長平高速公路杜公嶺隧道石膏及硬石膏分布特征

趙 強 徐春枝

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 石膏、硬石膏性質(zhì)

石膏是二水硫酸鈣，化學(xué)式為CaSO4·2H2O，理論成分為：CaO占32.6%，SO3占46.5%，H2O占20.9%，有時含有SiO2,Al2O3,Fe2O3,MgO，NaCl等雜質(zhì)，并常有粘土有機質(zhì)等機械混入物。

硬石膏為無水硫酸鈣，化學(xué)式為CaSO4，理論成分為：CaO占41.2%，SO3占58.8%。斜方晶體，晶體厚板狀，集合體致密塊狀或粒狀，白、灰白色，有時微帶淺藍或淺紅色，玻璃光澤，硬度較石膏大。

2 山西省石膏、硬石膏分布特征

山西省是石膏分布較為廣泛的地區(qū)之一，主要集中在汾河沿岸的太原至襄汾一帶，保有儲量43 690萬t，占全省儲量的95.0%。其中臨汾，襄汾一帶分布面積約4 000 km2，共有三個礦區(qū)，保有儲量31 790萬t，占全省儲量的69.1%；其次為太原市和靈石縣兩個礦區(qū)，保有儲量分別為6 164萬t和5 750萬t，分別占全省儲量的13.4%和12.5%。全省僅有少量的儲量分布在長治市潞城的上黃、常家?guī)X一帶(杜公嶺隧道以北約19.0 km處)，保有儲量2 315.5萬t，占全省儲量的5%。

平順縣石膏、硬石膏主要分布在杜公嶺隧道東南部的牛石窯和杏城一帶(距隧道直線距離約26 km)。

礦體厚度變化趨勢是：南部臨汾一帶厚度大，一般厚度達10 m～25 m，最厚達89 m，但品位低，一般在65%～73%之間；中部靈石一帶厚度變薄，達2 m左右，但品位增高，達85%左右；北部太原一帶礦體厚度一般為1 m～2 m，品位最高，達80%～90%。

3 杜公嶺隧道左洞石膏、硬石膏分布特征

杜公嶺隧道位于長平高速公路主線段，隧址位于長治市平順縣前鴉溝至大嶺溝之間。2013年11月，隧道出現(xiàn)襯砌開裂、路面隆起、邊溝傾斜等病害，通過對杜公嶺隧道的詳細(xì)工程地質(zhì)勘察，隧址區(qū)存在石膏巖。

3.1 洞渣石膏、硬石膏分布特征

在杜公嶺隧道棄渣場取巖塊(b1～b5)共5組進行礦物成分鑒定(詳見圖1,圖2，鑒定結(jié)果見表1)。

表1 杜公嶺隧道巖石鑒定表

編號巖石名稱主要礦物次要礦物鑒定結(jié)論b1微晶白云巖白云石90%磷灰石10%淺灰色,具微晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,礦物成分主要是白云巖,含少量磷灰石b2硬石膏石膏巖石膏85%白云石7%～9%硬石膏6%～8%灰白色,具層狀構(gòu)造,纖維狀結(jié)構(gòu),交代殘余結(jié)構(gòu)。礦物主要成分是石膏,其次含少部分硬石膏和白云石b3白云石石膏巖石膏83%白云石12%硬石膏5%灰色,具層狀構(gòu)造,纖維狀結(jié)構(gòu)。礦物成分主要為石膏和白云石,其次含少量硬石膏b4硬石膏石膏巖石膏91%白云石5%硬石膏4%灰白色,具層狀構(gòu)造,結(jié)晶粒狀結(jié)構(gòu)。礦物成分主要為石膏,其次含少量白云石和硬石膏b5白云石石膏巖石膏75%白云石15%～20%硬石膏6%～8%灰色,具層狀構(gòu)造,纖維狀結(jié)構(gòu)。礦物主要成分是石膏和白云石,其次含少量硬石膏

