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2010年7月
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Jul .2010
收稿日期:2010-06-12
宜巴高速公路“灰包石”的研究与工程对策
傅克俭 刘 江 胡 恒
(湖北省宜巴高速公路建设指挥部 宜昌 443700)
摘 要 宜巴高速公路存在着一种俗称为“灰包石”的含石膏质岩的不良特殊岩土体，对高速公路的建设和运营有重大影响。通过对工程沿线灰包石成因分布的调查、理化特性及破坏机理的分析，结合国内同类项目的工程病害现状，提出了宜巴高速公路灰包石工程治理对策及进一步研究的方向。曹云金 发票
关键词 灰包石 石膏质岩 工程病害 治理对策
1 项目概要
宜巴高速公路是湖北省“六纵五横一环”公路
主骨架中黄梅至巴东“一横”的重要组成部分，也是沪蓉高速在湖北省西部最后开工的一段。宜昌至巴东高速公路项目起自宜昌市夷陵区，经宜昌市秭归县、兴山县，终点在巴东县，接重庆巫山至奉节高速公路，全长172.651km ，工程概算167亿元，是迄今湖北省造价最高、建设难度最大的高速公路项目。其中有桥梁69640.6m /138座，隧道59028.2m /39座，全线桥隧比为74.5%。 本项目地质条件复杂多变，不良地质种类繁多。其中一种当地俗称为“灰包石”的不良特殊岩土体，对高速公路的建设和运营有重大影响。 “灰包石”泛指含有一定量石膏(CaSO 4·2H 2O )或硬石膏(CaSO 4)成份的石膏质岩(当地俗称“灰包石”)，经长时间生物化学风化作用显现出灰黑，新鲜断面主要成灰、灰白，具细粒结晶粒状结构，断面可见薄的纹层状构造，加H Cl 不起泡，被当地居民普遍划定为病害岩体。2004年，原209国道十字垭隧道便在此工作区内建成通车，但随后该隧道便发生病害现象，路面隆起变形，二次衬砌边墙、拱墙裂损，并因渗水侵蚀混凝土，造成混凝土软化。部分村民采用该隧道弃渣(含石膏的角砾灰岩)建造房屋空心砖，几场大雨之后，空心砖膨胀，强度大大降低，最后村民被迫迁出房屋；利用隧道的弃渣填筑的地坪，出现了地坪上鼓的现象，以致地上小型结构物出现裂缝等破坏。宜巴高速拟在该工作区建谭家山隧道、凉水井隧道、花栎包隧道等工程，为确保工程顺利进行，预防、减少病害现象，迫切需要针对该区域广
泛出露的"灰包石"及其工程病害性进行研究。
从1978年开始，我国就针对成昆铁路百家岭隧道石膏岩系进行了室内重塑岩样膨胀性试验，并对比隧道衬砌支护膨胀变形监测数据，对石膏质岩系长期膨胀特性进行了简单预测。然而，由于定量研究成果少，同时缺乏系统地对整个地质结构和成因环境的理论分析，绝大多数工程设计施工所提出的治理意见偏重于针对含石膏质岩的某一特殊性质。因此，治理方法保守，长期治理效果并不显著。
针对工程沿线的这种特殊的不良特殊岩土对工程建设和运营的危害，结合目前研究和工程应用现状，宜巴项目中设置了“含石膏白云质灰岩(灰包石)对混凝土结构耐久性的影响及防治技术研究”课题，重点对其理化特性及其对工程的影响机理和防治对策开展研究。2 成因分布调查
石膏质岩是一种蒸发岩，生成于干旱或半干旱的气候条件下以及封闭或半封闭的沉积环境中，在世界上分布广泛。石膏质岩的成因涉及海相沉积、湖相沉积、变质作用、热液作用以及岩溶作用，其中陆相环境中形成的硬石膏和石膏质岩往往与红或杂陆源碎屑岩共生。宜巴项目所在地的鄂西及三峡地区系三叠系嘉陵江组与巴东组地层中分布的石膏角砾岩层及硬石膏岩等。 工作区主要出露石膏质岩地段为设计路线中K156～K160段内，代表性出露在十字垭隧道区域，与灰岩、白云质灰岩共生。主要造岩矿物为石膏，同时含有少量的滑石、闪石，新鲜断面呈灰、灰白，具细粒结晶粒状结构，断面可见薄的纹层状构造，加H Cl 不起泡，硬度为2～3，具三组互层垂直的解理，区内石膏质岩经化学风化作用主要
成灰黑。取该地区岩样，综合各种实验手段，分析得到岩样具有3%左右的膨胀率，其产生的膨胀力较大。同时，岩样石膏含量达到97%,SO3含量为40.85%，岩样溶水中含有腐蚀性酸根离子，其含量达到1185.4889mg/L，具有中等腐蚀性，推断其地下水溶液中腐蚀性酸根离子浓度将大于实验结果，其不仅对共生岩体———灰岩、白云岩具有腐蚀性，而且对混凝土结构具有腐蚀、破坏作用。
