蘭渝鐵路胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖蠕變特性試驗研究

陳德彪

(中鐵十九局集團有限公司礦業公司，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，國內外專家、學者曾多次現場考察并進行專題論證，確定為“國內罕見、世界性難題”。針對軟巖抗壓強度較低、蠕變變形量較大和容易引起隧道失穩和破壞的特性，相關文獻均有研究。文獻［1－2］對飽水與干燥狀態下的砂巖、灰巖和頁巖進行了剪切蠕變實驗，總結了含水率對巖石蠕變特性影響的相似性;文獻［3－4］在理論上采用開爾文體及克體相結合，衍生出一種新的復合元件流變本構模型，研究復雜條件下節理軟巖的蠕變變形，文獻［5］利用解析的方法，以平面應變模型分析了流變特性在隧道開挖過程中空間效應的影響，推演了靜水壓力作用下圓形洞室圍巖以及圍巖與支護間接觸應力的時效規律;文獻［6］推導了H－K體的松與弛蠕變，在前人彈性支護和圍巖的粘彈性應力解的基礎上，得到了支護結構和圍巖上的荷載分布形式與變化規律;文獻［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展時的蠕變和松弛規律;文獻［8］在Kelvin－Voigt流變模型的基礎上，研究了支護結構的時效特性，并提出要建立在考慮支護體系流變特性情況下的時效可靠性的定義;文獻［9］利用非線性蠕變模型，對圓形洞室圍巖應力松弛效應進行了理論研究;文獻［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［11］基于現場模型洞開挖位移監測結果，運用均勻設計－神經網絡－遺傳算法方法進行了反演分析，得到該區軟巖的流變參數，并用后驗差方法對反分析結果進行了評價;文獻［12］將隧道現場監測得到的變形與時間關系作為研究依據，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值，在此基礎上對流變模型進行優化和選取，為隧道施工過程中圍巖穩定性的理論分析與數值計算提供合理的本構模型和模型參數。

通過以上文獻可以看出，現階段對富水若成砂巖的蠕變試驗尚未研究。為解決胡麻嶺隧道施工安全、質量和進度問題，本文結合以前的研究思路，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，原設計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，設計為客貨共線雙線隧道，開通時速為160 km/h。該隧道原設計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)為第三系富水粉細砂、泥質弱膠結，為VI級圍巖。該隧道3#斜井自2009年7月受到弱膠結飽和粉細砂影響，平均月進度11 m;4#斜井自2009年9月受到水害影響，平均月進度9 m。施工安全和質量沒有保證，工期嚴重滯后。

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

2 試驗過程

2.1 試驗儀器

在儀器選擇上，傳統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。對于粉細砂土試件，它難以達到小應力加載試驗的精確性。

本次試驗采用杠桿式流變儀進行，主要應用杠桿原理實現加載放大。杠桿式流變儀雖然應力控制精確，但沒有應變記錄裝置，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，故在本試驗之前，還需對杠桿式流變儀進行相應的改造。胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖蠕變特性試驗采用改制的杠桿式流變儀(見圖3)進行，同時為適應本試驗較大加載應力的要求，在儀器底座處設置一圓柱形基座，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弱膠結，基本上不宜成樣，為得到具有代表性的樣品首先挖出一個工作平臺，切出一個約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將試件分為5個含水量等級，對每個含水量等級分別進行4個應力等級的流變試驗。各含水等級試件蠕變試驗加載應力如表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加載應力Table 1 Loading on creep testing samples with different water content rates

3 試驗結果

胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖蠕變特性試驗得到試件應變－時間曲線如圖6所示。表2給出了各組試件蠕變特性試驗數據。

由圖6和表2可以看出:

1)隨加載時間變化，試件應變發展經歷了瞬時變形、初始蠕變和等速蠕變3個階段。

2)試件加載后，彈性應變通常在約7 s后結束，然后進入初始蠕變階段;且試件含水率越低，初始流變經歷時間越長，初始流變占總流變應變的比例越小。

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

4 弱成砂巖蠕變模型及參數確定

根據胡麻嶺隧道第三系弱成砂巖蠕變特性試驗結果可知，可采用廣義的開爾文模型進行描述。對廣義開爾文體蠕變方程進行轉換后得

設

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

圖6 不同含水率試件應變－時間曲線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據匯總Table 2 Data of creeps of samples with different water content rates

圖7 不同含水率試件應變－時間擬合曲線Fig.7 Fitted curves of strain Vs time of samples with different water content rates

對試件蠕變試驗數據進行擬合分析，結果如圖8所示。k1，k2，η 與 w 的函數關系為: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 試件蠕變試驗參數之間的函數關系Fig.8 Function relationship among creep testing parameters of samples

5 結論及建議

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

2)含水量不同時，蠕變曲線中的瞬時應變、初始流變應變比例及總流變比例不盡相同。主要表現為干燥狀態下，弱成砂巖初始流變占總流變變形約為53%，而含水狀態下其比例在80%以上。在設計施工方案中應考慮洞內超前降水和洞內重力降水，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)通過對室內試驗數據的擬合分析，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行論證，開展了蠕變試驗研究，結合蠕變試驗結果及指導意見，進行了大量的工藝試驗。在該套地層6個作業面采用了礦山法(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，實現了施工安全、質量可控、進度穩定的目標。

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