

巖鹽：以灰色及深灰色為主,其主要礦物成分以伊利石、蒙脫石等黏土礦物為主,氯化鈉次之，多為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此,這套地層含鹽量20%～50%不等,以泥土為主,見有大小不均的氯化鈉結(jié)晶體,最大的結(jié)晶體5 mm×10 mm,最小的結(jié)晶體1 mm×1 mm,而且泥土具有很濃的咸味。

1.2 硫酸鹽為主化學(xué)沉積層的化學(xué)成分

在石膏巖中化學(xué)成分以硫酸鈣(CaSO4)為主,夾雜有芒硝時,則為硫酸鈉(Na2SO4)。

在芒硝層中化學(xué)成分以硫酸鈉(Na2SO4)為主,夾雜有芒硝石膏巖時,則為硫酸鈣(CaSO4)。

在硫酸鹽化學(xué)沉積層中,其化學(xué)成分以硫酸鈣(CaSO4)、硫酸鈉(Na2SO4)為主,硫酸鎂(MgSO4)、硫酸鐵(FeSO4)伴生。

在巖鹽層中,其化學(xué)成分以氯化鈉(NaCL)為主,氯化鉀(KCL)氯化鎂(MgCL2)等氯化物伴生。

2 隧道受地質(zhì)構(gòu)造的影響分析

2.1 沉積規(guī)律與沉積韻律以及空間分布特征

(1)沉積規(guī)律與沉積韻律

隧道洞身穿越的這套地層雖然沉積規(guī)律復(fù)雜,但可以明顯地看到其沉積韻律是：湖相細顆粒沉積→湖相硫酸鹽化學(xué)沉積→湖相細顆粒沉積→湖相硫酸鹽化學(xué)沉積→湖相細顆粒沉積……。沉積地層的厚薄與其時間有密切的關(guān)系。至于硫酸鹽化學(xué)成分的變化可能與當時新構(gòu)造運動、青藏高原的抬升有關(guān)。

(2)空間分布特征

隧道所在地區(qū)盡管分布有厚層甚至巨厚層質(zhì)地較純的紫紅色硫酸鹽化學(xué)結(jié)晶層,但整個隧道長度范圍內(nèi),洞身卻不曾穿過(遇到),而遇到的幾乎均為上面所述薄層泥巖、薄層芒硝、薄層石膏，以及薄層既不是石膏,也不是芒硝的硫酸鹽互層的地層。地層相對穩(wěn)定,其空間產(chǎn)狀為N25°E/3～12°N。

2.2 構(gòu)造影響分析

西寧屬于祁連山“中間隆起帶”以及拉脊山向斜褶皺帶單元的一部分。地史上各期構(gòu)造運動對本區(qū)均有影響,但喜馬拉雅造山運動(新構(gòu)造運動)對本區(qū)的影響最大?？梢哉f是新構(gòu)造運動造就了西寧現(xiàn)在的地形地貌,也賦予了現(xiàn)在的西寧盆地第三系地層獨特的巖性特征。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的資料分析,隧道洞身穿越的這套地層沒有發(fā)現(xiàn)大的構(gòu)造形跡,只有兩組呈“X”形的垂直節(jié)理。其產(chǎn)狀為N20°E/90°、N45°W/90°。節(jié)理間距一般0.5～1.5 m不等。從上可以看出,隧道的安全和穩(wěn)定不受地質(zhì)構(gòu)造的控制和影響。

3 三叉嶺隧道工程地質(zhì)問題分析

3.1 隧道地基的穩(wěn)定分析

隧道進口端DK192+160～DK193+528段以淺埋的方式穿行于湟水河Ⅰ～Ⅱ階地地表下,也就是說這段隧道基底持力層基本處在地下水位以下(地下水位高程2 217～2 242 m之間)。DK193+526～DK197+860段完全穿行于山體中。根據(jù)第一手鉆探資料揭示,隧道基底15～20 m范圍內(nèi)不見地下水。因此,要分三種情況來分析。

第一種情況是地基持力層主要部分處在地下水位變化幅度范圍內(nèi)。該地層的化學(xué)成分主要是易溶鹽,在地下水位隨著季節(jié)的變化而上下變化時,地層中的易溶鹽被溶解、帶走,造成地層結(jié)構(gòu)的破壞。這時,可以肯定地講,其地基承載力被削弱而降低,甚至?xí)斐梢恍┮兹茺}被溶解后的空洞。這是我們最不愿看到的結(jié)果。

第二種情況是地基持力層全部處在地下水位下(地下水位變化幅度下限)。在沒有大的地質(zhì)構(gòu)造影響的情況下,其地下水一般是相對靜止的,而且也處在地層中的易溶鹽溶解和含鹽的地下水再結(jié)晶的平衡狀態(tài)。因此,地基持力層地層結(jié)構(gòu)的破壞也是微乎其微,對地基承載能力的影響也是很小的。

