石膏質(zhì)巖的膨脹特性及防治對策研究

韓琳琳，張黎，蔣小權(quán)

(1. 廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，南寧 530007；2.廣西壯族自治區(qū)第四地質(zhì)隊，南寧 530007)

石膏質(zhì)巖中含有較多硬石膏(CaSO4)，硬石膏遇水發(fā)生水化反應(yīng)，生成石膏，進而會導致體積膨脹，故石膏巖具有一定的膨脹性[1,2]。石膏質(zhì)巖在我國的分布范圍非常廣，尤其是中西部地區(qū)，為我國高速公路、鐵路穿越中西部造成了很大的困擾[3-5]。本文選取宜巴高速公路涼水井隧道區(qū)內(nèi)的石膏質(zhì)巖，對其膨脹特性進行了試驗研究，并針對其膨脹特性提出了相應(yīng)的防治措施。

1 試驗樣品及試驗方法

本文選用宜巴高速路涼水井隧道出露的石膏質(zhì)巖，樣品為灰白色。采用X’Pert PRO DY2198 型號的X-射線衍射儀對試樣進行X衍射試驗，試驗結(jié)果顯示該試樣中石膏含量為92%。

根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)將樣品烘干碾碎后過0.5mm篩。取4個試樣，均為10 g，進行自由膨脹率試驗。用小型擊實儀將烘干后的巖石粉末置于環(huán)刀中進行擊實，制備成4個平行的重塑樣。利用膨脹儀，進行無荷載膨脹試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 自由膨脹率試驗結(jié)果及分析

對4個平行試驗進行自由膨脹率試驗，觀察48 h后，得出試樣的自由膨脹率，結(jié)果見表1。從表1中可得，該石膏質(zhì)巖粉末遇水后有一定的體積膨脹，自由膨脹率可達4.1%。該結(jié)果相對于含有高親水礦物的膨脹土來說，膨脹性較弱。但如果在實際工程中發(fā)生3%的膨脹，對工程也會造成毀滅性的破壞。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，將蒸餾水加入到量筒與試樣粉末混合后，桶壁以及桶底都有非常明顯的發(fā)熱，說明石膏質(zhì)巖中的硬石膏遇水發(fā)生水化反應(yīng)，放出熱量，并使巖體產(chǎn)生膨脹。

表1 石膏質(zhì)巖粉自由膨脹率試驗結(jié)果

2.2 無荷載膨脹率試驗結(jié)果分析

對4個重塑樣進行無荷載膨脹率試驗，試驗結(jié)果見表2。從表2中可得，該試樣無荷載膨脹率為4.84%～5.86%，最大為5.86%，比自由膨脹率大。根據(jù)無荷載膨脹率試驗過程繪制膨脹率曲線如圖1。

從圖1中可以得出：試驗開始后，試樣膨脹較快。選取試樣1分析，試驗開始90 min后，試樣的膨脹率達到2.62%，完成了整體膨脹率(5.86%)的45%。試驗經(jīng)歷400 min后，膨脹變形已完成88%。經(jīng)歷900 min后，膨脹變形已基本完成。試驗經(jīng)歷1 200 min后，趨于穩(wěn)定，膨脹變化不大。相較于含親水黏土礦物較多的膨脹土來說(膨脹土一般300 min完成膨脹變形)，石膏質(zhì)巖的膨脹變形周期較長，這表明硬石膏遇水發(fā)生水化反應(yīng)導致巖石膨脹變形所經(jīng)歷的周期較長[6]。對比4個試樣的干密度和最終膨脹率可以發(fā)現(xiàn)，干密度越大，無荷載膨脹率越大,說明干密度越大，硬石膏的含量會越多，則遇水后發(fā)生膨脹變形的體積也會越大。在實際工程中，石膏質(zhì)巖中硬石膏的含量越大，則該區(qū)域發(fā)生膨脹變形的概率和變形的體積也會越大，設(shè)計施工時更應(yīng)該引起注意[7]。

