TBM长隧洞新近系含水疏松砂岩冻结下的工程地质特性研究
（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州 730000）
作者简介：蒋勇 （1968—），本科，高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘察工作。
摘要：引洮工程7号隧洞在新近系临夏组含水疏松砂岩段采用TBM掘进时，TBM机严重受困不能掘进，开挖被迫采用围岩人工冻结法解困完成施工。为了实施围岩冻结法施工，工程针对7号隧洞新近系临夏组含水疏松砂岩进行了全面勘察试验研究工作。试验测试了疏松砂岩矿物成分、化学成分、扫描结构、颗粒组成及物理力学性质指标，同时进行了其冻结状态和解冻状态下的物理力学指标测试及冻胀、融沉等相关试验。研究揭示了疏松砂岩结构疏松内在原因及其物理力学特性，分析其工程地质性质恶劣的原因，判断其作为隧洞围岩时稳定性极差。通过施工验证了冷冻固结技术可以提高含水疏松砂岩开挖时强度，增强围岩稳定性，同时也是唯一有效的临时加固措施。事实说明围岩冻结法施工技术上是可行的，实践证明是成功的。
关键词：含水疏松砂岩 物理力学性质 涌砂 人工冻结 冻胀融沉
基金项目：国家重点研发计划项目资助 （2016YFC0401801）。
1 工程概况
引洮工程总干渠7号隧洞位于甘肃省渭源县境内。隧洞全长17.28km，最大埋深368m。隧洞穿越东峪沟—秦祁河之间黄土覆盖的低山丘陵区，布置于白垩系、新近系地层之中，属软岩、极软岩越岭长隧洞。隧洞地质条件极为复杂，是引洮一期工程控制性工程之一。
总干7号洞为直径5.75m的圆形隧洞，最大引水流量32m3/s，采用单护盾TBM施工，计划工期5年，2014年隧洞完工通水。7号隧洞在新近系疏松砂岩施工中，围岩发生多次涌砂灾害，造成TBM多次卡机、埋机事故，致使TBM因涌砂埋机受困，无法继续施工，为使TBM脱困继续施工，加快工程进度，确保施工安全，在TBM受困段采用了围岩人工冷冻技术。
2 总干渠7号隧洞新近系临夏组疏松砂岩成岩及分布规律
7号洞疏松砂岩分布于陇西—渭源中新生代盆地之中，为盆地新近系临夏组第二段岩性层。其由母岩风化剥蚀、迅速搬运堆积，在近地表成岩作用下，形成的一种弱胶结细粒砂岩层。疏松砂岩与砂质泥岩层交互沉积，厚度几十米到数百米不等，岩石成岩作用差，结构疏松，强度低，遇水软化快速崩解，饱水具砂土特性，工程地质性质恶劣，为总干7号洞不良围岩。
该疏松砂岩层在7号隧洞分布有7段，长度2651m/7段，占隧洞总长的15.3%，分布于隧洞冯家庄向斜核部及两翼地层中，地层受构造影响轻微，岩层倾角平缓，层中赋存地下水。
3 总干渠7号隧洞疏松砂岩物质组成及结构特征研究
3.1 矿物成分
经对比疏松砂岩和泥质粉砂岩粉末衍射矿物成分测试(XRD)，疏松砂岩矿物成分单一，主要以石英颗粒为主，黏土及钙质矿物含量很少(图1)。泥质粉砂岩则有少量黏土、钙质胶结物存在(图2)。缺少黏土及钙质矿物等具有胶结作用的矿物，是疏松砂岩特性的基础原因。
图1 疏松砂岩样
图2 泥质砂岩样
3.2 化学成分
根据能谱化学成分测试（EDS），化学成分以Si元素为主，其次为Ca、Fe、K、Al等（表1），疏松砂岩Ca元素含量为9.30%～10.8%，泥质粉砂岩Ca元素含量20.42%～34.27%。由表1显示：疏松砂岩Ca元素含量少，少钙质胶结物，是疏松砂岩特性的内在原因之一。
