成都市含石膏及钙芒硝盐红层主要工程地质问题及对策

江云 张小林 柴春阳

引用格式：江云，张小林，柴春阳.成都市含石膏及钙芒硝盐红层主要工程地质问题及对策[J].国土资源导刊，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：本文全面總结成都市含石膏及钙芒硝盐红层的主要工程地质问题，并提出开发利用对策。通过收集整理和深入研究现有成果，提出该红层存在的主要工程地质问题：在雨水淋滤溶蚀作用下，硫酸盐腐蚀钢筋砼，并对地表水及地下水造成污染等。针对上述问题，本文提出了加强地质勘查及试验工作、动态设计、信息化施工、对出现的溶孔与空洞及时进行充填注浆等工程措施处治，以及提高砼标号、采用抗酸腐蚀水泥防腐蚀、对抽取的地下水进行处理等一系列应对措施。

关键词：石膏；
钙芒硝盐；
红层；
工程地质问题；
成都市

中图分类号：P642          文献标志码：A         文章编号：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

近年来，随着成都市经济建设的快速发展，城市建设规模日益扩大，充分利用地下深部空间

成为必然，同时，经济的发展也带动建筑结构逐步向超高层发展，地基持力层已由砂卵石层延伸至红层泥岩，并将逐步扩展至下部含石膏及钙芒硝盐红层。深部工程施工改变了场地地下水的径流条件，可能导致水岩作用加剧，环境水的腐蚀性发生显著变化，并不断对新建构筑物进行腐蚀从而引起环境水成分不断变化，岩、水、构筑物之间不断相互作用，最终达到新的平衡。本文从成都市含石膏及钙芒硝盐红层分布特征及物理力学特性、地下水环境特征入手，探讨了该地层主要工程地质问题，提出相应对策。

1 成都市白垩系含石膏及钙芒硝盐红层分布特征及物理力学特性

成都市最常见的红层软岩为白垩系上统灌口组泥岩，组内石膏、钙芒硝层及含石膏、钙芒硝泥岩普遍存在。湖盆周围的硫酸盐等盐类物源和干旱的气候是石膏、钙芒硝岩形成的两个重要因素。四川盆地内石膏、钙芒硝的成因主要有陆相沉积、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石膏、钙芒硝往往与红色或杂色陆源碎屑岩共生。石膏、钙芒硝按其成因可分为原生和次生。原生石膏、钙芒硝是指和红色碎屑同时形成的化学沉积物，一般顺层发育；
次生石膏是指原生石膏溶解后，充填再结晶的产物，因此常呈网状延伸或以陡倾形式存在。四川红层石膏、钙芒硝主要是原生膏盐岩。石膏、钙芒硝在地层中存在的形式多样，可呈透镜体状、薄—厚层状、亦可为夹层及条带状。

关于成都市地下空间膏盐岩的分布规律，韩浩东[1]通过对钻井资料的搜集，梳理了含膏岩层的分布规律如图1所示。研究表明成都市域内含膏盐泥岩地层主要分布于龙泉山以西地区，埋藏深度整体呈现“西深东浅、局部差异”的特征。在温江区—郫都区—彭州市埋藏深度超过200 m；
中心城区含膏岩泥岩埋藏深度为10～90 m，主要分布范围为10～40 m。钙芒硝岩则夹于含膏盐泥岩内部，厚度约50～70 m。

郭麒麟等[2]研究揭示成都市新津拦河闸闸址区出露地层为白垩系上统灌口组（K2 g）的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，含石膏，主要为石膏脉、石膏团块、石膏斑点和少量薄层状富集的石膏。基岩为白垩系上统灌口组（K2 g）地层，岩性为紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，以粉砂质泥岩为主，含石膏，主要为石膏脉、石膏团块、石膏斑点和少量薄层状富集的石膏。

本文团队通过研究成都市地下空间中含膏岩层的分布及地质环境效应认为：成都市地面100 m深度内有膏岩分布的区域除西北部以外，基本覆盖所有区域。研究区内因钻孔均未揭穿含膏岩层，未能得出含膏岩层最大厚度。膏盐含量在不同区域差别极大，总体为5%～85%；
在含膏岩层上部含量较少，一般占比在5%～10%，溶蚀孔洞发育相对较少；
在岩层下部含量较多，最高达85%，局部可见溶蚀孔洞大量发育。石膏呈斑点状、条带状，薄层—中层状构造，在整个含膏岩层内均有分布。钙芒硝岩呈竹叶状、团块状，中—厚层状构造，局部分布，但其厚度相对较大，最大厚度可达10.3 m。成都市典型含膏岩层基本物理力学性质指标综合统计如表1所示。

