蘭渝鐵路胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖蠕變特性試驗(yàn)研究

陳德彪

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司礦業(yè)公司，北京 100161)

0 引言

蘭渝鐵路胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖在富水情況下修建難度較大，國內(nèi)外專家、學(xué)者曾多次現(xiàn)場考察并進(jìn)行專題論證，確定為“國內(nèi)罕見、世界性難題”。針對軟巖抗壓強(qiáng)度較低、蠕變變形量較大和容易引起隧道失穩(wěn)和破壞的特性，相關(guān)文獻(xiàn)均有研究。文獻(xiàn)［1－2］對飽水與干燥狀態(tài)下的砂巖、灰?guī)r和頁巖進(jìn)行了剪切蠕變實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了含水率對巖石蠕變特性影響的相似性;文獻(xiàn)［3－4］在理論上采用開爾文體及克體相結(jié)合，衍生出一種新的復(fù)合元件流變本構(gòu)模型，研究復(fù)雜條件下節(jié)理軟巖的蠕變變形，文獻(xiàn)［5］利用解析的方法，以平面應(yīng)變模型分析了流變特性在隧道開挖過程中空間效應(yīng)的影響，推演了靜水壓力作用下圓形洞室圍巖以及圍巖與支護(hù)間接觸應(yīng)力的時(shí)效規(guī)律;文獻(xiàn)［6］推導(dǎo)了H－K體的松與弛蠕變，在前人彈性支護(hù)和圍巖的粘彈性應(yīng)力解的基礎(chǔ)上，得到了支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖上的荷載分布形式與變化規(guī)律;文獻(xiàn)［7］給出了滿足Maxwell體模型的圍巖在雙向等壓荷載作用下平面中圓孔半徑任意擴(kuò)展時(shí)的蠕變和松弛規(guī)律;文獻(xiàn)［8］在Kelvin－Voigt流變模型的基礎(chǔ)上，研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)的時(shí)效特性，并提出要建立在考慮支護(hù)體系流變特性情況下的時(shí)效可靠性的定義;文獻(xiàn)［9］利用非線性蠕變模型，對圓形洞室圍巖應(yīng)力松弛效應(yīng)進(jìn)行了理論研究;文獻(xiàn)［10］在地下工程軟巖流變分析過程中引入西原模型，得出該方法具有較高的可行性和可靠性;文獻(xiàn)［11］基于現(xiàn)場模型洞開挖位移監(jiān)測結(jié)果，運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)－神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)－遺傳算法方法進(jìn)行了反演分析，得到該區(qū)軟巖的流變參數(shù)，并用后驗(yàn)差方法對反分析結(jié)果進(jìn)行了評價(jià);文獻(xiàn)［12］將隧道現(xiàn)場監(jiān)測得到的變形與時(shí)間關(guān)系作為研究依據(jù)，通過位移反分析的方法，得到了隧道圍巖中對流變比較敏感的參數(shù)值，在此基礎(chǔ)上對流變模型進(jìn)行優(yōu)化和選取，為隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定性的理論分析與數(shù)值計(jì)算提供合理的本構(gòu)模型和模型參數(shù)。

通過以上文獻(xiàn)可以看出，現(xiàn)階段對富水若成砂巖的蠕變試驗(yàn)尚未研究。為解決胡麻嶺隧道施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度問題，本文結(jié)合以前的研究思路，對胡麻嶺隧道富水弱成砂巖展開蠕變特性等基礎(chǔ)工作的研究。

1 胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖的工程特性

胡麻嶺隧道全長13 611 m，原設(shè)計(jì)4座斜井，是蘭渝鐵路的控制性工程。該隧道位于甘肅省蘭州市、定西市境內(nèi)，設(shè)計(jì)為客貨共線雙線隧道，開通時(shí)速為160 km/h。該隧道原設(shè)計(jì)穿越地層以泥巖和砂巖為主，施工揭示判定正洞3 250 m(DK76+350～DK79+600)為第三系富水粉細(xì)砂、泥質(zhì)弱膠結(jié)，為VI級圍巖。該隧道3#斜井自2009年7月受到弱膠結(jié)飽和粉細(xì)砂影響，平均月進(jìn)度11 m;4#斜井自2009年9月受到水害影響，平均月進(jìn)度9 m。施工安全和質(zhì)量沒有保證，工期嚴(yán)重滯后。

胡麻嶺隧道弱成砂巖段自遇水害后，工程特性為:圍巖開挖后呈汗?fàn)顫B水，且快速軟化;地層中存在水囊，有時(shí)形成突水涌砂;飽和粉細(xì)砂在施工過程中受機(jī)械和人員的擾動，圍巖有液化現(xiàn)象;在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)塌方和變形現(xiàn)象，斜井二次襯砌施工后局部段還存在整體沉降現(xiàn)象。施工中典型現(xiàn)象如圖1和圖2所示。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)儀器

在儀器選擇上，傳統(tǒng)的五連壓縮儀荷載輸出大，它適用于硬巖(或混凝土)的蠕變試驗(yàn)。對于粉細(xì)砂土試件，它難以達(dá)到小應(yīng)力加載試驗(yàn)的精確性。

本次試驗(yàn)采用杠桿式流變儀進(jìn)行，主要應(yīng)用杠桿原理實(shí)現(xiàn)加載放大。杠桿式流變儀雖然應(yīng)力控制精確，但沒有應(yīng)變記錄裝置，并且原壓縮儀主要是針對直徑為3 cm的土樣在圍壓作用下的流變試驗(yàn)，故在本試驗(yàn)之前，還需對杠桿式流變儀進(jìn)行相應(yīng)的改造。胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖蠕變特性試驗(yàn)采用改制的杠桿式流變儀(見圖3)進(jìn)行，同時(shí)為適應(yīng)本試驗(yàn)較大加載應(yīng)力的要求，在儀器底座處設(shè)置一圓柱形基座，能使底座牢固并起到抬高試件的作用。頂部設(shè)置一加載壓頭，能通過螺栓與荷載傳動架牢固固定。