表1 EDS试验化学成分对比表%
续表
3.3 岩石结构特征
疏松砂岩结构特征从宏观及微观方面进行分析，宏观方面用电镜扫描研究颗粒的粒度特征，微观方面研究固体颗粒本身特征、排列方式、颗粒间的联结特征及孔隙特征等。
根据颗分试验(表2)，疏松砂岩中具有胶结作用的黏粒(＜0.005mm)含量为2.4%～7.9%，而泥质粉砂岩中黏粒含量为13.3%～33.7%，疏松砂岩黏粒含量明显小于泥质粉砂岩的黏粒含量，这是疏松砂岩泥质胶结差的基础，是疏松砂岩形成的内在因素之一。另外，从不均匀系数和曲率系数分析，疏松砂岩颗粒均匀程度好于泥质粉砂岩，颗粒相对均匀，级配不良，根据颗粒组成疏松砂岩可定名为粉细砂岩。
表2 颗分试验对比表
根据电镜扫描试验 （SEM）分析 （图3），疏松砂岩基本结构类型属于骨架状结构，颗粒大小主要集中在0.25～0.075mm，孔隙平均大小在820～6033μm2，孔隙面积占总面积百分数集中在6～19.2，细砂级组分含量较大，构成疏松砂岩的骨架，以石英颗粒为主，大小较均匀，具有一定的磨圆度，坚硬不易变形，颗粒间相互依靠支撑，稳定性较好。骨架颗粒自重远大于颗粒之间的分子引力，颗粒之间几乎没有联结，或者具有微弱联结，形成单粒结构，排列方式为紧密的单粒排列。骨架颗粒间孔隙较大，分布较均匀，孔隙内黏粒较少，黏粒呈薄膜状或星点状覆盖在颗粒表面，在砂粒接触处有少量黏粒，起着接触弱连接作用。另外，疏松砂岩冻结及解冻以后试样孔隙明显增大，说明人工冻结法施工会影响到试样微结构特征，可以使其孔隙加大。无论原状还是冻结、解冻状态疏松砂岩均属均匀松散的孔隙结构类型。
图3 隧洞疏松砂岩扫描电镜图片
4 总干渠7号隧洞疏松砂岩水文工程地质特性
4.1 岩体结构特征
7号洞疏松砂岩层受地质构造影响轻微，岩层产状平缓，断裂构造不发育，具厚层状结构，层面结合一般，岩体完整性程度较好，完整性系数0.7～0.8，岩体的纵波速度1690～1800m/s。
4.2 岩体力学特征
疏松砂岩属极软岩，单轴抗压强度一般小于1.0MPa，含水后均小于0.5MPa，岩体强度受含水量控制，含水量大于13%后，强度急剧下降，破坏形式为塑性变形下的剪切破坏。
4.3 岩体透水性
7号洞疏松砂岩渗透系数约2.6×10-5cm/s，具弱透水性，在新近系地层中属相对透水层，岩体赋存孔隙水，总体富水性不强，地下水呈层状分布，地下水位高出隧洞10～120m。经式Q=
（6S-M）估算，隧洞疏松砂岩段涌水量1.4～3.4L/min，地下水活动以滴渗水为主，局部线状流水。
5 隧洞疏松砂岩工程地质条件及工程地质问题
5.1 总干7号隧洞新近系临夏组疏松砂岩洞段的基本地质条件
总干7号洞地处渭源—陇西中新代坳陷盆地盆缘区。隧洞除进口段约2.3km布置于白垩系地层外，大部分洞段布置于新近系临夏组地层，其中临夏组疏松砂岩洞段有2651m/7段。
7号隧洞新近系临夏组地层地质构造简单，构造行迹以层间舒缓开阔式褶皱（冯家庄向斜）为主，断裂构造不发育。冯家庄向斜为基底盖层褶皱，发育于新近系临夏组N2l2疏松砂岩与砂质泥岩层交互沉积的地层，向斜轴向NW290°～320°，两翼岩层平缓，倾角8°～22°，岩层走向与7号洞夹角50°～80°。岩层发育裂隙两组，即：①NNW向组，产状60°～80°∠60°～85°，②NW向组，40°～60°∠55°～75°。裂隙间距1～2.0m，微张—闭合，延伸大于10m。
