桐梓隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

劉遠(yuǎn)明，田興朝，楊智成，楊家曌

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001)

盡管近年來我國(guó)隧道施工水平越來越高，施工機(jī)械設(shè)備越來越先進(jìn)，但對(duì)于長(zhǎng)度超萬米的隧道，仍面臨工期緊張的問題。應(yīng)對(duì)隧道施工方案進(jìn)行優(yōu)化，在確保隧道安全條件下加快施工進(jìn)度，以滿足工期要求。一般地，應(yīng)先進(jìn)行隧道模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析各種工況下隧道圍巖穩(wěn)定和隧道結(jié)構(gòu)安全，在此基礎(chǔ)上提出隧道施工方案。隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)是進(jìn)行隧道模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)。

許多學(xué)者開展了隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)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(xué)性質(zhì)，楊延龍研究了竹溪隧道泥質(zhì)板巖圍巖的水理性質(zhì)，祝艷波研究了涼水井隧道的石膏巖強(qiáng)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(zhì)和力學(xué)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(zhì)的關(guān)系。

桐梓隧道是蘭州至?？趪?guó)家高速公路重慶至遵義段(貴州境)擴(kuò)容工程控制性工程，也是貴州省最長(zhǎng)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(hào)為ZK34+508～ZK45+005，長(zhǎng)10 497 m，其中III級(jí)圍巖段1 975 m，IV級(jí)圍巖段7 430 m，1 092 m；右幅起止樁號(hào)為YK34+530～YK45+015，長(zhǎng)10 485 m，其中III級(jí)圍巖段1 980 m，IV級(jí)圍巖段7 355 m，IV級(jí)圍巖段1 150 m。

在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)采取樣品，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)成果可作為變更隧道圍巖級(jí)別的依據(jù)，為隧道模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)提供力學(xué)參數(shù)，施工方案優(yōu)化提供支撐。

1 試驗(yàn)試樣和試驗(yàn)設(shè)備

1.1 現(xiàn)場(chǎng)采樣

根據(jù)桐梓隧道地勘資料，樁號(hào)YK34+780～YK35+275，隧道長(zhǎng)495 m，頂板埋深72～153 m，洞身圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖，巖質(zhì)較軟，Rc=30 MPa，巖體較完整，Kv為0.75。隧道開挖可能產(chǎn)生點(diǎn)滴狀、淋雨?duì)畛鏊?。地下水影響修正系?shù)0.2，巖體基本質(zhì)量部指標(biāo)[BQ]為357，按III級(jí)圍巖進(jìn)行支護(hù)。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(hào)YK35+000施工現(xiàn)場(chǎng)采集圍巖樣品，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，以獲得圍巖的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，作為施工施工方案優(yōu)化提供支撐

1.2 試驗(yàn)試樣加工

按《公路工程巖石試驗(yàn)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(yàn)、三軸試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)試樣。單軸試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)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(yàn)試樣為直徑50 mm，高度50 mm的圓柱形試樣。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

采用RMT-301巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。該系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制的多功能電液伺服試驗(yàn)機(jī)，專為巖石和混凝土一類材料的力學(xué)性能試驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，符合相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)具有操作方便、控制性能好、自動(dòng)化程度高、測(cè)控精度高、剛度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

2 隧道力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)及分析

2.1 單軸抗壓試驗(yàn)

采用RMT-301巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)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(yīng)力，MPa；P為荷載(N)；A為試件的截面積，mm2

單軸抗壓強(qiáng)度和單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可見，試樣抗壓強(qiáng)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(qiáng)度和壓縮試驗(yàn)

2.2 巴西劈裂試驗(yàn)

采用RMT-301巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)。

巖樣抗拉強(qiáng)度按式(2)計(jì)算。

(2)

式中，σt為抗拉強(qiáng)度，MPa；Pt為破壞時(shí)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(yàn)結(jié)果見表2。從表2k可見，巖石試樣的抗拉強(qiáng)度為1.963 MPa。

表2 巴西劈裂試驗(yàn)

2.3 三軸試驗(yàn)

采用RMT-301巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行三軸試驗(yàn)。三軸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 三軸試驗(yàn)

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

圖1 軸壓-圍壓關(guān)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(guān)系曲線在σ1軸上的截，MPa；m為軸壓-圍壓關(guān)系曲線斜率。

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

2.4 試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用

根據(jù)文獻(xiàn)圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ按式(5)計(jì)算

BQ=100+3Rc+250Kv

(5)

式(5)遵守下列限制條件：(1)當(dāng)Rc>90Kv+30時(shí)，應(yīng)以Rc=90Kv+30和Kv代入計(jì)算BQ值；(2)當(dāng)Kv>0.04Rc+0.4時(shí)，應(yīng)以Kv=0.04和Rc代入計(jì)算BQ值；

圍巖修正質(zhì)量指標(biāo)[BQ]按式(6)計(jì)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(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3-初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)

將Rc=25.697 MPa，Kv=0.75代入式(5)，計(jì)算基本質(zhì)量指標(biāo)BQ=365；將BQ=365，k1=0.2，k2=0，k3=0代入式(6)，計(jì)算圍巖修正質(zhì)量指標(biāo)[BQ]=345，YK35+000斷面隧道圍巖級(jí)別應(yīng)調(diào)整為IV級(jí)圍巖。

3 結(jié) 論

通過在桐梓隧道樁號(hào)YK35+000現(xiàn)場(chǎng)采樣，試樣加工，進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)等力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，確定了該段隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)。

(1)取樣段隧道圍巖抗壓強(qiáng)度為25.31 MPa，抗拉強(qiáng)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(yàn)，測(cè)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(hào)YK35+000圍巖級(jí)別是III級(jí)。但是，按本次隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)將該圍巖級(jí)別調(diào)整為IV級(jí)。

(4)按以上隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)參數(shù)、圍巖級(jí)別，可進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)和物理模型試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出合理的隧道施工方案。