西宁至成都铁路弱胶结地层结构特征及水稳性评价研究

赵 文

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

新建西宁至成都铁路位于青海、甘肃、四川三省交界地带。走行于青藏高原东部边缘与黄土高原过渡地带，整体呈南北走向，北起青海省东北部的西宁盆地，向南经祁连山、穿秦岭、跨若尔盖草原、抵岷山山脉，于四川省松潘县黄胜关站与成兰铁路接轨，项目新建长度509 km[1]。其中拉脊山越岭段南、北麓广泛分布第三系、白垩系地层[2]，其中第三系贵德组、白垩系民和组砂、砾岩钻探揭示呈散沙状、碎块状，且含稳定的地下水位，局部具承压性。其岩性具有结构松散、胶结程度差、强度低、遇水软化等特点，属含水弱胶结地层[3]。

类比兰渝铁路施工阶段第三系砂岩的工程地质问题，即复杂的水文地质条件，砂岩在水作用下稳定性变差、变形大、开挖及支护难度大，涌水、涌砂，软硬不均、降水及开挖困难，施工阶段通过大量试验对掌子面围岩变形与含水率关系研究、控制含水率对围岩稳定性影响研究[4-10]才认识第三系砂岩水稳性问题。本文在勘察阶段通过地面调查、钻探分析白垩系民和组、第三系贵德组地层结构特征，通过室内岩石试验、颗粒分析试验、黏土矿物含量试验、现场浸水试验，考虑赋水特征，对各套岩性进行工程水稳性综合评价研究。

2 岩体结构特征

2.1 第三系贵德组岩体结构特征

(1)泥岩：黄褐、棕黄、棕红色，泥质结构，层状构造，成分主要以黏土矿物为主，岩芯呈短柱状，节长10～20 cm，岩质较软，成岩作用差，锤击易碎，遇水易崩解。

(2)砂岩：褐黄色，粉砂状结构，层状构造，结构孔隙不明显、松散而均匀，黏粒依附在颗粒表面，盆地边缘砂岩中多含有2～10 mm砾石，盆地中央砂质较纯，成岩作用差，岩芯呈散状夹少量短柱状，遇水成砂状(图1)。

(3)砾岩：黄褐、青灰色，砾状结构，层状构造，结构孔隙明显、松散而不均匀，黏粒依附在砾石与砾石接触点，泥砂质胶结，砾石成分以石英岩、砂岩为主，分选一般，岩芯呈柱状、短柱状，成岩作用差，锤击易碎(图2)。

图1 贵德组弱胶结砂岩

图2 贵德组弱胶结砾岩

2.2 白垩系民和组岩体结构特征

(1)砂岩：棕红色，砂质结构，层状构造，结构孔隙明显、松散而均匀，黏粒依附在颗粒表面，泥钙质胶结，岩体呈碎块状为主，局部为散砂状(图3)，成岩较差，较破碎。

(2)砾岩：棕红、青灰色，砾状结构，厚层-巨厚层结构，结构孔隙不明显、松散而不均匀，黏粒依附在砾石与砾石孔隙内，砾石分选不好，巨砾和泥质混杂，砾石成分复杂，以花岗岩、板岩、石英岩为主，泥质胶结，岩体呈柱状为主(图4)，局部为碎块状，较完整[11]。

图3 民和组弱胶结砂岩

图4 民和组弱胶结砾岩

3 岩体物理力学特征

取柱状岩芯进行天然极限抗压强度试验，分析岩体坚硬程度，采用综合测井进行纵波波速测试，分析岩体完整程度[12]，其试验结果见表1。

表1 西宁至成都铁路第三系、白垩系地层物理力学指标

第三系、白垩系属弱胶结地层，天然抗压强度大部分小于5 MPa，由于饱和抗压强度需要岩样在水中自由吸水48 h[13]，第三系、白垩系地层已崩解，其饱和抗压强度均无法测得，属极软岩。其声波波速均大于1.5 km/s，岩体相对较完整。

4 颗粒分析试验

由于钻孔揭示第三系、白垩系砂、砾岩呈散沙状、碎块状，遇水极易崩解，磨片制样困难。取弱胶结砂岩、砾岩进行颗粒分析试验[14]，把粒径小于0.005 mm定义为黏粒含量[15]。其试验结果见表2。

表2 西宁至成都铁路第三系、白垩系地层颗粒分析成果

对于拉脊山南北麓弱胶结地层而言，其物理与力学特性主要受岩体内部黏粒含量的影响。一般情况下，黏粒含量越高，岩石胶结程度越高。第三系贵德组、白垩系民和组砂、砾岩黏粒含量为0～6%，处于弱胶结状态。

