某鐵路隧道底鼓段粉砂質泥巖微宏觀物理力學特性研究

劉 超，袁 偉，路軍富，張 釗

(1.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

隨著我國隧道建設的不斷發(fā)展，越來越多的長大隧道在穿越崇山峻嶺時面臨復雜不良地質條件的挑戰(zhàn)[1-2]。其中穿越高地應力區(qū)且地質環(huán)境惡劣的軟弱圍巖時，在隧道建設和養(yǎng)護過程常會出現隧道底鼓的現象。底鼓是隧道圍巖變形與破壞的主要表現形式，會造成隧道底部結構破壞影響軌道結構穩(wěn)定性，從而影響工程質量和運營壽命，而且對隧道的施工和運營安全產生極大的威脅[3-4]。

姜耀東等[5]通過大量的實驗和數值計算，將隧道底鼓分為4種類型，為之后的隧道底鼓研究提供了參考。薛曉輝等[6]通過分析武都西隧道底鼓的形成機理和特點，推導出隧道底板產生壓曲破壞時的臨界荷載表達式，并進一步研究了隧道底鼓防治措施。騰俊洋等[7]結合室內試驗和數值模擬的方法分析了地下水對層狀炭質頁巖隧道底鼓的影響。樊純壇[8]通過室內試驗、現場檢測及數值模擬等方法對大斷面富水泥巖隧道受力特性及仰拱底鼓機理進行了研究。王進博等[9]采用室內巖石物理力學試驗和數值模擬的方法，分析了馬嘴隧道左線水平層狀頁巖底鼓機理并對底鼓措施進行了研究。Heuze[10]、Kovari等[11]認為底板巖層受到的拉應力大于自身應力，底板巖層會遭受破壞向隧道內隆起。本文以YD隧道底鼓段粉砂質泥巖為研究對象，通過現場調查和室內試驗的研究方法，探明研究區(qū)內隧道底部巖石的工程地質特征。研究主要從微觀和宏觀兩方面考慮，包括隧道底部巖石的組成成分、微觀結構、膨脹性、抗剪強度、抗壓強度等內容。分析隧道底部巖石的工程力學特性對隧道底鼓產生的影響，為該隧道的底鼓治理提供科學依據與理論支持，也為今后類似地區(qū)鐵路隧道設計、施工和運營維護提供依據。

1 工程概況

YD隧道全長7 858 m，是一條客貨共線雙線鐵路隧道。該隧道系雙塊式無砟軌道，隧道為馬蹄形斷面且采用復合式襯砌，研究區(qū)通過新奧法組織施工，采用光面爆破及濕噴技術進行開挖襯砌。隧道初次襯砌為C20噴射混凝土，二襯和仰拱采用C25鋼筋混凝土。復合式襯砌厚度為0.4 m，仰拱厚度為0.45 m。YD隧道2019年2月竣工，7月運營。隧道運營至今，共有4段底鼓較明顯，如圖1所示，分別為：(1)K106+300～+350，埋深105 m；(2)K108+010～+020，埋深290 m；(3)K108+600～+640，埋深184 m；(4)K109+250～+280，埋深114 m。

工程區(qū)巖性為上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)的紫紅色、棕紅色薄至中厚層狀泥巖、粉砂質泥巖，夾粉砂巖及細粒長石砂巖，砂巖厚度均小于5 m，其間夾有1層灰綠色水云母黏土巖(又稱“倉山頁巖”)。節(jié)理不甚發(fā)育，主要為表層風化裂隙，屬Ⅲ級圍巖，局部為Ⅳ級軟巖。區(qū)域上部厚420 m，測區(qū)地層出露不全，出露厚度為120 m。通過鉆孔揭示，底鼓段隧底主要以紫紅色粉砂質泥巖為主，實測范圍內最大水平主應力為14.2～16.7 MPa，最小水平主應力為4.8～9.3 MPa。經現場監(jiān)測地下水位無變化，地下水位穩(wěn)定后水位普遍位于隧道仰拱回填層頂面以下0.1～1.0 m范圍，地下水不具承壓性[12]。

圖1 底鼓段位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the kick drum position

現對該段隧道底部巖石進行微觀組構和宏觀力學特性研究，分析其工程力學特性。在YD隧道樁號K106+300～K109+280區(qū)間中的底鼓段鉆孔取樣，并立即采用保鮮膜封存，置于陰涼處，然后運往實驗室進行標準試樣的制作。

