成都市含石膏及鈣芒硝鹽紅層主要工程地質問題及對策

江云 張小林 柴春陽

引用格式：江云，張小林，柴春陽.成都市含石膏及鈣芒硝鹽紅層主要工程地質問題及對策[J].國土資源導刊，2023，20（04）：66-71.

Reference format：Jiang Yun，Zhang Xiaolin，Chai Chunyang.Main engineering geological issues and countermeasures of red layer comprising gypsum and glauberite salt in Chengdu Sub-provincial city[J].Land & Resources Herald，2023，20（04）：66-71.

摘 要：本文全面總結成都市含石膏及鈣芒硝鹽紅層的主要工程地質問題，并提出開發利用對策。通過收集整理和深入研究現有成果，提出該紅層存在的主要工程地質問題：在雨水淋濾溶蝕作用下，硫酸鹽腐蝕鋼筋砼，并對地表水及地下水造成污染等。針對上述問題，本文提出了加強地質勘查及試驗工作、動態設計、信息化施工、對出現的溶孔與空洞及時進行充填注漿等工程措施處治，以及提高砼標號、采用抗酸腐蝕水泥防腐蝕、對抽取的地下水進行處理等一系列應對措施。

關鍵詞：石膏；鈣芒硝鹽；紅層；工程地質問題；成都市

中圖分類號：P642? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1672-5603（2023）01-66-06

Main Engineering Geological Issues and Countermeasures of Red Layer Comprising Gypsum and Glauberite Salt in Chengdu Sub-provincial Citu

Jiang Yun，Zhang Xiaolin，Chai Chunyang

（China Railway Eryuan Engineering Group Co.， LTD. Chengdu Sichuan 610031）

Abstract： This paper provides a comprehensive summary of the primary engineering geological problems related to the red layer comprising gypsum and glauberite salt in Chengdu City. Through an in-depth study and collection of research findings， the following problems have been identified： leaching corrosion caused by rainwater， sulfate-induced corrosion of reinforced concrete， and contamination of both surface and groundwater. To tackle these challenges， a set of corresponding measures is proposed. These include enhancing geological exploration and testing，dynamic design， information-based construction ，promptly addressing existing dissolution cavities through filling and grouting techniques， employing higher-grade concrete or acid-corrosion resistant cement to prevent corrosion， and implementing appropriate treatment methods for extracted groundwater.

Keywords： gypsum; glauberite salt; red layer; engineering geological problems; Chengdu prefecture

0 引言

近年來，隨著成都市經濟建設的快速發展，城市建設規模日益擴大，充分利用地下深部空間

成為必然，同時，經濟的發展也帶動建筑結構逐步向超高層發展，地基持力層已由砂卵石層延伸至紅層泥巖，并將逐步擴展至下部含石膏及鈣芒硝鹽紅層。深部工程施工改變了場地地下水的徑流條件，可能導致水巖作用加劇，環境水的腐蝕性發生顯著變化，并不斷對新建構筑物進行腐蝕從而引起環境水成分不斷變化，巖、水、構筑物之間不斷相互作用，最終達到新的平衡。本文從成都市含石膏及鈣芒硝鹽紅層分布特征及物理力學特性、地下水環境特征入手，探討了該地層主要工程地質問題，提出相應對策。

1 成都市白堊系含石膏及鈣芒硝鹽紅層分布特征及物理力學特性

成都市最常見的紅層軟巖為白堊系上統灌口組泥巖，組內石膏、鈣芒硝層及含石膏、鈣芒硝泥巖普遍存在。湖盆周圍的硫酸鹽等鹽類物源和干旱的氣候是石膏、鈣芒硝巖形成的兩個重要因素。四川盆地內石膏、鈣芒硝的成因主要有陸相沉積、湖相沉積、變質作用、熱液作用以及巖溶作用。其中陸相環境中形成的石膏、鈣芒硝往往與紅色或雜色陸源碎屑巖共生。石膏、鈣芒硝按其成因可分為原生和次生。原生石膏、鈣芒硝是指和紅色碎屑同時形成的化學沉積物，一般順層發育；次生石膏是指原生石膏溶解后，充填再結晶的產物，因此常呈網狀延伸或以陡傾形式存在。四川紅層石膏、鈣芒硝主要是原生膏鹽巖。石膏、鈣芒硝在地層中存在的形式多樣，可呈透鏡體狀、薄—厚層狀、亦可為夾層及條帶狀。

