三叉岭隧道工程地质特性分析

2010-05-17张启龙

铁道勘察 2010年3期

张启龙

(中铁第一勘察设计院集团，陕西西安 710043)

三叉岭隧道是兰州至新疆乌鲁木齐新建第二线在既有西宁车站出站后从东西方向转折,由南向北拐弯穿越西宁北山向北行进的重要工程。其线路里程为DK192+160～DK197+860,全长5 700 m。

这座隧道不论从线路技术,还是工程地质条件方面都存在着其独特的复杂性。

首先,在线路技术方面,由于现代城市建设和交通建设的飞速发展,给新建工程的选址造成一定的困难。因此,兰州至新疆乌鲁木齐新建第二线在西宁车站由东向西出站后,只有在进口端DK192+160～DK193+528段以浅埋的方式穿行于湟水河阶地地表下,埋深约12～25 m；自DK193+528左右进入北山山体,穿行于三叉岭中,大部分隧道埋深超过50 m,隧道最大埋深约283 m。

其次,在工程地质条件方面,隧道整个洞身都穿行在第三系硫酸盐化学沉积层中。就笔者浅薄的知识而言,我国已经修建并积累了在万丈盐湖上建造地面工程(一期青藏铁路西宁至格尔木段近70 km的盐湖铁路)的经验,但尚无在厚层的硫酸盐化学沉积层中修建地下工程的先例。因此,其难度和复杂的程度可想而知(见图1)。

1 第三系硫酸盐化学沉积层的岩性特征及化学成分

三叉岭隧道整个洞身穿行的地层是上第三系中新统,由湖相细颗粒沉积与化学沉积交互沉积的棕红色泥岩、石膏、芒硝以及其他硫酸盐组成，局部夹有不纯净的岩盐薄层(见图2)。

图2 三叉岭隧道穿行示意

1.1 硫酸盐化学沉积层的岩性特征

泥岩(N1Ms)：多为棕红色,夹在硫酸盐沉积层中的泥岩呈灰色及深灰色，其主要矿物成分以伊利石、蒙脱石等黏土矿物为主。泥质结构,局部夹有粉砂质结构,厚层状构造。成岩作用差。地层质地细腻,但大多夹有3～10 mm厚的石膏薄层,局部夹有20～30 cm厚粉砂质泥岩(泥质粉砂岩)。

石膏岩(N1Gy)：白色为主，其主要矿物成分以石膏为主,质地不纯时含有伊利石、蒙脱石等黏土矿物。纤维状结构,也多见有雪花状结构,厚层状构造,最厚的可达8 m。但在硫酸盐化学沉积层中的石膏岩呈薄层状构造,一般5～10 cm厚,且质地不纯净,含有大量的泥土，局部有涩味。

芒硝(N1Rs)：主要分布于隧道进入三叉岭山体段,主要呈薄夹层状,揭露最大厚度可达0.5 m。浅灰色及灰色,矿物成分以黏土矿物及硫酸盐为主,粒状结构,层状构造,锤击不易碎。

硫酸盐化学沉积层(N1)：杂色,也有成层的紫红色。其主要矿物成分以石膏、芒硝为主,也有硫酸镁、硫酸铁等的结晶体,这套地层质地一般不纯,多含有伊利石、蒙脱石等黏土矿物。细粒结晶结构,厚层状构造,跟石膏岩一样,也有薄层状构造,质地不纯净,但岩质较硬,形似砂岩,具很浓的苦涩味和咸味。因此,这层化学沉积层可谓是各种硫酸盐成分混杂,沉积规律复杂,且毫无规律可循的薄层泥岩、薄层芒硝、薄层石膏，以及薄层既不是石膏,也不是芒硝的硫酸盐呈互层状分布。这是隧道洞身穿越的主要地层。

岩盐：以灰色及深灰色为主,其主要矿物成分以伊利石、蒙脱石等黏土矿物为主,氯化钠次之，多为泥质结构。因此,这套地层含盐量20%～50%不等,以泥土为主,见有大小不均的氯化钠结晶体,最大的结晶体5 mm×10 mm,最小的结晶体1 mm×1 mm,而且泥土具有很浓的咸味。

1.2 硫酸盐为主化学沉积层的化学成分

在石膏岩中化学成分以硫酸钙(CaSO4)为主,夹杂有芒硝时,则为硫酸钠(Na2SO4)。

在芒硝层中化学成分以硫酸钠(Na2SO4)为主,夹杂有芒硝石膏岩时,则为硫酸钙(CaSO4)。

在硫酸盐化学沉积层中,其化学成分以硫酸钙(CaSO4)、硫酸钠(Na2SO4)为主,硫酸镁(MgSO4)、硫酸铁(FeSO4)伴生。

在岩盐层中,其化学成分以氯化钠(NaCL)为主,氯化钾(KCL)氯化镁(MgCL2)等氯化物伴生。

2 隧道受地质构造的影响分析

2.1 沉积规律与沉积韵律以及空间分布特征

(1)沉积规律与沉积韵律

隧道洞身穿越的这套地层虽然沉积规律复杂,但可以明显地看到其沉积韵律是：湖相细颗粒沉积→湖相硫酸盐化学沉积→湖相细颗粒沉积→湖相硫酸盐化学沉积→湖相细颗粒沉积……。沉积地层的厚薄与其时间有密切的关系。至于硫酸盐化学成分的变化可能与当时新构造运动、青藏高原的抬升有关。

