白云岩层中硬石膏岩对隧道结构危害机制研究

刘艳敏，余宏明，汪 灿，王春磊

（中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074）

1 引 言

近年来，随着我国公路、铁路建设事业的发展，硬石膏岩层对工程建设的危害不断凸显[1－2]，逐渐引起广泛的重视。

国家重点公路工程杭兰线宜巴段即穿切了大量的硬石膏岩层。2002年，原209国道十字垭隧道便在此建成通车，但是，随后于2004年，该隧道发生了病害，路面开裂、边沟变形、衬砌支护垮塌，隧道滴水、漏水现象严重[3－4]。2009年，该工作区拟建凉水井、花栎包等公路隧道工程，为确保工程顺利进行，预防、减少病害现象，本文主要结合该区域工程地质情况，针对该区域出露的病害岩体——硬石膏岩进行研究。

国内关于硬石膏岩的研究成果相对较少，早期多集中在膏岩成因及赋存规律研究，近几年，部分学者针对膏岩溶蚀特性开展过有针对性的研究，但成果多是在定性分析的基础上[5]，而综合其所在环境进行系统定量分析的研究成果较少。本文主要以试验手段为依托，对工作区出露的硬石膏岩主要造岩矿物及其膨胀特性、腐蚀特性进行了定量分析，并结合区域工程地质情况及与硬石膏岩共生的白云岩层的水理性质进行研究，综合分析其对隧道结构的危害机制，提出治理建议。

2 区域工程地质概况

2.1 工程概况

国家重点公路工程杭（州）兰（州）线宜（昌）巴（东）段位于三峡库区腹地，跨越夷陵、兴山和巴东3个县区，全长176.8 km，其中桥梁和隧道占线路总长度的 50.1%。在花栎包隧道设计线路ZK157+675～ZK157+692段，凉水井隧道设计线路ZK159+160～ZK159+620段，以及十字垭隧道ZK1718+238～ZK1718+319段等均发育有石膏质岩，对该路段的桥梁、隧道建设和边坡稳定将造成不利影响。其中以十字垭隧道发育的石膏质岩纯度最高，危害最大。

十字垭隧道全长为456 m，净高为6.66 m，净宽为8.5 m，埋深为14～120 m。纯度较高的硬石膏岩代表性发育在隧道中部，沿洞身出露有近80 m。

2.2 气候特征与水文地质条件

隧址所在地区属亚热带季风气候区，气候垂直温差大，常在8 ℃～10 ℃。年平均降雨1 117.9 mm，多集中于5～9月，雨势猛，强度大，其降雨量占全年平均降雨量77.8%。全年多东南风。

研究区位于构造侵蚀剥蚀中低山区，为分水岭地区，地表水不发育，地下水较贫乏。

2.3 地层条件

根据钻探及地质调绘资料，研究区内的地层主要有三叠系下统嘉陵江组盐溶角砾岩、白云质灰岩和石膏质灰岩，上部为巴东组石灰岩、泥灰岩、泥岩，上覆0.5～1.6 m褐黄色残坡积土。石膏质岩主要出露于三叠系嘉陵江组2、4段中部层位及巴东组底部。与碳酸盐岩及泥质类岩共生产出，呈夹层状或透镜状分布在碳酸岩地层中，或与碳酸岩混合沉积。受当时沉积环境影响，石膏质岩在空间上分布很不规律，表现为不连续性和分散性。

3 硬石膏岩

3.1 硬石膏岩基本特征

本文研究的硬石膏岩主要出露在湖北省秭归县溪丘湾工作区十字垭隧道处，岩体表面经物理化学风化成灰黑色、黑色，新鲜断面呈灰白色、白色，具细粒结晶粒状结构，断面可见薄的纹层状构造，加HCl不起泡，硬度为2～3。

取代表性岩样进行X-衍射矿物成分分析，鉴定其主要造岩矿物为石膏，含量达到95%，同时含有少量的滑石、透闪石（见表1）。

表1 硬石膏岩X—衍射分析结果(单位：ω（B）/10 -2)Table 1 The anhydrock of X-ray diffraction in the back analysis（unit: ω（B）/10 -2）

