圍壓、溫度及損傷程度對隧道圍巖滲透率的影響

朱 亮

(中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

0 引言

深部巖石通常處于“三高一擾動”的復雜應力環境中。“三高”指高地應力、高溫和高孔隙水壓，“一擾動”指開挖破壞了原巖的應力環境，產生應力重分布，進而對原巖造成初始損傷。文章結合遼寧某在建隧道的實際情況，對該隧道砂巖在高溫、高地應力及擾動狀態下圍巖的滲透性進行研究。

近年來，我國學者對巖石滲透率方面的研究成果頗豐。張磊等[1]針對采煤過程中瓦斯滲透問題，通過循環加載試驗對完整煤樣和裂隙煤樣分別進行了滲透性試驗研究。李治豪等[2]基于COMSOL數值計算方法對不同粗糙度的巖石進行了滲透性試驗研究，監測了試驗過程中氣體流量及裂隙內部應力的變化情況。張宏學等[3]通過現場試驗與室內試驗相結合的方法，對氣體解吸導致的頁巖儲氣層滲透率改變進行了研究。郤保平等[4]通過壓力脈沖衰減法對高溫處理后的花崗巖的滲透性進行了試驗研究，分析了花崗巖不同物理力學參數受溫度影響情況。張玉等[5]針對油氣儲存在深部圍巖內的運移問題，對裂隙巖石展開了復雜應力路徑下的滲透性試驗。王磊等[6]為了獲得水蒸氣在不同溫度下對頁巖的滲透率的影響規律，對高溫處理后的水蒸氣對頁巖滲透率及頁巖各向異性的影響進行了室內試驗研究。王彪等[7]以巴郎山隧道工程為背景，對不同圍壓下該隧道圍巖進行了氣體滲透性試驗研究，以此對該隧道圍巖的安全穩定性進行評價。張亮等[8]針對裂隙煤巖的滲透性問題，對不同實際工況下煤巖的動態導流性能及裂隙煤巖的滲透率進行了現場測試分析。趙靜等[9]針對原位油頁巖在高溫條件下的滲透性問題，采用高溫高壓三軸試驗系統及氣體滲透試驗系統對該頁巖進行了滲透率試驗研究，揭示了高溫高壓下油頁巖的滲透演化規律。侯宜峰等[10]采用室內三軸試驗系統對加載破壞過程中巖石的氣體滲透規律進行了研究，分析了滲透率與應變之間的關系。

綜上分析，已有成果對巖石滲透率進行了較為詳細的研究，但對應力、溫度及損傷三項耦合方面的研究相對較少。本文在總結已有研究成果的基礎上，對遼寧某在建隧道砂巖進行了滲透率室內試驗研究，綜合考慮了應力、溫度及損傷程度對巖石滲透率的影響。研究成果能夠對工程實際提供一定程度的指導意義。

1 試驗介紹

1.1 試樣制備

本文試驗用巖樣采自遼寧某在建隧道砂巖，為了確保試樣均一性，所有試驗用巖樣均取自同一完整巖塊。經現場粗加工后運抵至室內試驗室，經切割、鉆孔、打磨等工序后，最終制得直徑50 mm、高100 mm的標準圓柱試樣。

為了研究該隧道砂巖的滲透特性，需對試樣的孔隙率進行測量。首先，取3個巖樣放入真空飽水容器中進行24 h飽水處理，時間達到后每隔20 min對試樣進行一次質量記錄，直至連續3次質量誤差在0.5%以內時可認為試樣達到飽和。然后將飽和后的試樣置于烘干儀中，2 h后測量試樣質量，直至連續3次質量誤差在0.5%以內時可認為達到干燥狀態。最后根據飽水法計算本文砂巖孔隙率為5.63%。

