T2b2 地层隧道围岩的主要工程地质问题及特性——以郑万高铁（重庆段）为例

张毅，杜宇本，向道银

（1.中铁二院地勘岩土设计研究院，成都610036；2.渝万、渝黔铁路有限责任公司，重庆400015）

1 工程概况

1.1 郑万高铁建设概况

郑万高铁位于豫、鄂、渝三省市境内，北接京广、陇海客专；中与既有焦柳、宁西、襄渝铁路，规划的运（城）十（堰）宜（昌）铁路、安（康）张（家界）常（德）等铁路相交；南端连接万州，并通过渝万客专达重庆。其中，重庆市境内线路正线长181.754km，共分布有巫山、奉节、云阳、万州北4 个中间站，万州北站为渝万线在建站；正线共设桥梁32 座，总计10.878km；正线新建双线隧道25.5 座，长169.477km，桥隧总长180.355km，桥隧比重99.2%。

1.2 郑万高铁（重庆段）穿越巴东组二段（T2b2）地层概况

郑万高铁（重庆段）正线长181.754km，穿越巴东组二段（T2b2）地层的长度累计约67.528m，其中，隧道10 座，长约66.864m，桥梁5 座，长约0.664m。

2 巴东组二段（T2b2）地层岩性及一般工程地质特性

2.1 地层岩性及矿物成分

通过地质钻探及施工开挖的地质剖面揭示，该段地层主要为紫红色的泥岩夹青灰色砂岩，中间偶夹有页岩及黏土岩。与一般传统“红层”地层的岩性情况几乎一致，所以，其岩体内的矿物成分主要以黏土矿物为主，其中，以伊利石居多，绿泥石次之，蒙脱石、高岭土、石膏及石英等含量较少，具体地层泥岩矿化分析结果如表1 所示。

表1 新建郑万铁路巫山隧道洞身（T2b2）地层泥岩矿化分析结果%

2.2 一般工程地质特性

由于巴东组二段（T2b2）地层主要以泥岩为主，因此，其工程地质特征与所有“红层”泥岩一样，具有质软易碎，遇水易软化，易崩解，暴露易风化的共同特征，且由于其矿物成分多含膨胀性矿物，在一定条件下亦是一类具有膨胀性潜能的岩石[1]。所以，深入剖析该地层的物理及化学特性有利于隧道围岩级别的划分及支护措施的合理配置。

3 隧道开挖揭示的巴东组二段（T2b2）地层围岩的主要工程地质问题

3.1 一般地质问题

巴东组二段（T2b2）地层岩性主要以泥岩夹砂岩、黏土岩为主，因此，在无地下水发育情况下，其围岩开挖后自稳能力较好，但围岩质软，偶有掉块及滑落现象，因此，其围岩等级以Ⅳ级居多，Ⅲ级与Ⅴ级次之。

3.2 含水性问题

郑万高铁（重庆段）穿越（T2b2）地层的隧道在开挖过程中，个别隧道出现了地下水较发育的情况，其表现形式有滴水、渗水及股状涌水（见图1）等，其中，巫山隧道斜井涌水量最高达7 000m3/d，奉节隧道1#斜井涌水量最高达6 000m3/d，且涌水点地层岩性均为泥岩层位，说明巴东组二段地层（T2b2）的泥岩层位隔水能力较差，透水性较好。

图1 巫山隧道的隧道股状涌水

3.3 水敏性问题

依据郑万高铁（重庆段）的隧道开挖揭示统计，在穿越（T2b2）地层的11.5 座隧道中，地下水较发育～发育隧道4 座，这些隧道因受到地下水的作用影响后，部分岩体软化，稳定性降低，围岩自稳能力较差，施工过程中拱部掉块严重、易坍塌；若地下水排水不畅，在短时间内，初支极易变形破坏，致使隧道不断发生变形预警，最终侵限、塌方。这类病害在地下水发育段落均出现了该类情况，说明（T2b2）地层的泥岩水敏性极强，在水理作用下，其物理力学性质指标发生变化的周期短，性质差异波动性大等特点，致使原设计措施不足[2]。

4 巴东组二段（T2b2）地层泥岩与侏罗系（J）红层泥岩的主要特性的对比分析

4.1 标准地质剖面的对比分析

4.1.1 T2b2地层剖面（新建郑万高铁巫山境内剖面）

新建郑万高铁巫山境内地层剖面分析：（1）紫红色水云母页岩，夹灰紫色、灰色簿至中厚层泥质胶结的石英粉砂岩及一层灰色泥质砂质灰岩，砂岩具交错层理；（2）紫红色中至厚层水云母胶结的石英粉砂岩，夹同色水云母页岩，砂岩具交错层理；（3）紫红色页岩、砂质页岩，夹薄层水云母胶结的石英粉砂岩；（4）紫红色粉砂质页岩，夹紫红色、灰色中厚层泥质粉砂岩；（5）紫红色粉砂质水云母黏土岩，夹紫红色中厚层钙泥质胶结的石英粉砂岩；（6）紫红色粉砂质水云母黏土岩，夹浅紫色、灰色簿至中厚层钙质胶结的石英细砂岩，具细层理构造；（7）紫红色粉砂质水云母黏土岩，夹中厚层微粒泥质灰岩，前者有网状钙质物分布。

