中老铁路友谊隧道石盐地层工程建设关键技术

2023-02-18罗仁立陶伟明舒俊良刘志韬赵全超

铁道标准设计 2023年2期

罗仁立，陶伟明，舒俊良，刘志韬，赵全超

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

1 概述

石盐是盐岩的一类，其是在极度干热环境的封闭凹地或湖塘，由于地表水、地下水的补给和蒸发不平衡，逐渐浓缩形成不同化学成分的高矿化度卤水，因水分蒸发而结晶，最后形成的化学沉积岩。盐岩地层常见的矿物有石膏、硬石膏、石盐、天然碱、芒硝等，第四系前盐岩地层主要以夹层状分布于新生界沉积砂岩、泥岩、页岩或石灰岩地层中。TB 10038—2012《铁路工程特殊岩土勘察规程》[1]将盐岩按主要化学成分分为氯盐类、硫酸盐类和碳酸盐类盐岩。其中氯盐类盐岩的代表性种类有：石盐(NaCl)、钾盐(KCl)、钙盐(CaCl2)、镁盐(MgCl2)等。

穿越盐岩地层隧道工程案例中，有代表性的工程有南吕梁山隧道[2]和成昆铁路永广段隧道[3-4]，其均主要穿越含石膏的硫酸盐类盐岩地层，且都在运营开通后陆续出现大范围衬砌开裂等病害[5]，整治花费巨大，而穿越含石盐的氯盐类盐岩地层隧道尚无工程案例可借鉴，石盐地层隧道修建技术还处于空白阶段。中老铁路友谊隧道穿越长段落石盐地层且石盐含量高达80%，地质条件特殊，国内外罕见，工程建设面临一系列的困难，其中主要关键技术包括防水体系构建、注浆堵水设计、氯离子侵蚀防治、结构选型和建筑材料研究等。

2 工程地质条件

友谊隧道穿越中国和老挝国境线，为设计旅客列车速度160 km/h的单线隧道，全长9 595.407 m，老挝境内长2 425 m[6]。本隧道中国境内设2座斜井；老挝境内设置1座斜井(3号斜井)，长750 m。老挝境内段共穿越第三系及白垩系地层：自小里程向大里程方向依次为第三系(E1-2)泥岩夹砂岩、砾岩、盐岩含石膏；白垩系上统(K2)泥岩夹砾岩、砂岩，下统(K1)砂岩夹砾岩、泥岩。隧道埋深约240 m，均为Ⅳ级、Ⅴ级围岩。

3号斜井于2017年4月进洞，至2018年4月转入正洞施工，3号斜井工区均位于第三系地层(含盐岩)，隧道开挖揭示的石盐多为浅白、紫红、暗灰色，与灰色、紫红色砂泥岩碎石、角砾混杂，各段盐含量不均，斜井段(X3DK0+000～X3DK0+155段)为点状、脉状，正洞DK0+000～DK0+363段石盐含量总体上自小里程向大里程方向逐渐减少，DK0+550～DK1+565段石盐含量总体上自小里程向大里程方向逐渐增大后逐渐减少，石盐具有局部富集现象，部分地段石盐含量达80%。补勘钻探发现，隧道洞顶以上170 m均为含盐地层，隧底施钻孔深160 m未揭穿石盐地层。根据施工开挖及补勘揭示，老挝境内正洞共1 378 m含石盐，具体分布示意见图1。

图1 含石盐段落分布纵断面示意(单位：m)

在隧道内现场采取石盐试样进行岩石薄片鉴定试验、膨胀性试验、易溶盐试验、蒸发试验、地下水试验、X射线衍射分析等，其中岩石薄片鉴定试验结论如下。

(1)结构构造：具中晶-巨晶结晶粒状结构，块状构造，成分主要为石盐(NaCl)，夹部分泥灰质、硬石膏角砾。

(2)矿物成分及含量(表1)