成都市地下空间中含膏泥岩的力学性质取决于膏盐的含量，其力学参数变化范围较大。随着泥岩中石膏含量的增加，含膏泥岩单轴抗压强度、抗剪强度随之增大，其力学性质越接近于石膏岩，反之与普通泥岩无异。

李科学、阳凌峰等[4]对成都市南部含泥质石膏岩地层工程地质特性进行研究，初步厘清了该区域含泥质石膏的水理性、膨胀性、腐蚀性及相关力学性能。

由此可见：成都地区含石膏、钙芒硝盐地层中石膏、钙芒硝盐赋存形式多样，含量变化大，一般5%～85%；
石膏、钙芒硝岩及含石膏、钙芒硝盐泥岩大量存在，岩体结构构造、岩石微观结构多样；
物理力学性质指标变化范围大。

2 成都市含石膏及钙芒硝盐地层地下水环境特征

对含石膏、钙芒硝红层研究离不开对地下水环境特征研究，而地下水环境因地形条件、地层岩性、水文地质条件、人类活动等因素影响而变得非常复杂。

华兴国[5]通过对成都市红层地下水水化学特征及污染成因研究认为：红层地区地下水总体较贫乏，大部分地区系红层裂隙水以及层间裂隙水，其次是砂岩裂隙水，少数出于泥岩层面或风化裂隙中，为上层滞水或潜水，局部具有承压性，孔隙水主要赋存在少量的松散堆积砂砾石层中，而承压水主要存在于砂岩夹层中。成都红层地区浅层地下水的水化学类型以 HCO3-Ca 和 HCO3 -Ca·Mg 型水为主，也存在 HCO3·SO4 -Ca 及 HCO3·SO4 -Na 两种水化学类型。

刘涛[6]研究表明在阶地过渡段上，地形存在跃变陡坎，在地质历史时期，河床下切，为区域侵蚀基准面，两侧阶地地下水向河流排泄，其水力坡度大，渗流速度快，径流条件好，引起石膏质岩的溶蚀，其溶解量、溶解速度增加，伴随化学溶蚀作用，还发生机械掏蚀作用，这些地段溶蚀发育。

苏培东［7］等研究认为：由于钙芒硝泥岩埋藏较浅，地表一定深度内地下水循环交替活跃，水岩相互作用使地下水中溶解了丰富的矿物组分，已有资料显示，成都市地下水水质类型属 SO4-HCO3-Ca 和 SO4-Ca -K + Na 型水，矿化度 0.422 ～ 2.617 g/L；
此外，局部钙芒硝、硬石膏等矿物富集区地下水硫酸根超标，SO42- 离子浓度达 2 024 mg/L，对地下构筑物腐蚀性较强。

王维［8］等通过对成都市方正街地下水监测资料分析表明：地下水成分、水质随时间不断变化，城市化对地下水环境有较大影响。

综上所述：成都红层中地下水主要为静止状态，局部为动水状态；
不具或具微腐蚀，局部离子浓度较大，对地下构筑物腐蚀性较强；
地下工程建设易改变径流条件，产生动水条件；
加速水岩作用，但这方面的研究工作不多，也不常深入；
地下水环境随时间及城市化进展而动态变化。本文认为可通过工程地质勘察有效判明红层中地下水状态，前瞻性地判断地下工程建设对红层中地下水条件的改变意义重大，应进行专项水文地质调查，结合场地水文地质条件、环境水水质分析及岩块浸泡试验等综合评价场地环境水的腐蚀性。

3 成都市含石膏、钙芒硝盐红层主要工程地质问题

成都地区含石膏、钙芒硝红层均不同程度产生溶蚀现象，表现为溶孔及空洞。由于红层泥岩具有遇水软化及崩解的特征，溶蚀空洞会进一步扩大，导致岩体结构失稳，造成工程隐患。一般而言溶孔分布深度较浅，空洞分布深度较深。空