3 破坏作用机理分析
“灰包石”中含有大量对混凝土有害的石膏，不仅具有膨胀性的围岩遇水后产生压力致隧道基底及路面变形、衬砌混凝土开裂，而且作为集料对混凝土的凝固产生影响，使其强度大为降低，严重时会产生开裂、鼓出等病害。同时，地下水由于接触到可溶于水的石膏也会对混凝土具有一定的腐蚀性，从而对隧道、桥梁基础和边坡稳定造成极为不利的影响。其主要作用表现为膨胀作用和侵蚀作用。
研究表明，硬石膏吸水成石膏可能产生的石膏摩尔体积上升60%以上，石膏脱水成硬石膏摩尔体积的跌幅近40%，同时随着水动力、热量平衡的改变，硬石膏的膨胀曲线呈对数曲线趋势增长。这种体积显著影响量的变化并且可能影响岩石的应力状态，结果造成结构工程基底及路面变形、隧道衬砌混凝土开裂等工程危害。
遭受环境因素的侵蚀是导致混凝土材料与结构性能退化和服役寿命缩短的直接原因之一。根据硫酸盐来源，硫酸盐侵蚀分内部和外部侵蚀两种，根据其机理有钙矾石膨胀、石膏结晶膨胀与碳硫硅钙石溶石宜可>建设银行 网上银行
蚀-结晶型(TSA盐)3种腐蚀方式。 外部硫酸盐侵蚀是混凝土材料与结构受环境因素作用而发生损伤累积破坏的重要形式，其实质是外界环境中的SO42-逐渐渗透进入混凝土的孔隙内部，并与其中的某些组分发生化学反应，最后通过盐结晶作用，使反应前后的固相体积增大，从而产生膨胀内应力。当这种膨胀内应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土将产生开裂、剥落直至解体破坏，呈现出一种易碎的、松散的状态，在此过程中混凝土强度不断损失，性能逐渐退化。另外，混凝土在硫酸盐的侵蚀下，钙矾石、石膏以及碳硫硅钙石等物质的生成需要消耗水泥石中的水化产物Ca(OH)2，使混凝土碱度降低，碳硫硅钙石的生成还会使部分C—S—H胶体分解，将水泥硬化浆体变为一种无强度、无胶结能力的物质，最终导致结构物的破坏。 内部硫酸盐侵蚀产生延迟钙矾石的机理主要有两方面：一是混凝土中的钙矾石在70℃以上产生热分解而又在室温潮湿或有水的环境下重新形成钙矾石，另一是混凝土骨料中含有硫酸盐物质逐步溶解或吸附在C—S—H凝胶上的硫酸盐缓慢释放出来，与混凝土中的钙、铝成分反应形成钙矾石。由于上述2种钙矾石的形成均发生在混凝土完全硬化之后(延迟钙矾石DEF)，并且具有分布不均匀性，因此使混凝土体积产生不均匀膨胀，从而导致混凝土发生开裂、剥落破坏。
无论是内部硫酸盐侵蚀还是外部硫酸盐侵蚀，均要在有水的环境下才能形成，同时混凝土还要存在一定的渗透性或微裂纹，它们产生的钙矾石均是延迟钙矾石。
有你才有家所有演员表4 典型工程分析
湖北十字垭隧道位于209国道巴东县境内，隧道全长456m,2004年7月试通车后因隧道病害封闭至2007年6月。隧道场地地表为第四系粉质粘土(局部含碎石土)，以下为三叠系中统巴东组第二段粉砂质泥岩、泥岩及少量泥灰岩、粘土岩及巴东组第一段石灰岩、泥灰岩。
4.1 主要工程病害
十字垭隧道主要病害外观特征为：衬砌渗漏水，隧道拱部、边墙、工作缝多处出现渗水、滴水现象，局部干燥部位的衬砌表面有白结晶体析出；衬砌裂损，隧道二衬混凝土多处发育纵、斜向裂纹，部分拱腰两侧、拱顶裂纹发育在同一断面，局部拱顶混凝土发生掉块现象；路面开裂、隆起，局部地段路面混凝土隆起、开裂，最大路面隆起量达12.4cm，裂缝张开宽度已达2～4cm，多出现在左右路面板之间及路面混凝土与水沟墙的接触部位；混凝土软化，潮湿环境下局部混凝土受溶蚀后酥化、软化，强度损失严重或完全丧失强度；局部二衬大面积泛黑，多发生在仰拱、仰拱填充、水沟两侧及二衬表面等有渗滴水的区域。
4.2 病害分析炎亚纶汪东城事件始末
隧道病害发生后，施工单位多次对病害进行加固、注浆等处理措施，但效果并不明显。为查明隧道病害产生的真正原因，对隧道内地下水、衬砌背后围岩的膨胀性、混凝土骨料等进行了多项试验和检测。检测结果表明地下水对混凝土有一定的侵蚀作用；衬砌背后围岩存在一定的膨胀性; K1718+80～
491段衬砌中存在对混凝土有害的石膏等物质。隧道病害产生的原因如下:
(1)膨胀性围岩遇水后产生压力致隧道基底及路面变形、衬砌混凝土开裂。隧道洞身围岩为