3.2 硬石膏岩水理性质研究

含膏质岩系地下水中往往含有较高浓度的侵蚀性酸根离子，随着其含膏量不同，地下环境水中侵蚀性酸根离子含量并不相同，对混凝土结构危害程度也不同。由于十字垭隧道施工完成后才发现的病害现象（施工期间并未查明），因此，很难取得地下水，本文主要针对此类岩体，采用室内制备水样，进行分析。

取代表性硬石膏岩样置于研钵中碾碎，过筛，取粒径小于0.5 mm岩样粉末各2 g，分别溶于100 ml的去离子水中（编号2-2）和100 ml当地雨水中（编号2-3），用磁力搅拌器搅拌15 min左右。沉淀后取上层澄清试液。

①测得雨水 pH=6.20，2-2试液 pH=6.10，2-3试液pH=5.14。

②采用离子色谱分析方法，对该岩溶水溶液及雨水（编号 2-4）离子成分、含量进行鉴定，试验结果见表2。

表2 硬石膏溶液阴离子分析结果(单位：mg/l)Table 2 The Anions of anhydrock solution in the back analysis（unit: mg/l）

试验结果显示：

①硬石膏岩溶出后水溶液表现出明显的酸性环境。

②硬石膏岩在去离子水中溶出硫酸根离子含量达到1 185.488 9 mg/L，具有中等腐蚀性[6]。

③由 25℃～30℃下石膏岩溶解度值（2.09～2.105 g/L）算得硫酸根离子浓度值（1 166.22～1 174.59 mg/L），其与试验结果相似，因此，研究中，可以依据其溶解度值及 XRD试验分析中石膏的含量算得不同石膏含量的石膏质岩溶液中硫酸根离子浓度，近似代替试验结果进行分析。

④对比2-2、2-3两组溶液离子色谱分析结果，硬石膏岩在偏酸性环境及钾、钠水溶性硫酸盐环境下更易析出硫酸根离子。因此，在地下水环境中，硫酸盐含量往往大于试验结果。再加上地下水对岩体的反复溶蚀作用、自然环境下的蒸发作用，硬石膏岩发育区域地下环境水的侵蚀强度与程度均要大于试验分析结果，因此，提出防治工程建议时均需相应提高一个等级。

3.3 硬石膏岩膨胀性研究

硬石膏岩中石膏遇水易发生水化作用，可转变为含两个结晶水的石膏。在这个过程中石膏体积增大，往往表现出膨胀性。在理论上，其数值可通过石膏单位晶胞的大小加以比较，求出其体积增加的百分比值，即为石膏膨胀的理论数值[5]。但实际上，在自然界中，石膏、硬石膏岩很少是纯质的，其实际体积增加值往往小于理论上计算的数值。因此，不同硬石膏岩的实际水化膨胀量及与其相应的膨胀力应通过试验获得。

试验采用圆盘形重塑样[7]，试样面积为30 cm2，厚为2 cm。试样设计含水率为15%（天然含水率），主要测定其侧向膨胀率与膨胀力。

经过72 h，试验结果趋于稳定。测得其侧向膨胀率为1.7%～2.3%。同时进行膨胀力测定。本次主要进行了4组膨胀力试验，结果见表3。

表3 硬石膏岩膨胀力试验分析结果(单位：kg/cm2)Table 3 The anhydrock force expansion test in the back analysis（unit: kg/cm2）

图1 硬石膏岩初始密度与膨胀力关系曲线图Fig.1 The relation curves of the initial density and the force of expansion of anhydrock

图2 硬石膏岩吸水率与膨胀力关系曲线图Fig.2 The relation curves of the bibulous rate and the force of expansion of anhydrock

对试验过程及试验结果进行分析，可以得到以下结论：

①硬石膏岩水化膨胀过程十分缓慢，试验进行72 h时测得最大膨胀力为2.24 kPa，但试验 过程中，发现其膨胀力仍然在缓慢的增长。国内关于此方面的研究资料尚不完整，根据有关文献记载[8－9]，硬石膏岩水化膨胀后，其体积可增加30%左右，若取此值，根据本次试验结果线膨胀系数为 0.080～0.115进行推测，其膨胀力可达到584～840 kPa。