7号隧洞临夏组N2l2地层，为一套疏松砂岩与砂质泥岩层交互沉积的地层。地层砂质泥岩层透水性差，属相对隔水层；疏松砂岩多孔隙，具弱透水性，赋存基岩孔隙水，属含水层。受工程区气候环境、地形条件制约，疏松砂岩含水层富水性不强。含水层夹于砂质泥岩层之间，分布具多层结构的特点，具一定的承压性质。由于7号隧洞埋深低于区内地下水线，地下水位高出隧洞10～120m，因此，隧洞含水疏松砂岩段存在高低大小不一的地下水渗压。
5.2 总干7号隧洞新近系临夏组疏松砂岩围岩段的工程地质条件及工程地质问题
总干7号洞临夏组疏松砂岩洞段埋深150～360m。围岩构造不发育，具厚层—巨厚层结构；岩性软弱，单轴饱和抗压强度小于0.5MPa；赋存基岩孔隙水，地下水位高出隧洞10～120m，围岩属极不稳定的Ⅴ类围岩。开挖中，围岩不能自稳，掉块、坍塌严重；饱水（含水量大于14%时即处于饱和状态）、高地下水位洞段，围岩在地下水浸润及地下水渗流作用下，快速软化崩解，产生涌砂，随时间递进，涌砂越发加剧，人工开挖洞段涌砂填满巷道（图4），无法施工；TBM开挖段机械阻力变大，渣量倍增，导致卡机（图5）、埋机事故发生。
图4 隧洞人工开挖面涌砂
图5 隧洞TBM卡机
7号隧洞疏松砂岩成岩差，结构疏松，多孔隙，强度低，弱透水，遇水软化崩解，震动易液化，工程地质性质差，若饱水条件下，工程地质性质极为恶劣，作为隧洞围岩，开挖中极易产生涌砂地质灾害，属隧洞极端不良地质围岩，因此，地下水是导致7号隧洞疏松砂岩工程地质性质恶劣，是诱发隧洞围岩产生涌砂的主要原因，亦为 7号隧洞疏松砂岩段主要的工程地质问题。由于疏松砂岩透水性弱，持水性强，以目前技术手段无法解决围岩抽降水问题。
为解决疏松砂岩饱水洞段施工，7号洞对前期TBM发生涌砂洞段和已查明剩余饱水疏松砂岩洞段实施围岩冻结施工，冻结施工采用洞内水平冷冻和地表垂直冷冻两种方式。
6 隧洞疏松砂岩冷冻条件下的工程地质特性研究
6.1 疏松砂岩各条件下的物理力学性质试验研究
疏松砂岩原状样、冻结样、解冻样物理性质试验指标统计成果列于表3。原状试样12组，冻结和解冻试样24组；力学试验原状试样3组，冻结和解冻试样9组。
6.2 试验结果分析
（1）疏松砂岩冻结状态下，力学性质较天然状态发生明显变化，主要表现为：岩石抗剪强度增加，尤其是抗剪凝聚力增大幅度较大，压缩模量变大，强度增长明显，围岩稳定性大幅提高，且止水效果良好，能保证稳定安全施工。
表3 7号洞疏松砂岩原状样、冻结样、解冻样的物理性质试验成果表
（2）疏松砂岩解冻状态下，力学性质较天然状态、冻结状态有明显变差，主要表现为岩石抗剪强度降低，压缩模量变小；岩石密度变小，含水量增大，渗透性提高。说明疏松砂岩中的固态水通过消融再次转化为液态的水，围岩工程性质有恶化趋势。
（3）疏松砂岩融沉系数不大于1%，按照GB 50324—2001《冻土工程地质勘察规范》中多年冻土融沉性分类，融沉等级为Ⅰ级，融沉类别属不融沉，冻土类型为少冰冻土。
（4）疏松砂岩平均冻胀率不大于1%，按照GB 50324—2001中季节冻土与季节融化层土的冻胀性分类，其冻结等级为Ⅰ级，冻胀类别属不冻胀。