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泥岩、泥质砂岩和含石膏的角砾灰岩，这些均属于常见的膨胀性围岩。膨胀性围岩在水的物理化学作用下体积增大，产生膨胀性围岩压力。由于膨胀岩具有吸水膨胀和失水收缩2种变形特征，雨季基底围岩吸水饱和后造成仰拱混凝土结构的上鼓变形，旱季时基底围岩失水后体积收缩，部分仰拱与路面因发生塑性变形过大而无法复位，形成仰拱及路面下空鼓。
(2)环境地下水对隧道衬砌混凝土的侵蚀作用。接触到可溶性石膏或其他硫酸盐的地下水而对混凝土产生了一定的腐蚀性。水的腐蚀作用随着时间延续，水量和水温随季节变化，其侵蚀性也呈现强弱交替，反复作用，导致初期支护混凝土强度逐渐降低，并最终失去承载能力；在隧道渗漏水及防水板破坏处，地下水的侵蚀影响范围逐步扩大到二次衬砌混凝土，影响程度越来越严重，直接导致隧道二衬混凝土结构的破坏。
(3)二次衬砌混凝土骨料中含有膨胀岩等有害物质。隧道K1718+180～+491段衬砌混凝土骨料采用了
含有石膏成分的隧道开挖洞渣(角砾灰岩，主要由石膏颗粒组成，少量为白云岩和以方解石为主的灰岩，其中的硫化物及硫酸盐含量为37.64%，远高于标准值1%)，石膏遇水软化、溶蚀、膨胀，导致混凝土开裂、疏松；骨料中超标准的硫化物和硫酸盐与水泥中的钙、铝组分发生作用，生成延迟钙矾石，发生体积膨胀，导致混凝土产生裂缝。
5 工程对策
通过对宜巴高速公路项目沿线的灰包石成因分布调查、理化成分与特性分析，以及对类似工程的病害调查与分析，提出了初期的工程对策。随着研究的深入，将进一步提出更为合理的优化措施。包括以下几个方面:
(1)由于区内石膏质岩不仅具有膨胀性，同时具有腐蚀性，因此，隧道开挖过程中应适当加强混凝土强度等级，同时，注意治水措施及效果，特别强调材料的防水和抗侵蚀性。建议结合区内凉水井、花栎包、谭家山隧道勘察资料，在这些隧道开挖过程中，及时分区段进行取样分析，防治石膏岩病害岩体对隧道工程的影响。
(2)研究区内可见第四系残坡积土充填岩石孔隙、裂隙现象明显，取土样分析表明，该土体普遍具有中等偏高的膨胀性，其蒙脱石、伊利石、高岭石等膨胀性矿物含量达到90%。隧道开挖施工过程中，应注意此类土体对隧道围岩洞室稳定性的影响。
(3)石膏岩作为混凝土骨料会导致混凝土产生内部硫酸盐侵蚀而形成延迟钙矾石膨胀破坏，因此不可用作碎石配制混凝土。
(4)由于“灰包石”及与其共生的白云岩、灰质白云岩均表现出良好的亲水性，因此，在进行隧道开挖等工程施工过程中，应注意提高混凝土抗渗要求。
(5)进一步研究隧道施工期石膏质岩鉴定方法和二次衬砌混凝土配制技术要求等。
提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能将从两方面着手：一是提高混凝土密实度和抗渗性，二是减少混凝土内部易与硫酸盐反应的水化产物。研究表明，矿物掺合料(包括粉煤灰、矿渣、硅灰)和外加剂(包括高效减水剂和膨胀剂)能有效提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。对此，提出的主要工程措施有:
(1)加强防排水：包括预注浆、衬砌前围岩注浆、回填注浆、衬砌内注浆、衬砌后围岩注浆等防水层。基础工程也可用夯实粘土层加以隔水、防水。排水包括引流排水、深沟排水、暗管排水等。
(2)降低环境水的侵蚀性。采用石灰层降低环境水的酸度，或利用非侵蚀性环境水与侵蚀性环境水河流，以稀释侵蚀性离子浓度等。同时采用换填土方式对高矿化度环境水通过更换大孔隙土，以破坏毛细管作用。
(3)其他工程或材料措施。包括在混凝土表面使用各种防护涂料设防护层；增加工程结构断面和增加
钢筋保护层厚度；研究专门的混凝土配合比，提高混凝土强度与抗渗等级、抗硫酸盐侵蚀性等。吴君如的老公
6 结语
2008年11月，湖北省交通运输厅领导在对本项目初步设计验收的会议中着重强调，要以“十字垭隧道”为鉴，高度重视本项目工程中的此类特殊性岩土。因此，对宜巴段高速公路工程勘察中发现的“灰包石”特殊岩土现象进行深入的调查，研究其对隧道的危害机理及对混凝土结构耐久性的影响程度，进而分析“灰包石”侵蚀作用下引起的混凝土性能劣化对隧道施工技术和病害发育的影响是一项非常重要的工作。通过研究提出桥梁基础与隧道衬砌混凝土的防腐设计与防护的工程措施，确保宜巴高速公路穿越“灰包石”路段结构物的建设质量与安全。
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