洞的大小不一，主要直径范围在1.0～6.5 m，溶蚀水对钢筋砼产生硫酸盐腐蚀作用。

石膏质岩遇水产生溶蚀和重结晶现象，但溶蚀和重结晶的产生受诸多条件的影响，研究认为其影响因素主要有岩石介质条件（石膏质岩类型、含量、岩体结构类型）、水文条件（水流条件、温度、压力、与介质接触状况）。目前成都市石膏质水岩作用研究主要集中在水文条件上，所取岩样仅代表局部区域，且均在实验室内配制不同性质水溶液，模拟水流及环境条件（静水、动水、水温、水压等）。钙芒硝盐与石膏质岩类似，均具化学盐类溶蚀与再结晶特征。

刘涛［6］通过对成都地铁石膏质岩环境水水化学特征分析认为：石膏质岩属于中溶盐，溶蚀主要受水溶液性質、水动力条件、温度、压力等因素制约，如在酸性溶液中溶蚀最快，在天然水中次之，在盐溶液中溶蚀最小。当岩体中水循环较弱时，石膏质岩处于静态溶蚀环境中，渗流通道的不发达，使溶蚀后地下水不能及时渗走，水溶液溶解离子接近饱和状态；
当岩体中水循环较强烈时，石膏质岩处于动态溶蚀环境中，溶蚀迅速，其溶解度在 38℃时最大，约 2.11 g/L。

邱恩喜、康景文等［9］针对成都地区红层软岩溶蚀空洞现象，以成都半岛城邦项目场地的红层软岩为例，选取不同深度的岩样进行室内浸水试验、淋滤试验和溶蚀试验，研究结果表明：红层软岩中的石膏含量随着深度的增加而增加，含膏红层及其环境水的腐蚀性显著增强；
遇水后，红层软岩中的可溶成分逐渐溶解、流失，随着时间的积累，红层软岩孔隙增大，渗透性增强，红层的完整性丧失，强度衰减；
在酸性环境水的作用下红层软岩中的钙质胶结物流失加剧，结构连接破坏严重，对红层的结构强度影响较大。红层软岩经硫酸溶液腐蚀后岩样的结构被破坏，单轴抗压强度从 8.5 MPa 降低到 2 MPa，降低了76%；
波速明显减小，从 2 204 m/s 减小至 1 355 m/s，减小了 40%；
静水条件下水岩作用持续进行溶蚀与结晶，动水条件下加剧了溶蚀与异地结晶。

徐文斌［10］对成都天府新区灌口组芒硝、石膏溶蚀规律进行研究，研究表明：
天府新区内灌口组地层在深度95～137 m范围内芒硝矿含量最大，极易发生溶蚀；
芒硝/石膏矿的溶蚀过程可分为三部分：低速期—加速期—平稳期；
溶剂流速速率与溶蚀的速率呈正相关关系，且总是在48 h左右的时间段达到最大，溶蚀的最显著加速期总在15～48 h之间；
温度对溶蚀有着持续的影响，其控制主要表现在溶蚀初期，高温环境会缩短溶蚀进入加速期的进程，且温度会影响溶蚀总量的变化。

盘惠林［11］对成都地区膏岩溶蚀及对地下建筑物混凝土基础的影响进行研究，研究表明：地层中石膏溶解是一个先快后慢、先溶解后沉淀的过程，水岩反应初期石膏的溶蚀作用最强；
随着时间的推移，水中Ca2+与SO42-浓度的增大，使可逆反应速度加快，石膏溶蚀作用减弱，最后趋于饱和；
温度显著影响石膏溶蚀过程，在研究区地层温度区间内，石膏的溶蚀量与溶蚀速率与温度呈正相关趋势。50℃石膏的溶蚀量与溶蚀速率为15℃下的2.42～3.38倍；
地下水流速对石膏的溶蚀作用影响显著，在动态溶蚀过程中，水流的持续冲刷导致溶解反应达不到平衡状态，同时，水流对岩石的冲刷作用还会引起岩样表面机械侵蚀，溶蚀作用增强。高流速条件下，石膏的溶蚀量与溶蚀速率为静水环境中的2.06～2.60倍；
在研究区地层环境条件下，石膏溶解的主要控制作用为化学溶蚀，化学溶蚀占总溶蚀比例为83.20%～97.65%。相较于均质的石膏岩样，非均质岩样在高温与高流速条件下受到的物理溶蚀作用更强。混凝土在白垩系灌口组地层水中的侵蚀程度大于在第四系地层水中的侵蚀程度。高浓度SO42-对混凝土的侵蚀作用更大，整体抗压强度降低，严重影响混凝土的安全性；
温度的升高可增强地下水对于混凝土的侵蚀作用，降低混凝土的抗压强度。在研究区地下水环境中，混凝土在相同侵蚀时间下抗压强度的衰减率随着温度的升高不断增大；
地下水对混凝土的侵蚀过程是由外向内发生的，地下水中Ca2+与SO42-在混凝土的外部重结晶生成石膏，同时沿着裂缝向混凝土内部扩散，生成大量簇状、圆环状钙矾石晶体；
混凝土的侵蚀过程分为两个时期：侵蚀初期，混凝土内部生成的钙矾石未达到内部孔隙所能容纳的最大体积，抗压强度衰减幅度小；
侵蚀后期，当生成钙矾石的体积达到混凝土内部孔隙所能容纳的最大体积时，混凝土材料逐渐膨胀开裂，抗压强度大幅衰减。