②试验结果显示，硬石膏岩水化膨胀力的大小与试样初始干密度及试样吸水率有关。随着初始干密度的增大，试样吸水率不断增大，其膨胀力随着初始干密度及吸水率的增加而增加，且试验结果可近似线性拟合，试验分析结果见图1、2。

4 白云岩

4.1 白云岩基本特征

工作区广泛出露的硬石膏岩多与白云岩、灰质白云岩层成共生分布，区内白云岩经雨水侵蚀与暴晒后，易剥裂，岩体表面雨水浸润痕迹明显，用小刀轻刮，大量白色粉末脱落。该岩体经反复日晒雨淋强度明显降低，区内亦可见条带状分布已风化成粉末状的白云岩。因此，取代表性岩样，对其溶蚀特征进行分析。

4.2 白云岩溶蚀特征研究

本次试验主要采用环境扫描电镜，分析白云岩微观溶蚀形貌[10－11]，并利用能谱仪分析物质的微区成分，对样品表面进行氧化物的定量分析。研究工作区白云岩风化、受水侵蚀强度降低机制。同时，根据研究成果，对石膏岩与白云岩共同作用下，对隧道结构危害进行分析。试验分析结果见图 3、图4。

图3 白云石微观溶蚀现象图Fig.3 Micro corrosion phenomena of the dolomite

图4 方解石及白云石微观溶蚀特征图Fig.4 Micro dissolution of the calcite and dolomite

试验结果分析：

（1）该岩样主要造岩矿物为白云石与方解石，同时，含有少量的黏土矿物。电镜下观察，白云石晶体呈不规则菱面体，表面可见大量溶蚀痕迹（见图 3）。

（2）岩样孔隙均匀疏松，方解石在白云石间多呈麻坑状溶蚀形态，偶见糖粒状，在方解石与白云石交接地带，孔隙明显增多（见图4），由此推断两矿物差异溶蚀作用是导致该岩体疏松多孔、结构破碎、强度降低的主要原因。

5 硬石膏岩病害作用机制分析

5.1 硬石膏岩力学性质对隧道结构的危害

硬石膏岩层随着隧道的开挖逐渐暴露在地表环境下，临空面增加，围岩压力重分布，导致地下水原有的补给、径流、排泄途径改变，隧道基底成为地下水的排泄面与汇水廊道。地下水的富集，使得水化作用条件具备，硬石膏岩体吸水，一方面产生侧向膨胀变形；另一方面，硬石膏水化，石膏分子重新结合为二水石膏，产生侧向膨胀力。

经研究发现，硬石膏岩表现出明显的亲水性，其水化膨胀率与膨胀力与岩体初始干密度及其吸水性近似成正比关系。岩体吸水膨胀，产生侧向变形，对隧道工程混凝土结构挤压作用增强，导致混凝土结构局部应力集中，结构破坏，影响混凝土结构耐久性。

结合原209国道十字垭隧道变形破坏特征进行分析，由于隧道拱部及边墙常常成为地下水流经廊道，硬石膏岩体受水流溶蚀作用易被掏空，所以隧道顶部衬砌支护滴水、漏水现象明显；而隧道底部与边墙底端则常常为水流汇聚，所以表现出明显的膨胀变形破坏，也即其边墙底端鼓包、开裂，边沟变形破坏现象明显的原因。

5.2 硬石膏岩溶液对隧道结构的危害分析

硬石膏岩溶液对隧道结构的危害主要表现为地下水中硫酸盐对混凝土材料的侵蚀[12]。其侵蚀过程主要包括3个方面：

①随着硬石膏岩的溶蚀作用，地下水中硫酸根离子浓度的增加，加剧了对混凝土材料表面的腐蚀作用，硫酸盐在混凝土表面浸溃，致使混凝土表面麻面、蜂窝及微裂隙的产生，随着硫酸盐侵蚀的逐步深入，混凝土表面剥蚀，结构逐渐松散，这个过程往往比较缓慢，侵蚀破坏相对较弱。

