桐梓隧道圍巖力學性質試驗研究

劉遠明，田興朝，楊智成，楊家曌

(1.貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550001)

盡管近年來我國隧道施工水平越來越高，施工機械設備越來越先進，但對于長度超萬米的隧道，仍面臨工期緊張的問題。應對隧道施工方案進行優(yōu)化，在確保隧道安全條件下加快施工進度，以滿足工期要求。一般地，應先進行隧道模型試驗和數(shù)值模擬試驗，分析各種工況下隧道圍巖穩(wěn)定和隧道結構安全，在此基礎上提出隧道施工方案。隧道圍巖力學性質試驗是進行隧道模型試驗和數(shù)值模擬試驗的基礎。

許多學者開展了隧道圍巖力學性質試驗研究，如：莫林輝研究了撮箕坡1#隧道凝灰?guī)r、玄武巖圍巖力學性質，楊延龍研究了竹溪隧道泥質板巖圍巖的水理性質，祝艷波研究了涼水井隧道的石膏巖強度特性，吳永勝研究了成蘭鐵路千枚巖隧道圍巖的物理性質和力學特性，高紅紅研究了金山隧道圍巖礦物成分與圍巖工程性質的關系。

桐梓隧道是蘭州至?？趪腋咚俟分貞c至遵義段(貴州境)擴容工程控制性工程，也是貴州省最長的公路隧道。隧道為分離式雙向六車大跨度隧道，左幅起止樁號為ZK34+508～ZK45+005，長10 497 m，其中III級圍巖段1 975 m，IV級圍巖段7 430 m，1 092 m；右幅起止樁號為YK34+530～YK45+015，長10 485 m，其中III級圍巖段1 980 m，IV級圍巖段7 355 m，IV級圍巖段1 150 m。

在隧道施工現(xiàn)場采取樣品，進行室內(nèi)試驗。試驗成果可作為變更隧道圍巖級別的依據(jù)，為隧道模型試驗和數(shù)值模擬試驗提供力學參數(shù)，施工方案優(yōu)化提供支撐。

1 試驗試樣和試驗設備

1.1 現(xiàn)場采樣

根據(jù)桐梓隧道地勘資料，樁號YK34+780～YK35+275，隧道長495 m，頂板埋深72～153 m，洞身圍巖為中風化灰?guī)r、炭質泥巖，巖質較軟，Rc=30 MPa，巖體較完整，Kv為0.75。隧道開挖可能產(chǎn)生點滴狀、淋雨狀出水。地下水影響修正系數(shù)0.2，巖體基本質量部指標[BQ]為357，按III級圍巖進行支護。在隧道施工過程中，出現(xiàn)小范圍坍塌，隧道變形較快，需調(diào)整隧道施工方案。故在隧道樁號YK35+000施工現(xiàn)場采集圍巖樣品，進行室內(nèi)試驗，以獲得圍巖的力學性質參數(shù)，作為施工施工方案優(yōu)化提供支撐

1.2 試驗試樣加工

按《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG E41-2005)，通過鉆樣、切割及斷面打磨后制作成單軸試驗、三軸試驗和巴西劈裂試驗試樣。單軸試驗、三軸試驗試樣為直徑50 mm，高度100 mm的圓柱形試樣，直徑的變化范圍為48～50 mm。巴西劈裂試驗試樣為直徑50 mm，高度50 mm的圓柱形試樣。

1.3 試驗設備

采用RMT-301巖石與混凝土力學試驗系統(tǒng)進行試驗。該系統(tǒng)是計算機控制的多功能電液伺服試驗機，專為巖石和混凝土一類材料的力學性能試驗而設計的，符合相應的國家標準。該系統(tǒng)具有操作方便、控制性能好、自動化程度高、測控精度高、剛度高、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

2 隧道力學性質試驗及分析

2.1 單軸抗壓試驗

采用RMT-301巖石與混凝土力學試驗系統(tǒng)。單軸抗壓強度試驗采用等位移速率加載控制方式，加載速率為2×10-3mm/s。

式中：σ為應力，MPa；P為荷載(N)；A為試件的截面積，mm2

單軸抗壓強度和單軸壓縮試驗結果見表1。從表1可見，試樣抗壓強度為26.004 MPa，彈性模量為12.86 GPa，變形模量10.347 GPa，泊松比為0.15。

表1 單軸抗壓強度和壓縮試驗

2.2 巴西劈裂試驗

采用RMT-301巖石與混凝土力學試驗系統(tǒng)進行巴西劈裂試驗。

巖樣抗拉強度按式(2)計算。

(2)

式中，σt為抗拉強度，MPa；Pt為破壞時的極限荷載，N；D為圓柱體試件直徑，mm；H為圓柱體試件高度，mm。

試驗結果見表2。從表2k可見，巖石試樣的抗拉強度為1.963 MPa。

表2 巴西劈裂試驗

2.3 三軸試驗

采用RMT-301巖石與混凝土力學試驗系統(tǒng)進行三軸試驗。三軸試驗結果如表3所示。

表3 三軸試驗

將表3中軸壓和圍巖繪于圖1。結合圖1，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角按式(3)、(4)計算。

圖1 軸壓-圍壓關系圖

(3)

(4)

式中：c為黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，°；b為軸壓-圍壓關系曲線在σ1軸上的截，MPa；m為軸壓-圍壓關系曲線斜率。

由圖1，b=24.536，m=4.192 5。按式(3)、式(4)計算得：c=5.99 MPa，φ=37.94°。

2.4 試驗結果應用

根據(jù)文獻圍巖基本質量指標BQ按式(5)計算

BQ=100+3Rc+250Kv

(5)

式(5)遵守下列限制條件：(1)當Rc>90Kv+30時，應以Rc=90Kv+30和Kv代入計算BQ值；(2)當Kv>0.04Rc+0.4時，應以Kv=0.04和Rc代入計算BQ值；

圍巖修正質量指標[BQ]按式(6)計算

[BC]=BQ-100(K1+K2+K3)

(6)

式中：K1-地下水影響修正系數(shù)；K2-主要軟弱結構面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3-初始應力狀態(tài)影響修正系數(shù)

將Rc=25.697 MPa，Kv=0.75代入式(5)，計算基本質量指標BQ=365；將BQ=365，k1=0.2，k2=0，k3=0代入式(6)，計算圍巖修正質量指標[BQ]=345，YK35+000斷面隧道圍巖級別應調(diào)整為IV級圍巖。

3 結 論

通過在桐梓隧道樁號YK35+000現(xiàn)場采樣，試樣加工，進行了單軸壓縮試驗、巴西劈裂試驗、三軸試驗等力學性質試驗，確定了該段隧道圍巖力學性質。

(1)取樣段隧道圍巖抗壓強度為25.31 MPa，抗拉強度為1.963 MPa，彈性模量為12.86 GPa，變形模量10.35 GPa，泊松比0.15。

(2)通過三軸試驗，測得取樣段隧道圍巖抗剪參數(shù)：黏聚力5.99 MPa，內(nèi)摩擦角37.94°。

(3)按地勘資料，樁號YK35+000圍巖級別是III級。但是，按本次隧道圍巖力學性質試驗結果，應將該圍巖級別調(diào)整為IV級。

(4)按以上隧道圍巖力學性質參數(shù)、圍巖級別，可進行數(shù)值模擬試驗和物理模型試驗，在此基礎上進一步提出合理的隧道施工方案。