關于成都市地下空間膏鹽巖的分布規律，韓浩東[1]通過對鉆井資料的搜集，梳理了含膏巖層的分布規律如圖1所示。研究表明成都市域內含膏鹽泥巖地層主要分布于龍泉山以西地區，埋藏深度整體呈現“西深東淺、局部差異”的特征。在溫江區—郫都區—彭州市埋藏深度超過200 m；中心城區含膏巖泥巖埋藏深度為10～90 m，主要分布范圍為10～40 m。鈣芒硝巖則夾于含膏鹽泥巖內部，厚度約50～70 m。

郭麒麟等[2]研究揭示成都市新津攔河閘閘址區出露地層為白堊系上統灌口組（K2 g）的粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，含石膏，主要為石膏脈、石膏團塊、石膏斑點和少量薄層狀富集的石膏?；鶐r為白堊系上統灌口組（K2 g）地層，巖性為紫紅色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，以粉砂質泥巖為主，含石膏，主要為石膏脈、石膏團塊、石膏斑點和少量薄層狀富集的石膏。

本文團隊通過研究成都市地下空間中含膏巖層的分布及地質環境效應認為：成都市地面100 m深度內有膏巖分布的區域除西北部以外，基本覆蓋所有區域。研究區內因鉆孔均未揭穿含膏巖層，未能得出含膏巖層最大厚度。膏鹽含量在不同區域差別極大，總體為5%～85%；在含膏巖層上部含量較少，一般占比在5%～10%，溶蝕孔洞發育相對較少；在巖層下部含量較多，最高達85%，局部可見溶蝕孔洞大量發育。石膏呈斑點狀、條帶狀，薄層—中層狀構造，在整個含膏巖層內均有分布。鈣芒硝巖呈竹葉狀、團塊狀，中—厚層狀構造，局部分布，但其厚度相對較大，最大厚度可達10.3 m。成都市典型含膏巖層基本物理力學性質指標綜合統計如表1所示。

成都市地下空間中含膏泥巖的力學性質取決于膏鹽的含量，其力學參數變化范圍較大。隨著泥巖中石膏含量的增加，含膏泥巖單軸抗壓強度、抗剪強度隨之增大，其力學性質越接近于石膏巖，反之與普通泥巖無異。

李科學、陽凌峰等[4]對成都市南部含泥質石膏巖地層工程地質特性進行研究，初步厘清了該區域含泥質石膏的水理性、膨脹性、腐蝕性及相關力學性能。

由此可見：成都地區含石膏、鈣芒硝鹽地層中石膏、鈣芒硝鹽賦存形式多樣，含量變化大，一般5%～85%；石膏、鈣芒硝巖及含石膏、鈣芒硝鹽泥巖大量存在，巖體結構構造、巖石微觀結構多樣；物理力學性質指標變化范圍大。

2 成都市含石膏及鈣芒硝鹽地層地下水環境特征

對含石膏、鈣芒硝紅層研究離不開對地下水環境特征研究，而地下水環境因地形條件、地層巖性、水文地質條件、人類活動等因素影響而變得非常復雜。

華興國[5]通過對成都市紅層地下水水化學特征及污染成因研究認為：紅層地區地下水總體較貧乏，大部分地區系紅層裂隙水以及層間裂隙水，其次是砂巖裂隙水，少數出于泥巖層面或風化裂隙中，為上層滯水或潛水，局部具有承壓性，孔隙水主要賦存在少量的松散堆積砂礫石層中，而承壓水主要存在于砂巖夾層中。成都紅層地區淺層地下水的水化學類型以 HCO3-Ca 和 HCO3 -Ca·Mg 型水為主，也存在 HCO3·SO4 -Ca 及 HCO3·SO4 -Na 兩種水化學類型。

