某铁路隧道石膏岩工程地质特性及对策措施研究

甘光元

(中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031)

近年来，随着经济的高速发展，铁路隧道工程建设速度加快，硬石膏导致的不良工程地质问题日益增多，引起了广泛重视。刘艳敏[1]通过试验手段，对硬石膏进行了膨胀性、腐蚀性定量分析，提出了硬石膏对隧道结构的危害机制。祝艳波、李刚等[2-3]开展了隧道石膏质围岩溶蚀特性研究，分析了动态水环境、水流速、水溶液性质、酸碱度、水温等与溶蚀率的相关性。陈钒[4]通过分析礼让隧道水文地质特征，提出了针对性的防排水措施。王超[5]研究了不同水压条件下石膏的膨胀力及强度变化，从而模拟岩溶环境中石膏围岩强度的特性。许崇帮[6]根据实际案例，归纳了已建成石膏区隧道病害特征，分析了诱因并提出了处置措施。赵国军[7]通过数值模拟，对石膏区隧道开展围岩变形影响分析和支护结构受力分析，进而提出适合的施工工法。

本文通过分析芒康山隧道石膏岩分布特征，结合工程、水文地质条件，总结以往工程经验，提出隧道设计方案及防排水措施，确保隧道施工及运营的顺利进行。

1 工程概况

芒康山隧道所在铁路横穿以三江并流为代表的横断山脉，沿线山高谷深，地层岩性复杂多变、地形切割破碎，地质构造复杂，断裂褶皱发育，新构造运动活跃，地震活动强烈，气候恶劣复杂[8-10]。曾被国内外专家称为铁路修建的“禁区”[11]。

芒康山隧道是地质最复杂的控制性工程之一，主要工程地质概况为断层破碎带、高地温、软岩大变形、特殊岩土(石膏)、有害气体、瓦斯、高地震烈度等。隧道全长30 km，最大埋深约 1 180 m。隧道洞身为人字坡，左右线分修，预设1个贯通平导及 6个辅助坑道。

特殊岩土(石膏)段落施工进度是影响芒康山隧道施工进度控制性因素之一，因此，石膏层的研究尤为重要。

2 工程地质概况

2.1 地层概况

芒康山隧道洞身主要岩性为侏罗系、三叠系砂岩、泥岩、页岩、灰岩、白云岩，洞身中部出露三叠系上统波里拉组(T3b)灰岩、白云岩，根据区域地质报告、地表调绘及钻探揭示，波里拉组地层含石膏。

波里拉组(T3b)灰岩呈灰色、灰白色，致密构造，薄～厚层状构造，溶蚀较发育，节理发育。白云岩呈灰白色，致密结构，薄～中厚层装构造，溶蚀较发育。石膏为细晶结构，层状构造，其晶体透明无色，岩芯灰白色为主，主要成分为硫酸钙，混有白云石及杂质，质软。

2.2 水文地质

隧址区地下水分第四系松散土类孔隙水、碎屑岩的基岩裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水3个类型。第四系松散土类含水性和透水性不均一、差异大，是弱含水岩组，对隧道影响小；碎屑岩地层总体岩性主要以砂、泥岩互层，或泥页岩夹砂岩为主，硬质砂岩内部节理裂隙发育，连通性较差，且砂岩内部裂隙多被两侧泥岩风化残余的泥质充填，透水性较差，富水等级划分为较弱和弱；碳酸盐岩地层(含石膏)是上三叠统波里拉组(T3b)，该碳酸盐岩地层构成额艾顿背斜核部地层，并与额艾顿断裂带平行伴生，呈条带状NNW-SSE向延伸，受断层影响，地下岩溶发育强烈，地下水十分丰富，下游有岩溶大泉出露，为强富水地层，隧道洞身约3.8 km 为含水岩组，全长，施工中面临涌突水危险。

3 石膏岩分布特征

芒康山隧道3个深孔揭露石膏，均位于可溶岩地层中，以透镜状、夹层状顺层产出为主，局部与可溶岩混合沉积。其中1号钻孔揭示14层共 254 m，最大层厚54 m；2号钻孔揭示5层共107 m，最大层厚68 m；4号钻孔揭示8层共363 m，最大层厚14 m。根据地层界线及构造产状，推测隧道洞身约有1.8 km位于石膏中。