第三種情況是地基持力層全部處在地下水位以上。就要看該地層在漫長的地質(zhì)發(fā)展過程中,特別是在抬升的過程中是否曾經(jīng)經(jīng)歷過地下水的劇烈“洗禮”。如果是的話,肯定會在地層中留下或多或少、或大或小的溶蝕空洞,地層結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到一定的破壞(例如：在青藏鐵路唐古拉山北麓,在同樣的硫酸鹽化學(xué)沉積地層中,盡管目前沒有地下水的活動,但已經(jīng)在前期經(jīng)歷過地下水的劇烈“洗禮”而遺留下不同程度的空洞,致使青藏鐵路的運營受到影響)。畢竟,鉆探只是反映空間的一條線,平面上的一個點,一般做不到全面。因此,我們在分析地基持力層全部處在地下水位以上時，不應(yīng)該排除地層已經(jīng)遭到一定破壞的可能性。

根據(jù)以上分析,三叉嶺隧道淺埋段(DK192+160～DK193+528)隧道基底持力層基本處在地下水位以下,且在地下水位變化幅度(1.5～2.2 m)范圍內(nèi)。因此,該段除采取強化地基承載力的措施外,還應(yīng)該在施工工作面上的地下水進行降水和排水結(jié)合,降水為主,避免加大隧道淺埋段地基范圍內(nèi)地下水的流速,致使地層中的易溶鹽再溶解被帶走,形成新的溶蝕洞隙。三叉嶺隧道穿山段(DK193+528～DK197+860)在施工過程中應(yīng)加強監(jiān)測,只要發(fā)現(xiàn)有空洞,要及時采取強化地基承載能力的措施。

3.2 隧道的圍巖穩(wěn)定分析

上面把硫酸鹽化學(xué)沉積層及其所夾的巖鹽薄層的巖性特征做了說明。由于這套地層屬第三系,首先決定了其成巖作用差；其次是很不均勻的薄層狀泥巖、薄層狀石膏、薄層狀芒硝及其他薄層狀硫酸鹽化學(xué)沉積層互層的特征。這些特征反映到巖體上,既有巖石地層的特征,又有散體土層的特征，就呈現(xiàn)出整個巖體的完整性相對較差。在計算地下洞室(隧道)松動圍巖的壓力時,用彈塑性理論計算公式(P=K1Rγ+K2Cg)計算外,還應(yīng)該按散體的土壓力計算公式進行計算,將二者計算結(jié)果進行比較取大值。在之前的破裂拱(崩壞拱、壓力拱及自然拱)高度計算時,該巖層的巖體堅實系數(shù)f值宜采用1(f=1)。為什么這樣說,是因為我們已經(jīng)有了在化學(xué)沉積層(巖鹽)上面修建公路和鐵路的經(jīng)驗,但還沒有在化學(xué)沉積層中開挖地下洞室(隧道)的經(jīng)驗。故取大值準確確定圍巖類別,做好隧道的襯砌、確保隧道的穩(wěn)定與安全是非常必要的。

3.3 邊坡的穩(wěn)定分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),該硫酸鹽化學(xué)沉積層既能形成直立的陡崖,也能形成負坡,但這種地形一般持續(xù)時間不長,往往是錯落、崩坍的隱患所在地。該地層易溶巖含量較高,在大氣降水等因素的影響下,很容易形成軟弱結(jié)構(gòu)面，再通過軟弱結(jié)構(gòu)面將易溶巖帶走,該軟弱結(jié)構(gòu)面的不斷擴大,致使巖體內(nèi)的應(yīng)力進行重新發(fā)布,其結(jié)果是造成邊坡的變形。因此,不管是自然邊坡還是人工邊坡,在這樣的地層上,時刻存在著邊坡的不穩(wěn)定性。三叉嶺隧道淺埋段(DK192+160～DK193+528)將會產(chǎn)生長距離的施工邊坡,隧道出口產(chǎn)生永久性的人工邊坡。因此,要想保證這幾處邊坡的穩(wěn)定,必須做好對地表水的防、排工程(見圖3)。

圖3 三叉嶺隧道淺埋段橫剖面示意

4 結(jié)束語

三叉嶺隧整個洞身穿行在硫酸鹽化學(xué)沉積層中,由于該地層具有獨特的性質(zhì)和特點。因此,應(yīng)從以下幾個方面引起足夠的重視：

(1)在建筑材料的選用上必須采用抗硫酸鹽腐蝕的水泥。

(2)借鑒巖鹽地層上工程建設(shè)的經(jīng)驗,盡最大可能的保留其上的棕紅色泥巖硬殼。

(3)要對隧道地基進行必要的加固處理。

(4)三叉嶺隧道整個洞身地段的圍巖級別宜低不宜高。DK192+160～DK193+528淺埋段宜采用Ⅵ級圍巖；DK193+528～DK197+860段宜采用Ⅴ級圍巖。

(5)邊坡不論高低,在其坡頂做好地表水防、排、截措施的基礎(chǔ)上,宜及時防護。

[1] TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[2] GB50021—2004 巖土工程勘察規(guī)范[S]

[3] 鐵道第一勘察設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999

[4] TB10027—2001 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[5] TB10038—2001 鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程[S]