2 圍巖物理力學特性研究方法

本次試驗主要針對YD隧道底部粉砂質泥巖的工程特性開展研究，參考其他學者研究方法[13-14]，主要試驗內容包括：X粉晶衍射試驗、掃描電鏡試驗、巖石的膨脹率試驗及巖石的抗壓抗剪強度試驗。根據TB 10115—2014《鐵路工程巖石試驗規(guī)程》中的方法[15]，選取K106+300～K109+280區(qū)間保存完好的巖樣進行試驗，試驗具體準備如下：

(1)X粉晶衍射試驗

將所取巖樣敲碎成小塊分別研磨15～20 min，取1.300 0±0.001 0 g的樣品制樣。采用DX—2700型衍射儀，在CuKa, Ni濾光條件下，對粉砂質泥巖進行物相分析，檢測出所含礦物成分的相對含量。

(2)掃描電鏡試驗

從所取試樣上取下一小塊樣品，選定垂直層理的表面和層理面為觀測面，預先對觀測面用極細的砂紙打磨，然后放入氬離子拋光儀進行拋光，薄片大小為0.6 mm×0.6 mm×0.2 mm左右，拋光面積3～5 mm2。然后采用697 Ilion II氬離子拋光系統(tǒng)對試樣進行處理，最后放在S3 000N掃描電子顯微鏡下進行觀察。

(3)膨脹性試驗

(4)直剪強度試驗

采用攜帶式巖土力學性質多功能直剪試驗儀將加工成5 cm×5 cm×5 cm正方體試樣，每組5個進行試驗。設定好法向千斤頂壓力表預定值，并按照一定梯度變化進行5組試驗。

(5)單軸壓縮及變形試驗

將所取巖樣加工成5 cm×10 cm(r×h)圓柱體試樣，利用MTS815電液伺服控制剛性試驗機，軸向力垂直層理面施加，用巖石試件的變形控制加載速度，從而得到巖石的單軸抗壓強度。在試件上安放軸向位移計和環(huán)向引申計，用以量測試件在受力過程中的軸向位移和環(huán)向的變形。試驗中所取試樣主要選取的是底鼓段的鉆孔巖樣，巖性均為粉砂質泥巖，每組試樣個數為2個。其中K109+266處取樣采用自然浸水飽和制樣。

3 圍巖物理力學特性研究結果及分析

3.1 微觀成分及結構分析

3.1.1X粉晶衍射試驗

巖石的膨脹性與巖石的組成成分密切相關，其中，黏土礦物蒙脫石和高嶺石對其影響最為明顯[16-18]。

經過試驗，研究區(qū)粉砂質泥巖以黏土礦物和碎屑礦物為主，黏土礦物以伊利石為主，含量在30%左右；綠泥石次之，含量在17%左右；碎屑礦物以石英為主，含量在30%左右，局部位置略少。由此可見，該研究區(qū)段礦物成分組成基本相同，礦物成分含量存在細微差異。從巖石的成分看，該地區(qū)巖石成分不含蒙脫石和高嶺石，不具有吸水膨脹性。各區(qū)段巖石組成成分相對含量見表1。K106+326處礦物鑒定成果如圖2所示。

表1 主要礦物含量

圖2 K106+326處礦物成分鑒定成果圖Fig.2 Results of mineral composition identification at K106+326

3.1.2掃描電鏡試驗結果

(1)K107+652樁號處隧道底部1.5 m處試樣

由圖3可知，將粉砂質泥巖沿著垂直層理面進行拋光處理，放大20 000倍后，可發(fā)現大量的細小原生裂紋，呈網狀發(fā)育，整體呈現不規(guī)則的狹縫狀，最長的裂紋為6 μm左右。由于此處粉砂質泥巖內部存在微裂紋，當巖石受到較大水平剪切力時，層間的微裂隙更容易貫通形成更寬更長的裂縫，最終沿著層理面產生相對位移。

由圖4可知，將粉砂質泥巖試樣層理面放大40 000 倍后，可以清晰看到粒狀的石英顆粒與片狀伊利石相互存在，并夾雜少量的綠泥石和方解石，伊利石排列呈片狀分布，具有一定的方向性。粉砂質泥巖礦物以片狀為主，片狀排列較為緊密，其間夾雜許多顆粒狀礦物如石英等。

圖3 垂直于層理面上裂紋發(fā)展圖Fig.3 Diagram showing the crack development perpendicular to the bedding plane