石膏新鲜面呈白色、灰白色，细晶结构，岩芯多呈致密粒状，少数呈纤维聚合状，厚层状、条带状构造。代表性石膏样本鉴定结果显示，石膏含量>95%，余为白云石及杂质(<1%)，该隧道石膏段落为共生组合，且以硬石膏为主。

4 石膏的危害

结合芒康山隧道所处的工程、水文地质环境，总结石膏段可能出现的工程危害如下。

4.1 遇水膨胀性

硬石膏遇水发生水化作用，体积增大，表现出膨胀性。

芒康山隧道碎屑岩地层总体岩性主要以砂、泥岩互层，或泥页岩夹砂岩为主，连通性、透水性较差，石膏层总体处于一个封闭且稳定空间。随着隧道开挖，石膏暴露大气环境中，临空面增加且围岩应力再分布，地下水径流、排泄通道改变，隧道底部水流汇集。硬石膏长期处于流动水环境中，一方面因水分子进入晶格空间表现出物理膨胀；另一方面因水化作用，硬石膏与水反应生成生石膏，表现出化学膨胀性。隧道拱脚处出现应力集中，可导致底鼓、边墙开裂、边沟变形等问题的发生。

4.2 遇水软化性

硬石膏遇水软化，围岩强度降低，在隧道顶部及边墙可能出现溶蚀掏空现象，隧道底部可能出现土拱效应，导致原有支护体系应力改变，引起隧道底部失稳下沉，隧道顶部松动垮塌，边墙开裂，破坏衬砌结构，影响其耐久性。

4.3 溶解腐蚀性

5 工程措施建议

5.1 防排水措施

通过以上分析可以看出，硬石膏对工程的危害主要是在水环境改变的情况下显现出来的，因此，富含石膏段落防排水是保证工程安全的关键。隧道开挖不可避免会破坏水的径流、排泄环境，需根据工程地质环境制定针对性的防排水措施。

芒康山隧道石膏岩分布于可溶岩段落，水环境较差，涌突水风险较大。隧道施工时应做好本段落的防水封闭工作，降低地下水流动对石膏的影响，建议在石膏与可溶岩、可溶岩与砂泥岩接触部位设置注浆阻水墙，阻隔彼此间的水联动。由于石膏段落位于人字坡坡顶处，建议在石膏与可溶岩接触两端设置过水涵连接平导，石膏段落地下水通过平导排出。

5.2 隧道断面设计

石膏膨胀会挤压衬砌结构，石膏软化会导致应力集中，加上石膏段落位于可溶岩区，水压较大，隧道存在大变形的风险。综上考虑，建议石膏段落隧道断面采用圆形断面。

5.3 加强衬砌

石膏段落应遵循“主动加固、优化轮廓、强化支护、适时锚固、工法配合”的基本原则，针对不同等级的大变形地段采用对应的预设计衬砌支护措施，根据围岩揭示情况，结合现场试验、理论分析和工程类比综合确定支护参数。支护过程中应增加预留变形量，并及时封闭。

5.4 选用合适建材

石膏段建议选用C45及以上标号混凝土，水泥采用抗硫酸盐水泥，并添加抗裂防水添加剂。二衬混凝土建议掺用一级粉煤灰，增强混凝土结构的抗侵蚀性。

6 结论

硬石膏强度较低，属软岩-极软岩，遇水膨胀，挤压衬砌结构，影响混凝土结构的耐久性；遇水软化，强度降低，变形增大，降低围岩稳定性；易溶蚀，溶蚀后溶出大量硫酸根离子于环境水中，长期侵蚀混凝土支护结构，影响结构的耐久性。石膏质岩的不良工程特性将对隧道建设、运营产生诸多不利影响，应采取相应的防治措施。

石膏岩质隧道增大了设计和施工的难度，芒康山隧道石膏段落应精心设计，超前谋划，针对防排水、施工工法、衬砌强度、施工材料等进行专门检算设计，确保隧道施工及运营的顺利进行。