通过疏松砂岩冻融试验研究，结果分析认为：7号洞疏松砂岩冻结后岩石强度有明显提升，岩石冻胀变形不大，冻结期围岩可满足开挖施工期围岩的稳定；解冻后岩石强度降低，但岩体融沉变形不大，解冻后不会造成隧洞出现较大的沉降变形问题。
6.3 围岩冻结造孔施工对围岩影响的分析预测
（1）冻结孔密集布置对隧洞围岩结构扰动破坏很大，冻结孔周边岩体经扰动具有散体结构，因而造成隧洞围岩稳定性急剧降低。
（2）冻结孔造孔期间需消耗大量水，施工用水入渗围岩之中，对围岩有湿润、饱和作用，因而导致围岩性质急剧恶化。
（3）冻结孔造孔使地下水状态发生变化，冻结孔需打穿隔水层，不同层位地下水相互连通，使围岩透水能力加强，渗水量增加，水位抬升，形成大埋深静水头，导致隧洞外水压力增大。
6.4 冻结施工解冻期围岩变化
（1）围岩冻结使围岩孔隙、裂隙增大；围岩解冻则使围岩渗透性增强，并有地下水析出，岩石含水量变大，强度下降，在无侧限条件下，围岩呈流塑状，其工程地质特性似饱和砂土。
（2）围岩冻胀作用对隧洞初支、二衬混凝土有一定的影响，低温下混凝土强度将降低。
（3）围岩解冻后，围岩含水量增加，地下水可能沿衬砌管片接缝或其他部位渗出，洞底板可能产生因承载力不足而存在压缩变形问题。
考虑疏松砂岩冻结造孔期、解冻后岩石工程地质性质进一步恶化，以及解冻期低温对混凝土强度的不良影响，建议加强一次支护，稍滞后施做衬砌，并提高混凝土标号，做好止水。
6.5 冻结施工主要技术指标
人工冻结法施工共布孔5排，平均排距2.38m，边排孔孔距1.72m，中间排距2.65m，孔深180～230m（图6、图7）。
图6 7号隧洞冻结段工程地质纵断面图
图7 7号隧洞地表垂直冷冻段洞身纵向冻结孔布孔图
7号隧洞饱水疏松砂岩冷冻施工采用低温盐水对围岩进行循环冷冻，冻结围岩强度指标：单轴抗压3.6MPa，抗折2MPa，抗剪1.5MPa（-10℃）；冻结帷幕墙厚度2.5m（洞周边厚度），开挖时盐水温度降至-28℃，采用人工风镐撬挖施工，围岩进行钢拱架，双层钢筋网、喷射混凝土支护等强支护措施，二次支护采用C45现浇钢筋混凝土衬砌，围岩进行融沉补偿注浆处理。
7 结语
（1）新近系临夏组地层疏松砂岩是在特殊地质环境下，快速沉积成岩的一种弱胶结半成岩岩石，其广泛分布于甘肃中部中新生代坳陷盆地新近系地层之中。
（2）新近系临夏组疏松砂岩工程地质性质差，饱水时工程地质性质极为恶劣。作为隧洞围岩，围岩不能自稳，围岩饱水时，开挖中极易产生涌砂地质灾害，属极端不良地质围岩。隧洞采用常规方法及手段施工，施工极为困难，需采用其他辅助工法，对围岩进行补强。
（3）7号隧洞疏松砂岩饱水洞段采用了围岩冷冻补强技术措施施工。实践表明：饱水疏松砂岩人工冻结后，能提高围岩开挖时的稳定性，减少地下水带来的地质问题，确保隧洞正常施工，同时冻胀问题不明显，解冻后融沉变形较小，经补强灌浆，对隧洞运行无影响。
（4）新近系疏松砂岩在甘肃省水利工程、铁路工程（桃树坪隧洞、胡麻岭隧洞）中常有遇到，其恶劣工程地质性质总是困扰着工程的顺利实施。通过7号洞新近系疏松砂岩一些研究体会，意在供今后类似的工程地质条件下隧洞勘察、设计、施工中有借鉴与参考意义。
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