中建西南勘察设计研究院有限公司、西南交通大学［12］ 通过模拟含膏砾岩（钙芒硝岩）在环境水作用下的溶解、溶蚀浸泡试验和浸泡前后岩石的单轴抗压强度、弹性模量、波速、X 衍射、薄片鉴定、水质 PH 值、水质电导率等参数的测量与结果分析，研究钙芒硝岩石在温度、环境水的单独作用和综合作用下的强度衰减规律。

本文通过对成都市地下空间中含膏岩层的分布及地质环境效应研究，试验结果表明，由于岩层中石膏、钙芒硝含量不同，溶蚀作用面积大小不同。一般含膏量小，溶蚀作用的面积有限，且微溶于水，溶蚀速率较慢。而对于含钙芒硝岩样，钙芒硝含量通常较高，溶蚀作用面积大，且钙芒硝易溶于水，溶蚀速率快，浸泡后完全崩解。地下水中SO42-浓度较小时，随着其浓度增大，对含膏岩层的溶蚀作用越强。本文初步探讨了铁及微生物对膏岩环境工程地质效应的影响。从试验统计结果分析，在硫酸钠溶液中加入铁片后，总体符合随硫酸根浓度增大，混凝土抗压强度逐渐减小的规律。由于微生物的参与，使得SO42-更多地与铁发生化学反应，从而降低了SO42-对混凝土的侵蚀作用。鉴于铁及微生物使膏岩环境工程地质效应变得更复杂的现象，需进行更深入的研究，取得更多的研究数据。

李科学、阳凌峰等［4］阐述了对成都市南部含泥质石膏岩地层工程地质特性的认识。文章结合该区域工程地质情况，针对该区域基坑开挖出露的病害岩体—含泥质石膏岩进行研究，通过室内试验，初步弄清了该区域含泥质石膏的水理性、膨胀性、腐蚀性及相关力学性能，对拟建筑物地基提出防治措施，为该区域全面认识该类特殊岩土提供了宝贵资料。

苏培东等［13］提出：泥岩中的溶蚀孔隙可为浅层天然气的富集提供条件。成都轨道交通 30 号线一期工程隧道钻孔在进行浅层天然气检测研究时显示 ，有害气体浓度较高的钻孔内，岩芯普遍含有一定的溶蚀性含膏盐泥岩。通过对钻孔不同深度进行分层检测，验证了溶蚀孔隙发育层位的孔内天然气浓度通常比不发育层位更高的推论。

综上所述，成都市含石膏、钙芒硝盐红层在环境水作用下产生不同程度的水岩作用，这种作用受地层岩性、岩体结构构造、环境水状况、水岩接触情况、水温、水压等因素的影响。这种作用下产生的环境水对地下构筑物产生硫酸盐腐蚀作用，地下水中Ca2+与SO42-在混凝土的外部重结晶作用下生成石膏，同时沿着裂缝向混凝土内部扩散，生成大量簇状、圆环状钙矾石晶体，从而引起构筑物膨脹开裂，钢筋裸露，导致铁参与到环境水反应中。岩、水、构筑物之间不断相互作用，最终达到新的平衡。由此产生的主要工程地质问题有：含石膏、钙芒硝盐红层在雨水作用下发生淋滤溶蚀现象，表现为大量溶孔及空洞产生，对工程建设带来安全隐患；
环境水作用下硫酸盐对钢筋砼的腐蚀作用表现为钢筋砼开裂膨胀等；
工程建设中环境水的处置不当将产生地表水及地下水污染。