劉濤[6]研究表明在階地過渡段上，地形存在躍變陡坎，在地質歷史時期，河床下切，為區域侵蝕基準面，兩側階地地下水向河流排泄，其水力坡度大，滲流速度快，徑流條件好，引起石膏質巖的溶蝕，其溶解量、溶解速度增加，伴隨化學溶蝕作用，還發生機械掏蝕作用，這些地段溶蝕發育。

蘇培東［7］等研究認為：由于鈣芒硝泥巖埋藏較淺，地表一定深度內地下水循環交替活躍，水巖相互作用使地下水中溶解了豐富的礦物組分，已有資料顯示，成都市地下水水質類型屬 SO4-HCO3-Ca 和 SO4-Ca -K + Na 型水，礦化度 0.422 ～ 2.617 g/L；此外，局部鈣芒硝、硬石膏等礦物富集區地下水硫酸根超標，SO42- 離子濃度達 2 024 mg/L，對地下構筑物腐蝕性較強。

王維［8］等通過對成都市方正街地下水監測資料分析表明：地下水成分、水質隨時間不斷變化，城市化對地下水環境有較大影響。

綜上所述：成都紅層中地下水主要為靜止狀態，局部為動水狀態；不具或具微腐蝕，局部離子濃度較大，對地下構筑物腐蝕性較強；地下工程建設易改變徑流條件，產生動水條件；加速水巖作用，但這方面的研究工作不多，也不常深入；地下水環境隨時間及城市化進展而動態變化。本文認為可通過工程地質勘察有效判明紅層中地下水狀態，前瞻性地判斷地下工程建設對紅層中地下水條件的改變意義重大，應進行專項水文地質調查，結合場地水文地質條件、環境水水質分析及巖塊浸泡試驗等綜合評價場地環境水的腐蝕性。

3 成都市含石膏、鈣芒硝鹽紅層主要工程地質問題

成都地區含石膏、鈣芒硝紅層均不同程度產生溶蝕現象，表現為溶孔及空洞。由于紅層泥巖具有遇水軟化及崩解的特征，溶蝕空洞會進一步擴大，導致巖體結構失穩，造成工程隱患。一般而言溶孔分布深度較淺，空洞分布深度較深?？?/p>

洞的大小不一，主要直徑范圍在1.0～6.5 m，溶蝕水對鋼筋砼產生硫酸鹽腐蝕作用。

石膏質巖遇水產生溶蝕和重結晶現象，但溶蝕和重結晶的產生受諸多條件的影響，研究認為其影響因素主要有巖石介質條件（石膏質巖類型、含量、巖體結構類型）、水文條件（水流條件、溫度、壓力、與介質接觸狀況）。目前成都市石膏質水巖作用研究主要集中在水文條件上，所取巖樣僅代表局部區域，且均在實驗室內配制不同性質水溶液，模擬水流及環境條件（靜水、動水、水溫、水壓等）。鈣芒硝鹽與石膏質巖類似，均具化學鹽類溶蝕與再結晶特征。

劉濤［6］通過對成都地鐵石膏質巖環境水水化學特征分析認為：石膏質巖屬于中溶鹽，溶蝕主要受水溶液性質、水動力條件、溫度、壓力等因素制約，如在酸性溶液中溶蝕最快，在天然水中次之，在鹽溶液中溶蝕最小。當巖體中水循環較弱時，石膏質巖處于靜態溶蝕環境中，滲流通道的不發達，使溶蝕后地下水不能及時滲走，水溶液溶解離子接近飽和狀態；當巖體中水循環較強烈時，石膏質巖處于動態溶蝕環境中，溶蝕迅速，其溶解度在 38℃時最大，約 2.11 g/L。