表1 石盐试样矿物成分及含量

(3)岩石定名：半透明浅灰白色含硬石膏、泥灰质角砾石盐岩。

3 石盐地层工程病害及成因分析

南吕梁山隧道和成昆铁路永广段隧道病害主要表现为石膏的侵蚀和膨胀引起的衬砌开裂，而友谊隧道地层以石盐为主，其病害主要表现为隧底围岩溶解形成空洞、钢材严重腐蚀、衬砌开裂和底鼓。

3.1 隧底围岩溶解形成空洞

正洞DK0+760线路左侧避车洞底部出现下沉塌陷，下沉量10～20 cm，经开挖发现，左侧边墙下方存在空洞，洞高20～60 cm，沿线路方向发育，如图2所示。石盐岩遇水具有强烈的喀斯特岩溶特征，石化储能工程上，常利用石盐地层的遇水溶解形成空洞的特性将其作为储油、储气场所[7-8]。隧道工程修建后水文地质环境有所改变，地下水沿隧底仰拱周围由小里程流向大里程仰拱端头集水坑纵向流动，地下水不断溶蚀隧底石盐地层，产生溶蚀孔洞并进而发展成较大空洞，降低隧道基底、围岩的受力条件，最终产生结构下沉和破坏。

图2 避车洞底部塌陷及空洞

3.2 钢材严重腐蚀

洞内裸露钢筋、钢架以及止水带的钢边结构等发生严重锈蚀，如图3所示，石盐段侵蚀环境作用等级为L3、H3、Y3，属强腐蚀环境，特别是环境中氯离子含量极高，对钢筋和钢架等主体结构会造成较强腐蚀，即使在不直接接触围岩或地下水的情况下，洞内施工环境中粉尘吸收空气中的水亦可造成严重锈蚀。

图3 钢筋及止水带钢边结构锈蚀

3.3 衬砌开裂和底鼓

3号斜井工区正洞段84 m仰拱及矮边墙、24 m拱墙衬砌在施工2～3个月后相继于边墙和基底部位出现横、纵向裂缝，如图4所示。监测资料显示，拱顶衬砌最大下沉值31 mm，边墙最大收敛值102.99 mm，隧底最大上鼓值70.62 mm。经钻孔取芯验证，混凝土无明显裂化且无盐类物质结晶体析出等现象。友谊隧道衬砌开裂在较短时间内发生，与南吕梁山隧道和成昆铁路永广段隧道在较长时间周期作用后衬砌混凝土自身受腐蚀裂化、承载能力降低而发生的开裂不同。友谊隧道表现为受石盐膨胀而发生的物理开裂，其膨胀主要是石盐地层蠕变、重结晶[9-10]以及围岩内石膏的体积膨胀[11-12]所致。

图4 边墙开裂及仰拱底鼓

4 关键技术方案

结合上述分析，可以总结出石盐地层的3个主要工程特性：强溶解性、强侵蚀性和膨胀性。石盐地层隧道修建关键技术主要针对以上工程性质采取有效措施减少其对隧道工程的影响。

4.1 限制地下水流动，避免石盐溶解

在防排水总体设计思路上采取全包防水+注浆堵水措施，限制地下水流动，避免石盐溶解。

常规排水型隧道洞周地下水将不断从洞周进入隧道内，地下水一直处于流动状态，流动的地下水将不断溶解洞周围岩进而形成衬砌背后空洞。采用全包防水后，地下水流动受到限制，即使洞周裂隙中的地下水溶解了部分围岩，但在盐溶液达到饱和度后则不会继续发生溶解，溶蚀作用也将停止。

注浆堵水则旨在通过封堵地下水渗流的各种通道，限制地下水流动，进而避免石盐溶解。注浆堵水根据注浆部位和功能要求的不同分为局部径向注浆、隧底注浆和初支背后注浆。

根据现场开挖揭示经验，石盐段地下水渗出有一定滞后性，从开挖到地下水渗出一般有2～3 d时间间隔，故局部径向注浆应根据拱墙初支施作后的渗漏部位通过现场核对加以确定，而不是根据开挖揭示地下水渗漏部位，同时注浆范围宜适当放大，确保加固效果。