4.1.2 侏罗系（J）红层地质剖面（新建郑万高铁云阳境内剖面）

新建郑万高铁云阳境内地层剖面分析：（1）黄绿色厚层中粒石膏胶结的岩屑亚长石砂岩，间夹薄层粉砂岩。剖面之西约2km 于本层顶部见紫红色、灰色叶肢介页岩。（2）紫红色泥岩、砂质泥岩，夹灰色薄至中厚层泥质长石岩屑石英粉砂岩，泥岩含钙质砂质结核。（3）灰绿色厚层中粒水云母胶结的亚岩屑长石砂岩。沿走向砂岩厚度变化较大。（4）紫红色泥岩、砂质泥岩，夹灰绿色中至厚层中粒岩屑亚长石砂岩及泥质石英粉砂岩，砂岩多呈透镜状产出。泥岩中含钙质砂质结核。（5）紫红色泥岩、砂质泥岩，夫灰绿色簿至中厚层细粒岩屑亚长石砂岩，含泥砾，沿走向不稳定，泥岩含钙质砂质结核。（6）紫红色泥岩、粉砂质泥岩，夹灰绿色薄层、中厚层水云母胶结细粒长石岩屑石英砂岩。局部见灰绿色页岩。（7）黄灰色厚层细至中粒绿泥石胶结的岩屑亚长石砂岩及水云母胶结的岩屑亚长石砂岩，结构疏松，易风化呈粉末状。

通过标准地质剖面分析：两组地层岩性均已紫红色泥岩为主，夹层杂乱，但是在分布的夹层中，（T2b2）地层的黏土岩成分较多，侏罗系（J）红层很少或几乎没有[3]。

4.2 膨胀性指标的对比分析

郑万高铁开挖过程中，通过对（T2b2）地层及侏罗系（J）红层地层进行多组取样进行膨胀性指标分析，并对试验指标与膨胀岩的分级指标进行统计对比，详见表2 和表3。

表2 取样试验统计分析

表3 膨胀岩的分级指标

依据试验结论得知：郑万高铁重庆段（T2b2）地层与侏罗系（J）红层地层的膨胀性指标几乎一致，均达不到膨胀岩的标准，只有在特定条件下，才具有一定的弱膨胀性，所以，其膨胀性对隧道工程的影响程度一致，无任何一方有明显趋势。

4.3 隧道开挖过程中地下水发育程度与地质病害的对比分析

郑万高铁（重庆段）隧道总数25.5 座（其中，0.5 座与湖北省界交界），其中有11.5 座隧道洞身穿越巴东组二段地层的泥岩夹砂岩，15 座隧道洞身穿越侏罗系红层的泥岩夹砂岩。且施工已经全面开挖，通过对所有隧道的穿越的地层岩性及地下水发育情况、病害情况进行统计，得出表4 中的数据。

依据统计数据：巴东组二段（T2b2）地层地下水发育比例高于侏罗系（J）红层地层，且导致的地质病害远前者也远高于后者，说明在同等岩性情况下，巴东组二段（T2b2）地层的工程地质条件差于侏罗系（J）红层，因此，其围岩分级与设计措施应适时优化与加强。

表4 （T2b2）地层与（J）地层地下水发育情况与隧道病害情况一览表

4.4 对比分析结论

通过对郑万高铁（重庆段）隧道开挖穿越巴东组二段（T2b2）地层与侏罗系（J）红层开挖后的各类情况进行对比分析后，可知：

1）巴东组二段（T2b2）地层中的泥岩较侏罗系（J）红层泥岩在一般条件下均不具有膨胀性，该类特性在这2 套地层中对隧道围岩的影响情况一致；

2）巴东组二段（T2b2）地层中的泥岩较侏罗系（J）红层泥岩隔水性差，透水能力强，致使其该层地下水也相对发育；

3）由于巴东组二段（T2b2）地层中的夹层中有大量的黏土岩成分，该类岩体的水敏性极强，因此，在地下水发育区段，隧道围岩的工程地质条件恶化周期段，波动剧烈，致使隧道极易变形、侵线。

5 结论及建议

经以上分析与研究，得出以下结论和建议：

1）郑万线（重庆段）巴东组二段（T2b2）泥岩在一般情况下较侏罗系（J）红层泥岩的工程地质条件差，主要表现为地下水发育，且岩体水敏性强，致使隧道围岩地质病害在该类地层尤其突出。

2）建议后期铁路在勘察设计期间遇到巴东组二段（T2b2）地层时，慎重考虑地下水的含量及围岩等级划分；施工期间，该层遇到地下水发育时，必须及时排水且加强围岩的支护措施，防治变形破坏。