邱恩喜、康景文等［9］針對成都地區紅層軟巖溶蝕空洞現象，以成都半島城邦項目場地的紅層軟巖為例，選取不同深度的巖樣進行室內浸水試驗、淋濾試驗和溶蝕試驗，研究結果表明：紅層軟巖中的石膏含量隨著深度的增加而增加，含膏紅層及其環境水的腐蝕性顯著增強；遇水后，紅層軟巖中的可溶成分逐漸溶解、流失，隨著時間的積累，紅層軟巖孔隙增大，滲透性增強，紅層的完整性喪失，強度衰減；在酸性環境水的作用下紅層軟巖中的鈣質膠結物流失加劇，結構連接破壞嚴重，對紅層的結構強度影響較大。紅層軟巖經硫酸溶液腐蝕后巖樣的結構被破壞，單軸抗壓強度從 8.5 MPa 降低到 2 MPa，降低了76%；波速明顯減小，從 2 204 m/s 減小至 1 355 m/s，減小了 40%；靜水條件下水巖作用持續進行溶蝕與結晶，動水條件下加劇了溶蝕與異地結晶。

徐文斌［10］對成都天府新區灌口組芒硝、石膏溶蝕規律進行研究，研究表明： 天府新區內灌口組地層在深度95～137 m范圍內芒硝礦含量最大，極易發生溶蝕；芒硝/石膏礦的溶蝕過程可分為三部分：低速期—加速期—平穩期；溶劑流速速率與溶蝕的速率呈正相關關系，且總是在48 h左右的時間段達到最大，溶蝕的最顯著加速期總在15～48 h之間；溫度對溶蝕有著持續的影響，其控制主要表現在溶蝕初期，高溫環境會縮短溶蝕進入加速期的進程，且溫度會影響溶蝕總量的變化。

盤惠林［11］對成都地區膏巖溶蝕及對地下建筑物混凝土基礎的影響進行研究，研究表明：地層中石膏溶解是一個先快后慢、先溶解后沉淀的過程，水巖反應初期石膏的溶蝕作用最強；隨著時間的推移，水中Ca2+與SO42-濃度的增大，使可逆反應速度加快，石膏溶蝕作用減弱，最后趨于飽和；溫度顯著影響石膏溶蝕過程，在研究區地層溫度區間內，石膏的溶蝕量與溶蝕速率與溫度呈正相關趨勢。50℃石膏的溶蝕量與溶蝕速率為15℃下的2.42～3.38倍；地下水流速對石膏的溶蝕作用影響顯著，在動態溶蝕過程中，水流的持續沖刷導致溶解反應達不到平衡狀態，同時，水流對巖石的沖刷作用還會引起巖樣表面機械侵蝕，溶蝕作用增強。高流速條件下，石膏的溶蝕量與溶蝕速率為靜水環境中的2.06～2.60倍；在研究區地層環境條件下，石膏溶解的主要控制作用為化學溶蝕，化學溶蝕占總溶蝕比例為83.20%～97.65%。相較于均質的石膏巖樣，非均質巖樣在高溫與高流速條件下受到的物理溶蝕作用更強?；炷猎诎讏紫倒嗫诮M地層水中的侵蝕程度大于在第四系地層水中的侵蝕程度。高濃度SO42-對混凝土的侵蝕作用更大，整體抗壓強度降低，嚴重影響混凝土的安全性；溫度的升高可增強地下水對于混凝土的侵蝕作用，降低混凝土的抗壓強度。在研究區地下水環境中，混凝土在相同侵蝕時間下抗壓強度的衰減率隨著溫度的升高不斷增大；地下水對混凝土的侵蝕過程是由外向內發生的，地下水中Ca2+與SO42-在混凝土的外部重結晶生成石膏，同時沿著裂縫向混凝土內部擴散，生成大量簇狀、圓環狀鈣礬石晶體；混凝土的侵蝕過程分為兩個時期：侵蝕初期，混凝土內部生成的鈣礬石未達到內部孔隙所能容納的最大體積，抗壓強度衰減幅度??；侵蝕后期，當生成鈣礬石的體積達到混凝土內部孔隙所能容納的最大體積時，混凝土材料逐漸膨脹開裂，抗壓強度大幅衰減。

中建西南勘察設計研究院有限公司、西南交通大學［12］ 通過模擬含膏礫巖（鈣芒硝巖）在環境水作用下的溶解、溶蝕浸泡試驗和浸泡前后巖石的單軸抗壓強度、彈性模量、波速、X 衍射、薄片鑒定、水質 PH 值、水質電導率等參數的測量與結果分析，研究鈣芒硝巖石在溫度、環境水的單獨作用和綜合作用下的強度衰減規律。