為了得到不同損傷程度的砂巖試樣，本文采用峰前卸荷的方式使試樣具有損傷性質。首先對試樣進行單軸壓縮試驗，獲取試樣的抗壓強度，然后根據單軸抗壓強度來確定卸荷點。本文取砂巖峰前卸荷點峰值強度分別為30%、60%、90%，以此來獲取不同損傷程度的試樣。

1.2 試驗設備與試驗方案

本文不同溫度及不同損傷程度的砂巖三軸加載試驗均在GCTSRTX-4000高溫高壓巖石試驗系統上完成，滲透試驗均在全自動巖石氣體滲透系統上完成。為了得到不同試驗條件下砂巖的滲透率，采用下式進行計算：

(1)

式中：k為試樣的氣體滲透率，m2；qv為出口端的氣體流量，m3/s；μ為氮氣黏度，Pa·s；P為進氣段壓力，MPa，通常取2 MPa；P0為標準大氣壓，取0.1 MPa；A為試樣的橫截面積，m2；H為試樣高度，m。

為了定量表示本文砂巖的損傷程度，可通過下式來計算不同卸荷點處的損傷變量[11]：

(2)

式中：D為損傷變量；εe為卸荷點處試樣的彈性應變；εt為卸荷點處試樣總應變；εc為卸荷點處試樣的壓密應變。

表1為不同溫度及不同損傷程度下砂巖的三軸加載試驗方案。具體試驗過程如下：(1)首先在GCTS RTX-4000試驗儀上對試樣進行加載，當加載至指定卸荷點時卸載，以此來得到不同損傷程度的巖樣。(2)將不同損傷程度的巖樣放入氣體滲透試驗系統中，對試樣施加圍壓，待圍壓達到預定值后對試樣施加不同溫度，溫度可通過水浴箱進行控制，待溫度達到預定值后，恒溫2 h。打開進氣閥，施加進口端氣壓(P=2 MPa)，并保持恒定，記錄氣體流量變化值qv。不同溫度下氮氣的氣體黏度μ不同，可通過查氮氣物理性質表得到。將氣體滲透試驗得到的數據代入式(1)便可得到不同溫度、不同損傷程度下砂巖的滲透率。

表1 試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 應力-應變曲線分析

滲透試驗開始前，首先對完整砂巖試樣進行兩次單軸壓縮試驗，目的是為了檢驗本文砂巖是否具有較好的一致性。圖1為砂巖單軸壓縮全過程應力-應變曲線，可以看出，兩個試樣的應力-應變曲線的變化趨勢基本一致，表現為顯著的脆性破壞模式。根據單軸壓縮試驗數據計算本文砂巖的平均抗壓強度為55.27 MPa、彈性模量為6.77 GPa、泊松比為0.384，三參數的離散度分別為0.47%、0.52%和2.85%，離散度相對較小，再次驗證了本文砂巖的均一性。

圖1 單軸壓縮應力-應變曲線

圖2為砂巖不同卸荷點應力-應變曲線。由圖可知，峰前卸荷均產生了不可恢復塑性變形，且卸荷應力越大，塑性變形越大，對試樣產生的損傷程度越嚴重，損傷變量越大。根據圖2及文獻[11]，并結合式(2)計算30%、60%、90%的卸荷點的損傷變量分別為0.289、0.297、0.325，再次驗證了前述觀點。

圖2 不同卸荷點應力-應變曲線

2.2 圍壓對滲透特性的影響分析

圖3為砂巖滲透率隨圍壓的分布曲線。從圖3可以看出，不同溫度、不同損傷程度下試樣的滲透率隨圍壓的變化曲線基本一致，隨著圍壓的逐漸增大，試樣的滲透率均逐漸減小，且不同試驗條件下的曲線均呈逐漸趨緩的變化趨勢，說明滲透率與圍壓之間表現為負相關關系。原因是圍壓越大，試樣內部被擠密壓縮程度越大，氣體滲透通道越窄，從而導致滲透率降低。對比分析不同損傷程度下的滲透率隨圍壓的分布曲線可知，試樣的損傷程度越嚴重，曲線斜率的變化幅度越大。原因是損傷導致試樣內部孔隙率增大，內部顆粒骨架結構相對松散，圍壓5 MPa時試樣內部仍留有大量孔隙，氣體滲透通暢，滲透率較大；圍壓10 MPa時試樣內部顆粒骨架結構被迅速擠壓密實，孔隙率迅速減小，從而導致滲透率快速下降；此后，試樣內部孔隙被擠壓密實的速率開始減緩，孔隙率的減小速率同樣放慢，最終導致滲透率下降速率趨緩。