圖4 放大40 000倍層理面上微觀展布Fig.4 Micro-view of the bedding plane after 40 000 times magnification

(2)K108+645樁號處隧道底部以下2.4 m試樣

圖5 放大5 000倍的裂紋和裂隙分布Fig.5 Crack and crack distribution after 5 000 times magnification

由圖5可知，將所取粉砂質泥巖巖樣放在掃描電子顯微鏡下放大5 000倍，能夠清晰觀測到微觀結構呈現片狀，排列較為緊密，且具有一定的方向性，片狀基質結構表層分布有少量碎屑顆粒。片狀伊利石間存在孔洞及細小裂紋，最大的孔洞直徑約為8 μm左右，最小的孔洞直徑僅為2 μm左右，裂紋長度為3～8 μm，未見明顯的石英顆粒。

3.2 宏觀力學特征研究

3.2.1膨脹性試驗

所制巖樣按照試驗要求進行操作，經過90 h的浸泡，試樣的軸向和徑向變形結果如下：

由圖6中數據可知，巖樣在原狀水樣浸泡下，前10 h變形較為明顯，隨后巖樣浸水變形速度減緩，巖樣浸水膨脹變形，軸向變形大于徑向變形。巖石的自由膨脹率與巖石的性質有關，巖石泥質含量越多，自由膨脹率相對就越高。根據 TB 10038—2012《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》，K106+326處巖石最大軸向自由膨脹和最大徑向自由膨脹分別為1.96%、1.31%；K107+652處巖石最大軸向自由膨脹和最大徑向自由膨脹分別為0.39%、0.05%，均屬于非膨脹性巖石[19-20]，結合X粉晶衍射試驗，可知此處的隧道底鼓不是由巖石的膨脹性導致的。研究區(qū)巖石存在微小原生裂隙，可能在地下水侵蝕下破裂甚至崩解，降低巖石的強度。

圖6 粉砂質泥巖浸水自由膨脹曲線Fig.6 Free-swelling curve of silty mudstone immersion in water

3.2.2直剪強度試驗

按照要求，經過一系列試驗，巖樣剪切破壞后的形態(tài)特征如圖7所示。當剪切方向平行層理面時，剪切破壞面沿著層理面方向；當剪切方向垂直層理面時，破壞面垂直層理面，但是巖樣還會沿著層理面產生裂紋。沿層理面的巖石強度明顯相對較弱。

圖7 粉砂質泥巖剪切破壞形態(tài)Fig.7 Shear failure morphology of the silty mudstone

不同地段的粉砂質泥巖直剪強度試驗研究成果如表2所示。表2表明，平行層理面時，巖石黏聚力1.45～3.56 MPa，內摩擦角42.4°～56.9°。垂直層理面時，巖石黏聚力3.98～5.84 MPa，內摩擦角56.7°～62.1°。

表2 直剪強度試驗成果表

3.2.3單軸抗壓強度及變形試驗

由K106+326和K109+266處試驗結果可知平行層理面剪切比垂直層理面剪切，內摩擦角和黏聚力更小(圖8)，不難推測隧道底部巖石在水平高地應力下容易破壞。此外，由K108+645和K109+266處試驗結果可知，水對巖石的黏聚力和內摩擦角影響明顯，飽水狀態(tài)下，黏聚力下降50%左右。結合掃描電鏡試驗，隧道底部巖石內部存在原生裂縫，若在地下水和地應力的綜合作用下，巖石容易產生剪切破壞，從而使隧道底部巖石產生變形。

圖8 K106+326附近粉砂質泥巖Fig.8 Silty mudstone near K106+326

由粉砂質泥巖單軸壓縮試驗應力-應變曲線可以看出(圖9)，巖石先經歷壓密階段、彈性階段、屈服階段3個階段，由于沒有圍壓的存在，單軸壓縮很難觀測到應變軟化段，即巖石達到峰值強度后，巖石發(fā)生破壞[21-22]。

圖9 粉砂質泥巖天然(飽水)應力應變曲線Fig.9 Natural (saturated) stress-strain curve of the silty mudstone