5 黏土矿物含量试验

黏土矿物主要包括蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石及混层结构等，而黏土矿物晶体结构的差异使岩体表现出不同的力学特性。黏土矿物的成分及含量不同，引起岩石的结构、构造、物理力学性质、水理性质也不相同。吸水后使得岩石内产生不均匀应力，同时部分黏土矿物的胶结物被稀释、软化或溶解，于是导致岩石发生泥化、软化、膨胀和崩解等一系列物理现象，而这些现象整体表现出岩石的水稳性。本次试验采用X射线衍射分析[16]，其测试结果详见表3。

表3 第三系、白垩系地层黏土矿物比例含量、种类

第三系贵德组弱胶结岩地层黏土矿物成分以伊/蒙混层为主，其次为蒙脱石、伊利石、含少量高岭石、绿泥石，伊/蒙混层占43%～63%，蒙脱石占4%～24%。

白垩系民和组弱胶结岩地层黏土矿物成分以伊/蒙混层为主，其次为伊利石、蒙脱石、高岭石，含少量绿泥石，伊/蒙混层占50%～68%，蒙脱石占13%。

第三系、白垩系弱胶结砂、砾岩因其内部黏土矿物含量较高及孔隙度较高，结构压实性差等特点，水分子易进入黏土矿物晶胞层间及碎屑颗粒之间，黏土矿物遇水极易与水发生作用，形成层间膨胀和粒间膨胀，导致弱胶结岩石结构性损伤。

6 赋水性特征

第三系贵德组地层位于化隆盆地，盆地边缘以砾岩、泥岩为主，盆地中心以泥岩、砂岩为主，盆地边缘地下水主要靠上部含水层的垂向补给及拉脊山基岩裂隙水的侧向补给，该段地层多为含地下水，属含水地层。盆地中心地层具备地下水的赋存条件，但由于泥岩的阻隔，地下水的径流条件较弱，局部可能赋存地下水。

白垩系民和组地层位于西宁盆地，上部为砂岩夹粉砂质泥岩，中部以粉砂质泥岩，底部为砂岩夹砾岩为主，该段以砂、砾岩为主，地表基岩裸露，地下水可以接受降水、沟水的垂向入渗补给及拉脊山山区基岩裂隙水的侧向补给。根据现有的钻探资料显示，多揭示有裂隙孔隙地下水，且于盆地中心揭示有承压水，承压水溢流出地表，且流量稳定，属含水地层[17]。

7 现场浸水试验

为查明第三系、白垩系地层工程水稳特性，取钻孔洞身附近岩芯进行现场浸水试验[18-20]，观察不同时间点下岩体浸水过程的吸水、泥质析出、掉渣开裂情况，详见表4。

表4 宁至成都铁路第三系、白垩系地层浸水试验

根据吸水情况初判其胶结的填充方式，根据泥质析出情况初判其胶结物类型，最后根据泡水时间长短情况判定其水稳性。

8 水稳性综合评价

结合颗粒分析试验、黏土矿物含量试验、岩芯现场浸水试验试验结果，对成岩情况、胶结类型、水敏感性特征、赋水性特征进行归纳分类，并进行水稳性综合评价。详见表5。

第三系贵德组泥岩、白垩系民和组砾岩浸水2～5 h呈碎块状，水敏感性一般，属泥质弱胶结、孔隙式胶结，水稳性综合评价较差；第三系贵德组砂、砾岩与白垩系民和组砂岩浸水30 min～2 h呈散沙状、碎块状，水敏感性差，属未胶结、接触式胶结，水稳性综合评价极差。

表5 西宁至成都铁路第三系、白垩系地层水稳性综合评价

9 结论

(1)第三系贵德组、白垩系民和组砂、砾岩黏粒含量为0～6%，属弱胶结岩，黏土矿物以伊/蒙混层为主，遇水易形成层间膨胀和粒间膨胀，导致岩石结构性损伤。

(2)西宁盆地、化隆盆地中心均具备形成承压水的条件，建议线路选择尽量走形于盆地边缘，降低承压水头高度或绕避承压水对隧道工程的影响。

(3)通过颗粒分析试验、黏土矿物含量试验、浸水试验综合分析认为，拉脊山北麓的白垩系民和组砂岩及拉脊山南麓的第三系贵德组砂、砾岩为接触式胶结，水稳性综合评价极差，建议线路尽量绕避，无法绕避时隧道洞身尽量选择砾岩段落通过。