圖3 滲透率與圍壓的關系

2.3 溫度對滲透特性的影響分析

圖4為砂巖滲透率隨溫度分布曲線。從圖4可以看出，不同圍壓、不同損傷程度下試樣的滲透率隨溫度的變化曲線基本一致，隨著溫度的逐漸升高，試樣的滲透率呈逐漸遞減趨勢，說明砂巖滲透率與溫度之間滿足負相關關系。原因主要是試樣內部顆粒在高溫作用下發生熔融，加速了試樣的腐蝕進程，自由接觸面增大，隨著溫度的升高，試樣內部一些成分開始膨脹，孔隙在膨脹作用下被逐漸擠密，氣體通道變窄，從而導致孔隙率下降。對比分析不同損傷程度下試樣的孔隙率可知，隨著損傷程度的逐漸加重，試樣滲透率的下降速率逐漸趨緩。原因是損傷程度的加重使得試樣內部孔隙開度增大，即使溫度的升高在一定程度上降低了裂隙開度，但對于損傷程度較為嚴重的試樣來說，膨脹導致的開度降低對滲透率的影響遠低于損傷程度造成的影響。

圖4 滲透率與溫度的關系

2.4 損傷程度對滲透特性的影響分析

圖5為砂巖滲透率隨損傷變量的分布曲線。從圖5可以看出，隨著損傷變量的逐漸增大，試樣的滲透率呈逐漸遞增趨勢，其中，低圍壓(5 MPa)下，試樣滲透率隨損傷變量先略有降低后再逐漸增大。原因是卸荷點不同對試樣產生的損傷程度不同，試樣內部出現的孔隙數量也不同，卸荷點為30%峰值強度、損傷變量為0.289時，此時試樣內部產生的孔隙數量最少，裂隙發育不顯著，且加載初期的壓密階段使試樣內部原始孔隙更加緊密，從而導致滲透率出現略微下降情況。卸荷點為60%、90%峰值強度時，損傷變量分別為0.297和0.325，試樣損傷程度增大，試樣內部孔隙數量增多，裂隙發育顯著，導致滲透率逐漸增大。對比分析不同圍壓及不同溫度下砂巖的滲透率隨損傷變量的變化曲線可知，圍壓越低，試樣損傷程度越嚴重，滲透率差異越大。原因是砂巖內部孔隙隨著圍壓的升高而逐漸減少，試樣的密實程度逐漸升高，進而使得試樣的各向異性逐漸減小。

圖5 滲透率與損傷變量的關系

3 結論

(1)不同溫度及不同損傷程度下，砂巖的滲透率隨圍壓的變化曲線基本相同，隨著圍壓的逐漸增大，砂巖的滲透率呈逐漸遞減趨勢，表明滲透率與圍壓之間表現為負相關關系。

(2)不同圍壓及不同損傷程度下，砂巖的滲透率隨溫度的變化曲線基本一致，隨著溫度的逐漸升高，砂巖的滲透率呈逐漸遞減趨勢，表明滲透率與溫度之間滿足負相關關系。

(3)不同圍巖及不同溫度條件下，砂巖的滲透率隨損傷變量的變化曲線基本一致，隨著損傷變量的逐漸增大，試樣的滲透率呈逐漸遞增趨勢；圍壓較低條件下，滲透率隨損傷變量呈先減后增的變化規律。