從壓縮破壞后粉砂質泥巖的破壞形態(tài)可以看出，試件為豎向劈裂破壞，裂紋以豎向發(fā)展為主，在壓縮過程中豎向裂紋貫通，形成貫通的裂縫，最終試件被破壞。其中天然含水條件的試件在應力作用下，試件邊緣先產生不貫通裂縫，致使應力釋放，使應力-應變曲線呈現起伏不平，最終形成貫通裂縫，受軸向應力驟降(圖10a)。而飽水試件強度較弱，隨著應力增加巖石將直接產生豎向貫通裂縫發(fā)生破壞(圖10 b)。

圖10 粉砂質泥巖破壞形態(tài)Fig.10 Silt mudstone failure morphology

通過應力-應變曲線計算得出粉砂質泥巖單軸壓縮試驗的參數如表3所示。

研究區(qū)段的粉砂質泥巖平均單軸抗壓強度為34.78～42.03 MPa，彈性模量為4.06～4.86 GPa，泊松比為0.26～0.34。其中K109+266粉砂質泥巖試樣為飽水試樣，其抗壓強度計算出來平均為19.56 MPa，與自然狀態(tài)下的粉砂質泥巖抗壓強度相比較，折減了45%～55%左右。彈性模量一般為1.74～2.18 GPa，平均為1.96 GPa，折減50%，泊松比為0.36。

表3 粉砂質泥巖單軸試驗成果

由單軸試驗結果看出，巖石在達到應力峰值產生豎向脆性破壞。在地應力作用下，巖石卸圍壓更容易使巖石破壞，且破壞程度也更為劇烈。根據TB 10003—2005《鐵路隧道設計規(guī)范》，飽和狀態(tài)下抗壓強度為19.56 MPa，可以判定YD隧道底部紫紅色層狀粉砂質泥巖屬于較軟巖[23]。

根據《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)規(guī)定，此處Rc/σmax=1.37<4，屬于極高地應力的情況[24]，側壓力系數大于1，可見地應力以水平應力為主導，隨巖層深度的增加有增大的趨勢。

3.3 巖體質量評價

YD隧道2009年施工完成運營至今，根據資料記錄工程區(qū)巖性為上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)的紫紅色、棕紅色薄至中厚層狀泥巖、粉砂質泥巖，夾粉砂巖及細粒長石砂巖，砂巖厚度均小于5 m，節(jié)理較發(fā)育，主要為表層風化裂隙。根據《工程巖體分級標準》，可以判斷研究區(qū)巖體完整性指數Kv為0.75～0.55。由單軸壓縮變形試驗可知，研究區(qū)紫紅色粉砂質泥巖的單軸飽和抗壓強度為19.56 MPa，屬于較軟巖。綜上得到BQ評價計算結果如表4所示。

表4 BQ評價計算表

依據《工程巖體分級標準》中巖體質量分級表確定，將工程區(qū)巖體質量評級為Ⅳ級。

4 結論

(1)研究區(qū)巖石的礦物成分組合基本相同，主要物質為石英、伊利石和綠泥石，不含蒙脫石和高嶺石。根據膨脹性試驗，最大膨脹率為1.96%。綜合分析研究區(qū)隧道底部巖石不具有膨脹性。

(2)根據掃描電鏡試驗，觀測到平行層理的面上存在2～8 μm粒間孔隙，巖石內部存在細小原生裂紋，長度為3～8 μm。這種分布在黏土礦物碎屑及石英顆粒之間孔隙和裂紋，容易使巖石在受到較大水平剪切力時，貫通形成更寬更長的裂縫，最終沿著層理面產生破壞。

(3)YD隧道底部紫紅色粉砂質泥巖的平均單軸抗壓強度為34.78～42.03 MPa，彈性模量為4.06～4.86 GPa，泊松比為0.26～0.34。平行層理面時，巖石黏聚力1.45～1.90 MPa，內摩擦角42.4°～56.9°。垂直層理面時，巖石黏聚力3.98～5.84 MPa，內摩擦角56.7°～62.1°。飽和抗壓強度11.3～21.8 MPa，屬于較軟巖，綜合巖石質量評價為Ⅳ級圍巖。

(4)粉砂質泥巖抗剪和抗壓強度隨著含水率的增加而減小。飽水狀態(tài)與天然狀態(tài)相比內聚力縮減50%左右，抗壓強度縮減了45%～55%，彈性模量縮減了50%。

(5)圍巖巖體不具備膨脹性，現場監(jiān)測地下水位無變化，因此地下水和膨脹性不是隧道底鼓的直接誘因。推測隧道底鼓主要誘導因素是地應力、層狀巖體和巖石蠕變，這將作為下一步的研究重點。