表2 石膏質(zhì)巖粉重塑樣膨脹率試驗結(jié)果

圖1 重塑樣膨脹率曲線

3 石膏巖膨脹變形的危害及防治措施

3.1 石膏巖膨脹變形的危害

在鐵路、公路的隧道施工過程中，石膏質(zhì)巖會逐漸暴露。隧道的開挖，臨空面的增加，會改變地下水原來的補給、徑流和排泄途徑，導致隧道的基底地下水流量增大，地下水匯集。具備了地下水流動的條件后，石膏質(zhì)巖遇水發(fā)生水化反應(yīng)的時間和概率均有所增加。隨著水化周期的增加，石膏質(zhì)巖吸水膨脹，產(chǎn)生側(cè)向膨脹變形，進而對隧道襯砌的支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的擠壓，導致襯砌結(jié)構(gòu)中部分區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。經(jīng)過長時間的擠壓，會最終導致襯砌結(jié)構(gòu)破壞，隧道邊墻鼓包、開裂，甚至坍塌，危害行車安全[8,9]。

石膏質(zhì)巖呈現(xiàn)膨脹特性與其特殊的成分相關(guān)，其主要成分硬石膏可以與水反應(yīng)生成石膏，反應(yīng)方程式如下：

從上述化學方程式中可以看出，硬石膏吸水變成石膏的過程，實質(zhì)上是通過化學反應(yīng)，將自由水變成結(jié)合水的過程。結(jié)合水的增加，導致土顆粒體積增大，無數(shù)土顆粒體積的增大，最終導致石膏質(zhì)巖的體積膨脹。這個化學過程是不可逆的，不能依靠軸向應(yīng)力的轉(zhuǎn)變來使石膏向硬石膏轉(zhuǎn)變，但軸向應(yīng)力的大小卻能夠控制其轉(zhuǎn)化的程度。試驗研究表明，通過增大石膏質(zhì)巖周圍的圍巖壓力，可以有效控制石膏質(zhì)巖的膨脹變形。

3.2 防治措施

由于我國高速公路、高速鐵路的快速發(fā)展，穿越石膏質(zhì)巖區(qū)域的隧道增多。而石膏質(zhì)巖的膨脹性，會給隧道工程的勘查、設(shè)計、施工和后期維護帶來較多的困難。本文從隧道的勘查設(shè)計、施工兩個方面針對石膏質(zhì)巖的膨脹性提出幾點防治措施[10]。

3.2.1 勘查設(shè)計方面的防治措施

勘查設(shè)計可以為后期的施工提供第一手地質(zhì)資料，且石膏質(zhì)巖的危害直接與石膏質(zhì)巖所在區(qū)域的地質(zhì)背景、構(gòu)造特征、水文特征等有關(guān)。因此，在勘查設(shè)計階段，對石膏質(zhì)巖所在區(qū)域進行詳細的勘查設(shè)計，是非常重要，也是非常必要的。本文結(jié)合石膏質(zhì)巖的膨脹特性提出以下幾點建議：

(1) 查明石膏質(zhì)巖區(qū)域的構(gòu)造特征，包括巖石的命名，石膏和硬石膏的含量，埋藏區(qū)域，巖層的厚度等。尤其是石膏和硬石膏的含量，硬石膏的含量多少直接影響巖層的膨脹特性。因此，需要采取原位樣本，采用XRD試驗和全化學成分試驗，分析其所含石膏、硬石膏的含量及其它化學成分。

(2) 石膏質(zhì)巖的膨脹特性其實是硬石膏的水化過程，因此，需要查明隧道穿越區(qū)域的地下水文情況，包括地下水發(fā)育情況、滲流特征、地下水補給-流動-排泄區(qū)，地下水與石膏質(zhì)巖的接觸情況、水位埋深等。減少隧道建設(shè)區(qū)域的地下水發(fā)育或降低地下水與石膏質(zhì)巖的接觸面，會有效降低石膏質(zhì)巖的膨脹變形，減少對隧道工程的危害。

(3) 對隧道區(qū)域的地表水文特征進行詳細統(tǒng)計。天然氣候下的地表降水會對地下水進行有效補給，增大地下水的流動，進而會增加石膏質(zhì)巖的水化反應(yīng)。同時，施工期間，地表降水會直接與裸露出來的石膏質(zhì)巖發(fā)生水化反應(yīng)，增加膨脹變形。因此，統(tǒng)計并分析好施工區(qū)域的地表水文特征，避開雨期施工，會降低石膏質(zhì)巖的膨脹變形。

(4) 調(diào)查清楚施工區(qū)域的圍巖壓力。石膏質(zhì)巖的膨脹力達到一定的強度并超過圍巖壓力后，才會使石膏質(zhì)巖發(fā)生膨脹變形。因此，圍巖壓力的大小會影響石膏質(zhì)巖發(fā)生膨脹變形的可能性和變形的大小。