(2)空间分布特征

隧道所在地区尽管分布有厚层甚至巨厚层质地较纯的紫红色硫酸盐化学结晶层,但整个隧道长度范围内,洞身却不曾穿过(遇到),而遇到的几乎均为上面所述薄层泥岩、薄层芒硝、薄层石膏，以及薄层既不是石膏,也不是芒硝的硫酸盐互层的地层。地层相对稳定,其空间产状为N25°E/3～12°N。

2.2 构造影响分析

西宁属于祁连山“中间隆起带”以及拉脊山向斜褶皱带单元的一部分。地史上各期构造运动对本区均有影响,但喜马拉雅造山运动(新构造运动)对本区的影响最大。可以说是新构造运动造就了西宁现在的地形地貌,也赋予了现在的西宁盆地第三系地层独特的岩性特征。根据现场调查的资料分析,隧道洞身穿越的这套地层没有发现大的构造形迹,只有两组呈“X”形的垂直节理。其产状为N20°E/90°、N45°W/90°。节理间距一般0.5～1.5 m不等。从上可以看出,隧道的安全和稳定不受地质构造的控制和影响。

3 三叉岭隧道工程地质问题分析

3.1 隧道地基的稳定分析

隧道进口端DK192+160～DK193+528段以浅埋的方式穿行于湟水河Ⅰ～Ⅱ阶地地表下,也就是说这段隧道基底持力层基本处在地下水位以下(地下水位高程2 217～2 242 m之间)。DK193+526～DK197+860段完全穿行于山体中。根据第一手钻探资料揭示,隧道基底15～20 m范围内不见地下水。因此,要分三种情况来分析。

第一种情况是地基持力层主要部分处在地下水位变化幅度范围内。该地层的化学成分主要是易溶盐,在地下水位随着季节的变化而上下变化时,地层中的易溶盐被溶解、带走,造成地层结构的破坏。这时,可以肯定地讲,其地基承载力被削弱而降低,甚至会造成一些易溶盐被溶解后的空洞。这是我们最不愿看到的结果。

第二种情况是地基持力层全部处在地下水位下(地下水位变化幅度下限)。在没有大的地质构造影响的情况下,其地下水一般是相对静止的,而且也处在地层中的易溶盐溶解和含盐的地下水再结晶的平衡状态。因此,地基持力层地层结构的破坏也是微乎其微,对地基承载能力的影响也是很小的。

第三种情况是地基持力层全部处在地下水位以上。就要看该地层在漫长的地质发展过程中,特别是在抬升的过程中是否曾经经历过地下水的剧烈“洗礼”。如果是的话,肯定会在地层中留下或多或少、或大或小的溶蚀空洞,地层结构已经遭到一定的破坏(例如：在青藏铁路唐古拉山北麓,在同样的硫酸盐化学沉积地层中,尽管目前没有地下水的活动,但已经在前期经历过地下水的剧烈“洗礼”而遗留下不同程度的空洞,致使青藏铁路的运营受到影响)。毕竟,钻探只是反映空间的一条线,平面上的一个点,一般做不到全面。因此,我们在分析地基持力层全部处在地下水位以上时，不应该排除地层已经遭到一定破坏的可能性。

根据以上分析,三叉岭隧道浅埋段(DK192+160～DK193+528)隧道基底持力层基本处在地下水位以下,且在地下水位变化幅度(1.5～2.2 m)范围内。因此,该段除采取强化地基承载力的措施外,还应该在施工工作面上的地下水进行降水和排水结合,降水为主,避免加大隧道浅埋段地基范围内地下水的流速,致使地层中的易溶盐再溶解被带走,形成新的溶蚀洞隙。三叉岭隧道穿山段(DK193+528～DK197+860)在施工过程中应加强监测,只要发现有空洞,要及时采取强化地基承载能力的措施。

3.2 隧道的围岩稳定分析

上面把硫酸盐化学沉积层及其所夹的岩盐薄层的岩性特征做了说明。由于这套地层属第三系,首先决定了其成岩作用差；其次是很不均匀的薄层状泥岩、薄层状石膏、薄层状芒硝及其他薄层状硫酸盐化学沉积层互层的特征。这些特征反映到岩体上,既有岩石地层的特征,又有散体土层的特征，就呈现出整个岩体的完整性相对较差。在计算地下洞室(隧道)松动围岩的压力时,用弹塑性理论计算公式(P=K1Rγ+K2Cg)计算外,还应该按散体的土压力计算公式进行计算,将二者计算结果进行比较取大值。在之前的破裂拱(崩坏拱、压力拱及自然拱)高度计算时,该岩层的岩体坚实系数f值宜采用1(f=1)。为什么这样说,是因为我们已经有了在化学沉积层(岩盐)上面修建公路和铁路的经验,但还没有在化学沉积层中开挖地下洞室(隧道)的经验。故取大值准确确定围岩类别,做好隧道的衬砌、确保隧道的稳定与安全是非常必要的。

3.3 边坡的稳定分析

根据现场调查发现,该硫酸盐化学沉积层既能形成直立的陡崖,也能形成负坡,但这种地形一般持续时间不长,往往是错落、崩坍的隐患所在地。该地层易溶岩含量较高,在大气降水等因素的影响下,很容易形成软弱结构面，再通过软弱结构面将易溶岩带走,该软弱结构面的不断扩大,致使岩体内的应力进行重新发布,其结果是造成边坡的变形。因此,不管是自然边坡还是人工边坡,在这样的地层上,时刻存在着边坡的不稳定性。三叉岭隧道浅埋段(DK192+160～DK193+528)将会产生长距离的施工边坡,隧道出口产生永久性的人工边坡。因此,要想保证这几处边坡的稳定,必须做好对地表水的防、排工程(见图3)。