②微裂隙的产生，有利于硫酸盐溶液的浸入，侵入的硫酸盐溶液与混凝土水化产物氢氧化钙反应，生成具有弱膨胀性的二水硫酸钙使得混凝土结构中产生外加内应力，导致微裂隙扩展、延伸，加速了侵蚀性硫酸盐溶液的侵入。

主要反应式为

③硫酸盐溶液进一步侵入，第1步水化产物（硫酸钙）在孔隙中积聚，并与水泥水化产物铝酸钙及水化单硫铝酸钙反应生成钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4），导致混凝土结构迅速膨胀、结构破坏、强度丧失。

主要反应式为

5.3 硬石膏岩与白云岩、灰质白云岩共同作用下对隧道结构危害分析研究

工作区中，由于白云岩、灰质白云岩的广泛分布，加剧了硬石膏岩对隧道结构的危害，主要表现在以下3个方面：

①在碳酸盐岩发育区普遍发育着岩溶现象，其溶蚀作用主要是白云岩（CaMg(CO3)2）与灰岩（CaCO3）中碳酸钙在酸性条件下，与氢离子作用逸出CO2而致。区内白云岩表现明显的亲水性，电镜下观察，白云石表面溶蚀现象明显，其表面疏松多孔。部分岩体已完全丧失强度，成粉末状分布。溶蚀白云岩为硬石膏岩水化提供了良好的储水、流通廊道，加速硬石膏岩水化膨胀及溶蚀效应。

②硬石膏岩溶蚀产生大量游离氢离子，环境水中，表现出明显的酸性。白云岩、灰质白云岩在酸性条件下，溶解度显著上升，使得溶蚀反应加剧。

其主要反应式为

③大的溶蚀孔隙又加剧了地下水的循环交替作用，其循环交替作用和混合作用又加剧了溶蚀作用，促使溶蚀效应进一步加剧。同时，由于硬石膏岩溶蚀环境水中常常含有硝酸、盐酸有机酸等酸根离子，这些酸根离子混合后的地下水对碳酸盐岩腐蚀作用往往更强，促使溶蚀进一步发育。

④在自然环境，干湿循环条件下，白云岩、硬石膏岩溶蚀孔道随着水分的集聚与流失，而逐渐延伸、贯通。

6 结论及建议

（1）研究发现，工作区中出露的两种主要岩体均表现出较强的亲水性。硬石膏岩水化膨胀作用以及白云岩亲水软化作用是威胁隧道混凝土结构的主要力学效应问题。因此，降低地下水水位是治理的关键措施：在洞内或洞外采取措施来降低地下水水位均可，但考虑到隧道路面结构及使用功能，建议采用洞外降水措施，可在隧道富水一侧设置与隧道轴线平行的纵向泄水廊道，以达到降低地下水水位的要求。

（2）硬石膏岩溶蚀后产生的酸性硫酸根是危害隧道混凝土结构的主要因素。在这一破坏过程中，硫酸盐与混凝土水化产物氢氧化钙反应并最终生成钙矾石。而地下水的酸性环境同时也使得与硬石膏岩成共生产出的碳酸盐岩的溶蚀作用加剧，为水体的赋存与循环交替提供了有利条件，从而进一步导致了硬石膏岩溶蚀作用的加剧。

因此，建议采用以下以抗硫酸盐侵蚀为主的工程治理措施：

（1）提高混凝土抗渗等级，注重提高材料的防水与耐侵蚀性。

（2）对于中等硫酸盐腐蚀，建议采用抗硫酸盐泥；若采用普通硅酸盐水泥，水泥需满足 C3A ＜8%，抗渗等级不小于 P8，最小水泥用量不应小于330 kg/m3，最大水灰比不应大于0.45[13－14]。

（3）若采用外掺料，根据已有资料，可采用C32.5的普通水泥，掺 25%～30%的粉煤灰，对于防治中等抗硫酸盐的侵蚀可收到安全、经济的效果[15]。

（4）可掺入适量高强减水剂、高效防水膨胀剂等外加剂，增强混凝土的抗裂性[16]。

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