(5) 當?shù)乇碚{(diào)查難以發(fā)現(xiàn)石膏質(zhì)巖時，可以結(jié)合野外調(diào)查石膏質(zhì)巖系的地表特征及巖相特點、巖溶角礫巖和塌陷角礫巖的存在等來判斷巖層是否含石膏。

3.2.2 施工方面的防治措施

經(jīng)過詳細的勘查設(shè)計階段后，隧道進入施工開挖階段。隧道開挖，導致石膏質(zhì)巖的裸露和地下水流的變化，裸露的石膏質(zhì)巖既可以與地下水發(fā)生水化反應(yīng)，也可以與地表水發(fā)生水化反應(yīng)，增加了其發(fā)生膨脹變形的可能性。因此，選用合理施工工藝和支護措施，能夠有效防治石膏質(zhì)巖膨脹變形產(chǎn)生的危害。本文給出以下幾點建議：

(1) 分析施工階段地下水和地表水的情況。在施工階段，合理的降低地下水位，減少地表水流，會有效降低石膏質(zhì)巖發(fā)生膨脹變形的概率。因此，需要結(jié)合施工區(qū)域的水文地質(zhì)情況制定合理的施工方案，減少施工階段地下水和地表水與石膏質(zhì)巖的接觸。

(2) 制定合理的隧道開挖方案。隧道開挖，圍巖壓力釋放，導致石膏質(zhì)巖的膨脹力大于釋放后的圍巖壓力，原來未發(fā)生膨脹變形的石膏質(zhì)巖會發(fā)生膨脹變形。因此，在隧道開挖時，應(yīng)該盡量減少對石膏質(zhì)圍巖體的擾動，建議可考慮采用無爆破掘進法進行隧道開挖。

(3) 選擇合理的圍巖支護方案。根據(jù)石膏質(zhì)圍巖膨脹特性采取適合施工場地的圍巖支護措施。在石膏質(zhì)巖隧道施工時應(yīng)注意以下兩點：

① 噴錨支護，穩(wěn)定圍巖。一般情況下，建議采用噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)的方案進行支護。當圍巖膨脹力很大的時候，可以結(jié)合錨噴、格構(gòu)的聯(lián)合支護方案，可用超前錨桿或小導管在隧道頂部進行支護，同時用錨桿支護在隧道底部進行支護。

② 襯砌結(jié)構(gòu)及早封閉。隧道開挖后，由于原始應(yīng)力的釋放，會導致石膏質(zhì)圍巖向內(nèi)發(fā)生膨脹變形，因此為了控制圍巖體的膨脹變形，要求隧道襯砌結(jié)構(gòu)要及早封閉。在施工過程中，可以考慮澆筑隧道拱圈部分時設(shè)置臨時混凝土仰拱或者噴射混凝土充當臨時仰拱。然后當在下部臺階施工階段，再拆除臨時仰拱，并同時盡快灌筑永久性仰拱。

4 結(jié)論

本文采取宜巴高速路涼水井隧道出露的石膏質(zhì)巖，通過室內(nèi)試驗分析了巖樣的自由膨脹率和無荷載膨脹率試驗，同時給出了防治石膏質(zhì)巖膨脹變形的防治措施，得出以下結(jié)論：

(1) 試樣的自由膨脹率可達4.1%，且量筒的桶壁以及桶底都有非常明顯的發(fā)熱，說明石膏質(zhì)巖中的硬石膏遇水發(fā)生水化反應(yīng)，放出熱量，并使巖體產(chǎn)生膨脹。

(2) 試樣無荷載膨脹率為4.84%～5.86%，最大為5.86%。試驗經(jīng)歷1 200 min后，膨脹變形趨于穩(wěn)定，表明硬石膏遇水發(fā)生水化反應(yīng)導致巖石膨脹變形所經(jīng)歷的周期較長。

(3) 在隧道穿越石膏質(zhì)巖勘查設(shè)計階段，必須準確查明區(qū)域石膏質(zhì)巖的構(gòu)造特征、地下水文情況、地表水文特征和圍巖壓力等?？辈殡A段的數(shù)據(jù)準確性能夠為后期設(shè)計、施工階段防治石膏質(zhì)巖膨脹變形提供有力保障。

(4) 在隧道穿越石膏質(zhì)巖施工支護階段，需要選擇合理的開挖方案和支護方案。

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