隧底注浆兼顾堵水和加固的作用，主要针对隧底地下水较发育的段落，为避免隧底溶蚀形成空洞和承载力下降而产生不均匀沉降，对隧底全断面采用径向注浆堵水。

由于石盐与喷混凝土的结合效果较差，易造成初支与围岩之间不密实，从而形成地下水渗流通道，故需进行初支背后回填注浆。石盐全段落除局部径向注浆和隧底注浆范围外，均进行初支背后回填注浆。

为确保注浆效果，注浆实施前的现场注浆试验是十分必要的，注浆现场见图5。

图5 注浆现场

注浆后对DK0+359、DK0+364、DK0+369三个断面共取芯9孔，所取芯样总体较完整，整体芯样断口可见浆液饱满，水泥浆与碎裂岩体胶结密实、完整，断口显示无明显裂隙及破碎，其中1个芯样断口如图6所示。

图6 注浆后取芯芯样断口

经注浆试验统计分析，推荐普通水泥浆水灰比为1∶0.5，注浆压力控制在0.5～1.0 MPa，注浆填充率约为9.2%。当普通注浆完成后，发现可注性较差且仍有漏水现象时，可补注超细水泥浆，超细水泥浆水灰比为1∶0.4，注浆压力控制在0.8～1.0 MPa，注浆充填率约为3.4%。试验段经超细水泥补注浆后，现场初支基本实现无渗漏现象。

4.2 氯盐(Cl-)侵蚀防治措施

现场取样试验中土中氯离子含量最高达3.329×105mg/kg，水中氯离子含量最高达1.860×105mg/L，上述数值远高于L3环境判定基准值，在超高浓度环境下，需要采用多道设防的理念进行设计。为此，在初支与二衬间增设1道防水素混凝土隔水层，充分利用混凝土自身良好的自防水性阻断地下水和氯离子对二衬钢筋的侵蚀。增设隔水层后，卷材防水层也由1道增加为2道：初期支护与隔水结构(模筑素混凝土)之间全环设置“EVA防水板+土工布”防水层；隔水结构(模筑素混凝土)与二次衬砌之间全环设置“反粘式防水板”防水层对二衬进行皮肤式防水保护。为避免射钉对隔水层结构造成损伤，反粘式防水板通过粘结面自粘于隔水层C35混凝土上，避免“窜水”。

二衬钢筋及隔水层接茬钢筋为防止氯离子侵蚀均采用环氧涂层防腐。

施工缝防水是全包防水的关键，为避免被氯离子侵蚀，止水结构均不含钢材，石盐段隔水结构、二衬纵向施工缝采用中埋式橡胶止水带；环向施工缝采用中埋式橡胶止水带+背贴式止水带。同时，隔水结构与二衬的施工缝错开设置，纵向施工缝错开距离≮1 m，环向施工缝错开距离≮2 m。环向施工缝混凝土表面涂抹混凝土界面剂。纵、环向施工缝防水构造分别如图7、图8所示。

图7 纵向施工缝防水构造(单位：mm)

图8 环向施工缝防水构造(单位：mm)

4.3 膨胀性防治

考虑膨胀性对断面形式进行对比分析。采用ANSYS有限元分析软件，石盐段隧道埋深约240 m，围岩压力按深埋隧道围岩荷载考虑，石盐段地下水位较高，根据地勘报告，拱顶水压力按1.0 MPa考虑，膨胀力按300 kPa考虑，合计径向荷载1.3 MPa。对二衬结构分别采用正常衬砌(160 km/h单线部颁参考图)、椭圆形衬砌和圆形衬砌进行选型比较，断面模型见图9。

图9 二衬结构断面模型

为分析三种断面对径向荷载的承载能力，对不同结构厚度承载能力进行检算，计算结果如表2所示。

表2 三种断面承载能力计算结果 MPa

由表2可以看出，圆形衬砌对径向荷载承载能力最好，衬砌厚度为60 cm时其承载能力在1.3 MPa以上，推荐二衬结构采用圆形断面；同时，衬砌厚度越厚承载能力越好，但为保证混凝土施工质量兼顾经济性，衬砌厚度选定为60 cm。