本文通過對成都市地下空間中含膏巖層的分布及地質環境效應研究，試驗結果表明，由于巖層中石膏、鈣芒硝含量不同，溶蝕作用面積大小不同。一般含膏量小，溶蝕作用的面積有限，且微溶于水，溶蝕速率較慢。而對于含鈣芒硝巖樣，鈣芒硝含量通常較高，溶蝕作用面積大，且鈣芒硝易溶于水，溶蝕速率快，浸泡后完全崩解。地下水中SO42-濃度較小時，隨著其濃度增大，對含膏巖層的溶蝕作用越強。本文初步探討了鐵及微生物對膏巖環境工程地質效應的影響。從試驗統計結果分析，在硫酸鈉溶液中加入鐵片后，總體符合隨硫酸根濃度增大，混凝土抗壓強度逐漸減小的規律。由于微生物的參與，使得SO42-更多地與鐵發生化學反應，從而降低了SO42-對混凝土的侵蝕作用。鑒于鐵及微生物使膏巖環境工程地質效應變得更復雜的現象，需進行更深入的研究，取得更多的研究數據。

李科學、陽凌峰等［4］闡述了對成都市南部含泥質石膏巖地層工程地質特性的認識。文章結合該區域工程地質情況，針對該區域基坑開挖出露的病害巖體—含泥質石膏巖進行研究，通過室內試驗，初步弄清了該區域含泥質石膏的水理性、膨脹性、腐蝕性及相關力學性能，對擬建筑物地基提出防治措施，為該區域全面認識該類特殊巖土提供了寶貴資料。

蘇培東等［13］提出：泥巖中的溶蝕孔隙可為淺層天然氣的富集提供條件。成都軌道交通 30 號線一期工程隧道鉆孔在進行淺層天然氣檢測研究時顯示 ，有害氣體濃度較高的鉆孔內，巖芯普遍含有一定的溶蝕性含膏鹽泥巖。通過對鉆孔不同深度進行分層檢測，驗證了溶蝕孔隙發育層位的孔內天然氣濃度通常比不發育層位更高的推論。

綜上所述，成都市含石膏、鈣芒硝鹽紅層在環境水作用下產生不同程度的水巖作用，這種作用受地層巖性、巖體結構構造、環境水狀況、水巖接觸情況、水溫、水壓等因素的影響。這種作用下產生的環境水對地下構筑物產生硫酸鹽腐蝕作用，地下水中Ca2+與SO42-在混凝土的外部重結晶作用下生成石膏，同時沿著裂縫向混凝土內部擴散，生成大量簇狀、圓環狀鈣礬石晶體，從而引起構筑物膨脹開裂，鋼筋裸露，導致鐵參與到環境水反應中。巖、水、構筑物之間不斷相互作用，最終達到新的平衡。由此產生的主要工程地質問題有：含石膏、鈣芒硝鹽紅層在雨水作用下發生淋濾溶蝕現象，表現為大量溶孔及空洞產生，對工程建設帶來安全隱患；環境水作用下硫酸鹽對鋼筋砼的腐蝕作用表現為鋼筋砼開裂膨脹等；工程建設中環境水的處置不當將產生地表水及地下水污染。

4 成都市含石膏、鈣芒硝鹽紅層地下空間開發利用的對策

（1）成都地區含石膏、鈣芒硝地層分布復雜，尚未全面清楚，紅層泥巖含石膏、鈣芒硝含量變化大，一般5～85%；石膏、鈣芒硝賦存形式多樣、巖體結構構造、巖石微觀結構多樣；物理力學性質指標變化范圍大。因此應加強地質勘查及試驗工作，查明場地工程地質條件，重點查明含石膏、鈣芒硝地層分布、巖體結構構造、物質成分、物理力學性質；查明擬作地基基礎或樁基持力層的巖土體特性。