4 成都市含石膏、钙芒硝盐红层地下空间开发利用的对策

（1）成都地区含石膏、钙芒硝地层分布复杂，尚未全面清楚，红层泥岩含石膏、钙芒硝含量变化大，一般5～85%；
石膏、钙芒硝赋存形式多样、岩体结构构造、岩石微观结构多样；
物理力学性质指标变化范围大。因此应加强地质勘查及试验工作，查明场地工程地质条件，重点查明含石膏、钙芒硝地层分布、岩体结构构造、物质成分、物理力学性质；
查明拟作地基基础或桩基持力层的岩土体特性。

（2）成都红层中地下水主要为静止状态；
不具或具微腐蚀，局部离子浓度较大，对地下构筑物腐蚀性较强；
地下工程建设易改变径流条件，产生动水条件；
地下水环境随时间及城市化进展而动态变化。不同场地水环境条件不同，应加强水文地质调查及水质分析工作，尤其是环境水的腐蚀性评价工作，不宜完全根据传统取钻孔水进行检测化验，前瞻性地评估地下工程建设的影响，结合岩块浸泡试验综合评价环境水的腐蚀性。地下工程实施过程中应采取降低地下水水位或采用止水措施，雨季施工应加强防雨措施，避免大面积积水，工程实施后尽快对环境水实施封堵，尽量减少环境水与结构构造物的接触，有效减少硫酸盐的腐蚀性。地下工程建设易改变环境水文地质条件，有条件的区域应积极开展水文地质长期监测工作。

（3）成都地区含石膏、钙芒硝地层岩性属软岩，水岩作用后易产生溶蚀现象，表现为溶孔及空洞，由于红层泥岩具有遇水软化及崩解，溶蚀空洞会进一步扩大，导致岩体结构失稳，造成工程隐患；
环境水往往具硫酸盐腐蚀性，因此在前期规划、勘察设计及施工及运营维护过程中应重视含石膏、钙芒硝红层的地质环境效应和硫酸盐腐蚀性问题。加强地基基础、桩基础的地质勘查及选型工作，设计的结构构造物可采用提高砼标号或采用抗酸腐蝕水泥等。对出现的溶孔与空洞及时进行充填、注浆等工程措施处治，有条件时对地下工程环境水及钢筋砼的硫酸盐腐蚀进行长期监测。

（4）鉴于成都地区含石膏、钙芒硝红层地层岩性、结构构造、环境水条件、溶蚀与硫酸盐腐蚀复杂多变及岩土物理力学性质指标分散的特点，单靠地质调查与钻探资料，难以反映全面的地质情况，应采用信息化施工，及时反馈现场地质条件，尤其与设计地质不符时，加强与业主、设计沟通，采用动态设计，及时核对现场地质条件，发现与原设计不符时，及时变更设计。

（5）地下空间开发利用中必然开挖大量含石膏及钙芒硝盐地层，若处治不当，在大气降雨的淋滤作用下易产生地表水及地下水污染；
若不慎将石膏及钙芒硝当作砼骨料或填料则后果更为严重。因此必须规范管理，严禁开挖的石膏及钙芒硝盐红层乱堆乱放及用作建筑材料。施工降水时抽取地下水也应注意防患环境污染，必要时对抽取的地下水进行处理。

（6）随着成都市地下工程越来越多，政府部门对地下空间利用越来越重视，同时加强了对地下空间规划、工程地质与水文地质、环境工程地质方面的科技攻关工作。含石膏及钙芒硝盐地层分布及物理力学特性第一手资料逐渐增多，但这些资料分散在不同部门不同单位。目前成都市白垩系含石膏及钙芒硝盐红层区域分布特征尚不明确，物理力学特性与地层的石膏、钙芒硝含量、岩石的微观结构关系研究很少，宏观上还很难有效地指导工程实际或规划工作；
石膏、钙芒硝红层地下水环境特征有了一定的成果，但地下空间开发如何改变和影响地下水环境特征、地下工程建设对地下水环境的长期效应缺乏研究；
含石膏、钙芒硝盐红层软岩地质环境效应研究主要集中在水文条件上，岩样均在具体工点取样，代表性差，地下水环境也只是参考工点局部的水质分析报告，在实验室内配制不同性质水溶液，模拟水流及环境条件（静水、动水、水温、水压等）、岩性、微观结构，对石膏、钙芒硝红层软岩的环境工程地质效应的影响研究不够。针对以上问题，综合水文条件、岩石条件、工程环境条件，系统开展对石膏、钙芒硝红层软岩的环境工程地质效应研究意义深远。

参考文献/References

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