新近系粉细砂层工程特性Word文档格式.docx

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兰州除了新城盆地基底为白垩系底层以外，榆中、城关、七里河、安宁堡以及西固盆地，下伏基岩都为第三系红色砂岩，并且在地貌上多表现为黄土梁峁、河谷阶地上覆风积以及冲洪积黄土，下伏第三系泥岩、砂岩及砾岩。

2、主要的工程地质问题

现场施工的揭示，第三系砂岩，粉细粒结构，泥质弱胶结，成岩性极差，并且局部夹有钙质胶结或半胶结薄层或透镜体（结核等）状砂岩，隧道在开挖的过程中，砂岩含水率较低或无渗水时候，围岩稳定性较好，一般可按Ⅳ~Ⅴ级的围岩施工；

当含水率过高以致有渗水时，在水的作用下，其工程性质会迅速恶化，开挖后多呈现粉细砂状，围岩变形、坍塌严重，稳定性较差。

通过对比分析，在施工中遇到的主要地质问题有：

2.1水文地质条件复杂

第三系粉细砂岩属陆相湖盆及山间凹地沉积而成，地层岩性较为单一，颗粒较均匀，结构紧密，属新生代的沉积，受构造运动的影响较小，节理、裂隙发育不太好。

因此，在天然状态下，存在构造裂隙的可能性非常之小，地下水主要赋存于砂岩孔隙水当中，由于砂岩的胶结程度、黏粒含量以及补给途径的不同，使地下水的分布具有不均匀性，表现为局部的沟谷地段砂岩含水偏高或地下水相对富集。

砂岩中的孔（裂）隙水赋存于砂岩的孔（裂）隙中，受到大气降水的补给，通过沟谷以及第四系孔隙潜水垂向渗入补给深层基岩裂（孔）隙或沿基岩面径流，砂岩的富水性质以及含水量在空间上存在着一定的差异性，其分布具有不均一性，表现为沟谷的局部地段砂岩含水偏高或地下水相对富集，采取工程措施的时候应分别对待，由此可见水文地质条件十分复杂。

2.2围岩软硬不均

第三系粉细砂岩地层受沉积环境的影响，在形成的过程中多为泥质弱胶结，泥质弱胶结的粉细砂岩强度较低，受扰动后结构极易破坏呈现砂状。

局部形成钙质半胶结或胶结的薄层或结核，分布规律性差。

2.3围岩易软化、掌子面的稳定性差

第三系粉细砂岩的成岩性差，泥质弱胶结，遇水或长时间暴露极易产生软化，施工扰动后会很快变成松散的砂状，隧道围岩的整体稳定性变差，拱部坍塌、掉块的现象普遍，中下台阶及侧墙的砂岩渗水后很快会达到饱和状态，发生塑性流变，局部地段会导致上台阶掌子面向下滑移或产生外挤的现象，基底表层受扰动后多呈现软弱状，围岩变形、收敛较大。

2.4涌水、涌砂现象

经现场调查分析，主要是由于在施做超前支护过程中震动大，拱部前方的砂岩受扰动后，岩体结构完全被破坏，形成松散的砂体，由于未受扰动的砂岩渗透系数小，周围的孔隙水不断向松散体方向汇集，很快使受扰动后的砂岩达到饱和的状态，并且产生液化，而且被封堵在掌子面的前方，当压力过大或掌子面的再次开挖时就会出现涌水、涌砂。