（2）成都紅層中地下水主要為靜止狀態；不具或具微腐蝕，局部離子濃度較大，對地下構筑物腐蝕性較強；地下工程建設易改變徑流條件，產生動水條件；地下水環境隨時間及城市化進展而動態變化。不同場地水環境條件不同，應加強水文地質調查及水質分析工作，尤其是環境水的腐蝕性評價工作，不宜完全根據傳統取鉆孔水進行檢測化驗，前瞻性地評估地下工程建設的影響，結合巖塊浸泡試驗綜合評價環境水的腐蝕性。地下工程實施過程中應采取降低地下水水位或采用止水措施，雨季施工應加強防雨措施，避免大面積積水，工程實施后盡快對環境水實施封堵，盡量減少環境水與結構構造物的接觸，有效減少硫酸鹽的腐蝕性。地下工程建設易改變環境水文地質條件，有條件的區域應積極開展水文地質長期監測工作。

（3）成都地區含石膏、鈣芒硝地層巖性屬軟巖，水巖作用后易產生溶蝕現象，表現為溶孔及空洞，由于紅層泥巖具有遇水軟化及崩解，溶蝕空洞會進一步擴大，導致巖體結構失穩，造成工程隱患；環境水往往具硫酸鹽腐蝕性，因此在前期規劃、勘察設計及施工及運營維護過程中應重視含石膏、鈣芒硝紅層的地質環境效應和硫酸鹽腐蝕性問題。加強地基基礎、樁基礎的地質勘查及選型工作，設計的結構構造物可采用提高砼標號或采用抗酸腐蝕水泥等。對出現的溶孔與空洞及時進行充填、注漿等工程措施處治，有條件時對地下工程環境水及鋼筋砼的硫酸鹽腐蝕進行長期監測。

（4）鑒于成都地區含石膏、鈣芒硝紅層地層巖性、結構構造、環境水條件、溶蝕與硫酸鹽腐蝕復雜多變及巖土物理力學性質指標分散的特點，單靠地質調查與鉆探資料，難以反映全面的地質情況，應采用信息化施工，及時反饋現場地質條件，尤其與設計地質不符時，加強與業主、設計溝通，采用動態設計，及時核對現場地質條件，發現與原設計不符時，及時變更設計。

（5）地下空間開發利用中必然開挖大量含石膏及鈣芒硝鹽地層，若處治不當，在大氣降雨的淋濾作用下易產生地表水及地下水污染；若不慎將石膏及鈣芒硝當作砼骨料或填料則后果更為嚴重。因此必須規范管理，嚴禁開挖的石膏及鈣芒硝鹽紅層亂堆亂放及用作建筑材料。施工降水時抽取地下水也應注意防患環境污染，必要時對抽取的地下水進行處理。

（6）隨著成都市地下工程越來越多，政府部門對地下空間利用越來越重視，同時加強了對地下空間規劃、工程地質與水文地質、環境工程地質方面的科技攻關工作。含石膏及鈣芒硝鹽地層分布及物理力學特性第一手資料逐漸增多，但這些資料分散在不同部門不同單位。目前成都市白堊系含石膏及鈣芒硝鹽紅層區域分布特征尚不明確，物理力學特性與地層的石膏、鈣芒硝含量、巖石的微觀結構關系研究很少，宏觀上還很難有效地指導工程實際或規劃工作；石膏、鈣芒硝紅層地下水環境特征有了一定的成果，但地下空間開發如何改變和影響地下水環境特征、地下工程建設對地下水環境的長期效應缺乏研究；含石膏、鈣芒硝鹽紅層軟巖地質環境效應研究主要集中在水文條件上，巖樣均在具體工點取樣，代表性差，地下水環境也只是參考工點局部的水質分析報告，在實驗室內配制不同性質水溶液，模擬水流及環境條件（靜水、動水、水溫、水壓等）、巖性、微觀結構，對石膏、鈣芒硝紅層軟巖的環境工程地質效應的影響研究不夠。針對以上問題，綜合水文條件、巖石條件、工程環境條件，系統開展對石膏、鈣芒硝紅層軟巖的環境工程地質效應研究意義深遠。

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