圖3 流變壓縮儀工作示意圖Fig.3 Sketch of rheometer

2.2 取樣

第三系弱成砂巖泥質(zhì)弱膠結(jié)，基本上不宜成樣，為得到具有代表性的樣品首先挖出一個(gè)工作平臺，切出一個(gè)約50 cm×30 cm×40 cm(長×寬×高)的長方體土體，接著再用削土刀把土體切成小的圓柱狀(直徑12 cm，高25 cm)。取樣過程如圖4和圖5所示。

圖4 切取長方體土體Fig.4 Cubic soil sample taking

2.3 加載過程

胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖蠕變特性試驗(yàn)將試件分為5個(gè)含水量等級，對每個(gè)含水量等級分別進(jìn)行4個(gè)應(yīng)力等級的流變試驗(yàn)。各含水等級試件蠕變試驗(yàn)加載應(yīng)力如表1所示。

圖5 削成圓柱狀的土體Fig.5 Cylinderical soil sample taking

表1 各含水等級試件蠕變試驗(yàn)加載應(yīng)力Table 1 Loading on creep testing samples with different water content rates

3 試驗(yàn)結(jié)果

胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖蠕變特性試驗(yàn)得到試件應(yīng)變－時(shí)間曲線如圖6所示。表2給出了各組試件蠕變特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由圖6和表2可以看出:

1)隨加載時(shí)間變化，試件應(yīng)變發(fā)展經(jīng)歷了瞬時(shí)變形、初始蠕變和等速蠕變3個(gè)階段。

2)試件加載后，彈性應(yīng)變通常在約7 s后結(jié)束，然后進(jìn)入初始蠕變階段;且試件含水率越低，初始流變經(jīng)歷時(shí)間越長，初始流變占總流變應(yīng)變的比例越小。

3)胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖具有顯著的流變效應(yīng)，試件流變應(yīng)變多占總應(yīng)變的40%以上，且流變突變在應(yīng)力釋放的前階段。

4 弱成砂巖蠕變模型及參數(shù)確定

根據(jù)胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖蠕變特性試驗(yàn)結(jié)果可知，可采用廣義的開爾文模型進(jìn)行描述。對廣義開爾文體蠕變方程進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得

設(shè)

圖7給出了擬合得到的廣義開爾文模型換算參數(shù)和擬合曲線。由圖7可知，蠕變方程中的參數(shù)k1，k2，η隨加載應(yīng)力的變化趨勢基本一致，在含水量不同時(shí)卻有顯著差別。

圖6 不同含水率試件應(yīng)變－時(shí)間曲線Fig.6 Curves of strain Vs time of samples with different water content rates

表2 各含水等級的蠕變數(shù)據(jù)匯總Table 2 Data of creeps of samples with different water content rates

圖7 不同含水率試件應(yīng)變－時(shí)間擬合曲線Fig.7 Fitted curves of strain Vs time of samples with different water content rates

對試件蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，結(jié)果如圖8所示。k1，k2，η 與 w 的函數(shù)關(guān)系為:k1(w)=6.42+154.29 e1.1076w，k2(w)=36.298+364 e－0.63w，η(w)=e10.42－1.52w+0.093w2。結(jié)合廣義開爾文模型基本形式整理可得胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖的蠕變方程

圖8 試件蠕變試驗(yàn)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系Fig.8 Function relationship among creep testing parameters of samples

5 結(jié)論及建議

1)胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖具有顯著的流變效應(yīng)，試件流變應(yīng)變占總應(yīng)變的40%以上，且流變突變在應(yīng)力釋放的前階段。在設(shè)計(jì)施工方案中，建議增加初期支護(hù)的前期形變控制措施，比如設(shè)置大管棚超前預(yù)注漿、鋼架加大型號、加強(qiáng)鎖腳、縱向連接和增加噴射混凝土的前期強(qiáng)度等措施。

2)含水量不同時(shí)，蠕變曲線中的瞬時(shí)應(yīng)變、初始流變應(yīng)變比例及總流變比例不盡相同。主要表現(xiàn)為干燥狀態(tài)下，弱成砂巖初始流變占總流變變形約為53%，而含水狀態(tài)下其比例在80%以上。在設(shè)計(jì)施工方案中應(yīng)考慮洞內(nèi)超前降水和洞內(nèi)重力降水，地表埋深較淺的采用地表重力降水措施，對于涌砂段采用雙液注漿等輔助工程措施，來改善蠕變特性對工程的不利影響。

3)通過對室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合分析，得到了采用廣義開爾文模型建立的胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖蠕變方程。

胡麻嶺隧道富水弱成砂巖地層自2010年多作業(yè)面遇水后，施工受阻，各參建單位多次在方案和工程措施方面進(jìn)行論證，開展了蠕變試驗(yàn)研究，結(jié)合蠕變試驗(yàn)結(jié)果及指導(dǎo)意見，進(jìn)行了大量的工藝試驗(yàn)。在該套地層6個(gè)作業(yè)面采用了礦山法(分部開挖)施工，輔助真空深井降水、超前水平真空降水綜合方案，流塑狀段輔助超前雙液注漿措施，實(shí)現(xiàn)了施工安全、質(zhì)量可控、進(jìn)度穩(wěn)定的目標(biāo)。

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