3、物理力学性质

3.1主要物理性质

根据钻孔及隧道开挖取样的颗粒分析及颗粒级配图（图1），第三系砂岩的颗粒组成主要以粉细粒为主，颗粒主要集中于0.075~0.25mm；

而桃树坪隧道的黏粒含量为0.53%~2.03%。

第三系砂岩的天然含水率为4%~10%，天然密度为1.882~2.113g/cm³

，颗粒的密度为2.599~2.648g/cm³

，比重为2.64~2.67，孔隙比为0.36~0.44,桃树坪隧道砂岩的渗透系数为1.198*10-5~7.58*10-5，隧道岩体的整体渗透性能较差。

图1颗粒粒径级配曲线

3.2砂岩强度特征

3.2.1抗剪强度

根据隧道第三系砂岩的直接剪切实验，砂岩的粘聚力值为14.21~99.38KPA,平均为56.79KPA,内摩擦角值为31.96度~46.29度。

如图2、图3。

Y=0.6589X-10.061

◆剪切强度KPA

—线性（剪切强度KPA）

图2T2抗剪强度曲线

Y=0.8919X-28.536

图3T4抗剪强度曲线

3.2.2抗压强度

第三系砂岩受沉积环境的影响，在形成过程中多是泥质弱胶结，并且成岩性差，天然的抗压强度也很低，一般小于1MPA;

在受扰动后或遇水渗透后极易软化的特征明显，其饱和的抗压强度无法通过室内实验测得；

局部夹有钙质胶结薄层或结核，天然抗压强度平均为2.47~7.58MPA，饱和抗压强度约为0.8~2.66MPA。

3.3隧道围岩含水率分析

第三系砂岩有着复杂的水稳特性，在含水率较低的情况下，砂岩颗粒受力平衡，处于稳定的状态，而当含水率逐渐上升时，砂岩的结构极易发生破坏，易发生塑性变形或流变，围岩的稳定性也会迅速变差，稳定性随含水率的变化和时间延续具有着显著变化的特点。