4.4 衬砌结构体系构建

考虑石盐地层复杂性，为增加设计冗余度，衬砌内轮廓预留30 cm拱墙补强空间，拟定内轮廓半径4.7 m。隔水层结构底部适当加深，对前期施工未进行处理而受强溶解性影响的隧底围岩进行换填，同时进一步增加隧底结构的整体刚度和自重，防止在拱墙衬砌未施作、结构未封闭成环前，仰拱结构因石盐膨胀性而上鼓。同时，尽量减少洞室及断面变化对石盐段防水的影响，取消了石盐段大避车洞及设备洞室，同时取消了锚段关节衬砌加宽、加高，石盐段均采用同一种衬砌结构。结合前述技术方案，最终拟定隧道衬砌结构断面如图10所示。

图10 石盐段衬砌结构横断面(单位：cm)

结合前期开挖揭示，发现石盐段含盐量越高，围岩完整性越高同时地下水越不发育；反之，含盐量越低，围岩完整性越低同时地下水越发育。

设计支护措施时，尽量避免破坏围岩进而增加地下水渗流通道，故石盐段衬砌段落均不设系统锚杆。对于高含盐段，虽然地下水不发育，但系统锚杆施作形成的钻孔一旦形成地下水通道，因石盐含量高而导致的围岩溶蚀也是剧烈的，后果也越严重，故高含盐段亦不设系统锚杆。

为弥补因不设系统锚杆而造成支护措施偏弱的问题，喷混凝土强度等级提高为C30，并通过优化配合比提高喷混凝土密实度。钢架采用格栅钢架形式，提高初支与钢架间的结合程度避免形成空隙。同时，施工中采取加强超前支护和尽早封闭成环等措施，确保施工安全。

4.5 建筑材料

根据TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》[13]，石盐段衬砌混凝土需满足抗硫酸盐结晶破坏等级(56 d)≮KS150；56 d电通量应≮1000C，氯离子扩散系数(56 d)DRCM(×10-12m2/s)应≯3等耐久性指标要求，同时，钢筋混凝土结构强度等级应采用C50，素混凝土强度等级应采用C45。但结合国内工程经验，高强度等级混凝土浇筑时因水泥用量增大、水化热较高，容易开裂[14]，同时矿山法施工隧道受浇筑施工工艺及养护条件限制，现场施工时更易造成开裂，结构开裂后盐岩更易侵入混凝土反而降低了衬砌结构的耐久性。因此，寻求通过对特殊建筑材料的研究，解决采用较低强度等级混凝土满足较高强度等级混凝土要求的各项耐久性指标从而防止开裂的问题。

通过对不同混凝土等级的二次衬砌进行分析计算，确定满足承载力条件下的结构混凝土最低强度等级，计算结果如表3所示。

表3 二衬不同强度等级混凝土承载能力计算结果 MPa

由表3可知，C40以上强度等级均满足结构受力要求，故推荐采用C40作为二衬钢筋混凝土强度等级。隔水层结构为素混凝土结构，且不是主要承载结构，推荐采用C35强度等级。以上述强度等级为基础开展特殊建筑材料研究。

结合资料调研发现，聚合物乳液是一种有效的改性外加剂，它对混凝土的改性作用主要是通过聚合物在水泥浆与集料间形成具有较高黏结力的膜层，进而堵塞砂浆内的孔隙来实现的，同时聚合物C35混凝土中的早期水化速度较低，产生的水化热也较低，降低了温度裂缝产生的可能性。通过室内试验，一种添加丙烯酸乳液的C35聚合物混凝土能满足规范要求的各项耐久性指标，其与C35普通混凝土的主要技术指标对比如表4所示。

表4 普通C35与C35聚合物混凝土耐久性指标对比

二衬结构通过采用低水化热、矿物掺和料、补偿收缩技术，在混凝土材料中使用了低热水泥和膨胀剂，其早期强度低，降低水化热，减少了温度裂缝的产生；而后期强度增长明显，加入膨胀剂减少混凝土收缩，对抗渗、氯离子扩散、抗硫酸盐侵蚀等耐久性指标有明显改善和提高。经室内试验，C40低热混凝土均能满足规范要求的各项耐久性指标，其与C40普通混凝土主要技术指标对比如表5所示。