5組巖樣中，1組為微晶白云巖，2組硬石膏、石膏巖，2組白云石石膏巖。除1組不是石膏巖外，其他4組均是石膏巖，石膏含量達75%～91%，說明隧道內(nèi)確實存在石膏或硬石膏。

3.2 隧道鉆孔石膏、硬石膏分布特征

鉆孔揭露石膏、硬石膏分布于邊墻孔內(nèi)(斜孔)。邊墻孔所夾的石膏和硬石膏見表2。

表2 杜公嶺隧道洞內(nèi)鉆孔巖石鑒定表

在鑒定的7個鉆孔中，有6個鉆孔揭露石膏、硬石膏，其中左邊墻4個孔，分布段落為K34+950～K35+370段。6個孔中確定石膏巖有 4個孔，礦層垂直厚度1.06 m～4.14 m，石膏含量達80%～95%；含石膏的泥灰?guī)r1孔，垂直厚度達2.62 m，野外初步判斷石膏含量達20%～30%；石膏白云巖1個孔，垂直厚度達3.42 m，其中白云巖含量達55%～65%，石膏含量達35%～45%。

縱觀地表出露和鉆孔中揭露的石膏、硬石膏，有以下特點：

1)石膏、硬石膏一般與泥灰?guī)r共生，夾于泥灰?guī)r中，呈層狀、透鏡狀產(chǎn)出。

2)石膏、硬石膏顏色與泥灰?guī)r相近，呈灰白色，局部呈灰褐色。

3)石膏、硬石膏具有軟化性和膨脹性。

4 石膏、硬石膏病害機理分析

通過取巖樣進行室內(nèi)試驗和現(xiàn)場埋設(shè)9個壓力盒進行測試，石膏、硬石膏膨脹性分析如下：

1)石膏巖的破壞機理是水合作用，即石膏巖中的硬石膏吸水而產(chǎn)生膨脹變形。反應(yīng)方程式為：CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O，反應(yīng)后體積可增大60%左右。試驗進行了72 h，測得最大膨脹率為152.6%～300.0%，最大膨脹力為1.62 MPa～2.55 MPa。

2)膨脹力在雨季時增長明顯，并達到該年讀數(shù)的最大值；在干燥季節(jié)時膨脹力下降比較明顯，并達到讀數(shù)的最小值。上述現(xiàn)象表明：硬石膏的膨脹力與水有密切關(guān)系，并且膨脹力是相對較緩慢的增加。

3)第一年的觀測結(jié)果,最大膨脹力為0.49 kg/cm2,與室內(nèi)硬石膏巖膨脹力觀測結(jié)果0.688 kg/cm2(一年內(nèi))比較接近，只是后者獲得的數(shù)值略高。

4)石膏巖的水化膨脹過程十分緩慢，持續(xù)時間很長。

綜上所述,硬石膏巖開挖暴露，與水結(jié)合后體積膨脹，產(chǎn)生側(cè)向變形，對隧道防護結(jié)構(gòu)的擠壓作用增強，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，超過了混凝土結(jié)構(gòu)強度，致使防護結(jié)構(gòu)遭受破壞。

5 石膏、硬石膏病害防治措施

1)首先探明地下水的分布范圍及規(guī)律，對有地下水滲流的隧道，施工時采取有效措施，切斷水源并加強洞壁與隧道的防、排水措施，提高襯砌混凝土的抗?jié)B標(biāo)號，對施工縫進行可靠的防水處理等。

2)降低地下水位是治理的關(guān)鍵措施。設(shè)計時在隧道富水一側(cè)布置一條縱向泄水廊道，降低隧道地下水位。

3)襯砌時使用抗硫酸鹽侵蝕為主水泥材料，增強混凝土抗?jié)B等級，提高材料的耐侵蝕性。

采用綜合措施施工處理后，杜公嶺隧道于2018年7月恢復(fù)通車。