试验的研究表明，3~5小时为围岩开始塑性变形的临界时间点，7~10小时为围岩开始流变的临界时间点；

砂岩在发生塑性变形的含水率为12%~16%，并且发生流变的含水率为18%~19%；

当砂岩的含水率达到上述极限的时候，其稳定性会大大的降低，围岩也将发生变形，并且导致失稳；

超前的降水能够有效控制围岩含水率在5%~9%，低于围岩塑性变形的含水率，围岩是基本稳定的。

表明了通过超前的降水控制围岩的含水率以保持围岩的稳定性具有良好的效果。

3.3.1开挖面不同位置围岩含水率分析

在桃树坪隧道2#斜井X0+15段上，上台阶左侧在开挖后围岩含水率在0-5小时内变化得不明显，5小时后含水率急剧增大。

上台阶右侧在开挖后围岩含水率在0-5小时内没有太大的变化，在3-5小时内有下降的趋势，超过5小时后，围岩的含水率急剧增加。

中台阶中侧开挖后在0-4小时内围岩的含水率基本平稳，4小时后围岩的含水率开始急剧增加，7小时后达到最大。

（图4~图6）

图4上台阶右侧砂岩的含水率变化情况

图5上台阶左侧砂岩的含水率变化情况

图6中台阶中砂岩的含水率变化情况

3.3.2施工降水前后围岩含水率的变化研究

通过开挖的过程中采取砂岩测定含水率，绘制开挖过程中含水率随时间变化的曲线，初步分析了隧道在开挖过程中围岩稳定性与含水率的关系。

施工中砂岩含水率的变化，主要有以下三种：

3.3.2.1开挖前后均未降水

图7为桃树坪隧道1#斜井X0+45处开挖过程中砂岩的含水率变化曲线图。

此段的斜井在开挖过程中砂岩含水率的变化很大，开挖在0-2小时之间含水率较低，大约4%左右；

而在2小时的时候含水率开始快速向上攀升，大约3小时之后含水率达到了12%，砂岩这时候开始发生塑性变形，而围岩基本稳定；

在5小时后含水率将会继续的上升，变形开始加剧，大约10小时之后含水率为18%，这时候砂岩的稳定性大大降低，工程性质也迅速恶化，并且发生流变。

发生流变

发生塑性变形

图7桃树坪1#斜井X0+45下断面含水率变化曲线

3.3.2.2先开挖后降水

图8为桃树坪2#斜井X0+020段在开挖的过程中，其掌子面下断面中部砂岩的含水率与时间的关系。

分析可知，在0-2小时之间，砂岩含水率的增长速度是比较缓慢的；

在2小时的时候掌子面开始有水流渗进来，含水率这时候迅速增加；

而在4~5小时之后，砂岩的局部发生了塑性变形，台阶开始了失稳，这个时候随着时间的推移，砂岩的含水率不断向上攀升。

大约在6小时之后含水率达到了19%,基本达到了饱和状态，开始发生流变。

而随着降水工作的开展，砂岩的含水率将会逐渐下降，大约降水24个小时以后含水率将会达到10%左右，这个含水率的围岩是基本稳定的，可以开始施工开挖。

连续降水后开挖

发生塑性变形▔

图8桃树坪2#斜井X0+020下断面中部含水率变化曲线

3.3.2.3超前降水

图9为桃树坪2#斜井DK4+760段在开挖的过程中，分层超前降水，掌子面的上下断面砂岩含水率与时间的关系。

分析可知道，通过持续不断的降水，砂岩的含水率保持在5%左右，而且变化幅度不大，围岩是基本稳定的。

上断面

下断面

图9桃树坪2#斜井DK4+760上下断面含水率变化曲线

4、工程施工降水分析研究

第三系砂岩，成岩性差，泥质弱胶结。

在无地下水的地段，围岩的整体稳定性较好；

在含地下水的地段，砂岩遇水后结构迅速的被破坏，稳定性变得很差,并且极易产生变形，施工开挖后多呈现粉细沙状，地下水富集的地方围岩稳定性很差，收敛变形大，施工难度较大。

地下水对围岩稳定性的影响非常之大，所以很有必要对施工降水做分析研究。

4.1涌水的危害综述

第三系砂岩在开挖过程中结构极易发生破坏，有的时候发生涌水是不可避免的，对于软弱围岩而言，由涌水产生的问题有：

（1）围岩软化，强度降低

当有水入侵时，泥质黏粒崩解，使原有的联接变成水胶联结，导致矿物颗粒间的联结力减弱，摩擦力降低，并且产生润滑作用，使得岩石强度降低。

（2）伴随涌水，掌子面的稳定性降低

伴随涌水会使得围岩产生软化的现象，在裂隙发育的脆弱围岩跟土砂围岩中，涌水会使掌子面的稳定性降低，极易发生拱顶和掌子面崩塌。

（3）伴随涌水，隧道的支护质量降低

涌水使混凝土和围岩的附着性变差，锚杆的锚固材料易于流失，造成支护的质量降低。

（4）基底泥泞化

施工的过程中隧道底部的含水率较高，施工机械在场地的走行扰乱了基底，并且使之泥泞化，造成作业的工作效率和安全性降低。

泥泞化严重的区段会造成支护下沉等，对隧道的稳定性影响不容忽视。

（5）因地下水位的降低使地层下沉

地下水位的降低会使地层产生压密下沉。

也会对地表面的结构物产生有害的影响。

地下水位的降低比地表面下沉范围更广，不仅在隧道的周边，甚至离开数百米的位置，也会产生压密下沉。

（6）地下水位的降低造成井户、水窑枯竭

4.2涌水对策

隧道施工中最大难题就是对地下水的处理。

因此在遇到涌水场合，首先要考虑的就是“治水”。

涌水对策通常的来说包括两个方面，就是“堵”和“排”。

因此，两者的结合是治水的基本方法。

“排”是积极的降低地下水位的方法（排水工法）。

而“堵”是积极的降低地层渗透系数减少涌水的方法（止水工法）。

选定涌水对策时，要结合地下水排放的条件，以及对周边的环境和施工条件的影响等来选定。

其基本原则是，除维持掌子面自身的稳定外，还要创造一个良好的施工环境。

表1常用涌水对策和适用条件

分类

工法

适用条件

排水

重力排水

排水坑道

大量、高压、未固结围岩

排水钻孔

适用所