兰渝铁路胡麻岭隧道第三系弱成砂岩蠕变特性试验研究

陈德彪

(中铁十九局集团有限公司矿业公司，北京 100161)

0 引言

兰渝铁路胡麻岭隧道第三系弱成砂岩在富水情况下修建难度较大，国内外专家、学者曾多次现场考察并进行专题论证，确定为“国内罕见、世界性难题”。针对软岩抗压强度较低、蠕变变形量较大和容易引起隧道失稳和破坏的特性，相关文献均有研究。文献［1－2］对饱水与干燥状态下的砂岩、灰岩和页岩进行了剪切蠕变实验，总结了含水率对岩石蠕变特性影响的相似性;文献［3－4］在理论上采用开尔文体及克体相结合，衍生出一种新的复合元件流变本构模型，研究复杂条件下节理软岩的蠕变变形，文献［5］利用解析的方法，以平面应变模型分析了流变特性在隧道开挖过程中空间效应的影响，推演了静水压力作用下圆形洞室围岩以及围岩与支护间接触应力的时效规律;文献［6］推导了H－K体的松与弛蠕变，在前人弹性支护和围岩的粘弹性应力解的基础上，得到了支护结构和围岩上的荷载分布形式与变化规律;文献［7］给出了满足Maxwell体模型的围岩在双向等压荷载作用下平面中圆孔半径任意扩展时的蠕变和松弛规律;文献［8］在Kelvin－Voigt流变模型的基础上，研究了支护结构的时效特性，并提出要建立在考虑支护体系流变特性情况下的时效可靠性的定义;文献［9］利用非线性蠕变模型，对圆形洞室围岩应力松弛效应进行了理论研究;文献［10］在地下工程软岩流变分析过程中引入西原模型，得出该方法具有较高的可行性和可靠性;文献［11］基于现场模型洞开挖位移监测结果，运用均匀设计－神经网络－遗传算法方法进行了反演分析，得到该区软岩的流变参数，并用后验差方法对反分析结果进行了评价;文献［12］将隧道现场监测得到的变形与时间关系作为研究依据，通过位移反分析的方法，得到了隧道围岩中对流变比较敏感的参数值，在此基础上对流变模型进行优化和选取，为隧道施工过程中围岩稳定性的理论分析与数值计算提供合理的本构模型和模型参数。

通过以上文献可以看出，现阶段对富水若成砂岩的蠕变试验尚未研究。为解决胡麻岭隧道施工安全、质量和进度问题，本文结合以前的研究思路，对胡麻岭隧道富水弱成砂岩展开蠕变特性等基础工作的研究。

1 胡麻岭隧道第三系弱成砂岩的工程特性

胡麻岭隧道全长13 611 m，原设计4座斜井，是兰渝铁路的控制性工程。该隧道位于甘肃省兰州市、定西市境内，设计为客货共线双线隧道，开通时速为160 km/h。该隧道原设计穿越地层以泥岩和砂岩为主，施工揭示判定正洞3 250 m(DK76+350～DK79+600)为第三系富水粉细砂、泥质弱胶结，为VI级围岩。该隧道3#斜井自2009年7月受到弱胶结饱和粉细砂影响，平均月进度11 m;4#斜井自2009年9月受到水害影响，平均月进度9 m。施工安全和质量没有保证，工期严重滞后。

胡麻岭隧道弱成砂岩段自遇水害后，工程特性为:围岩开挖后呈汗状渗水，且快速软化;地层中存在水囊，有时形成突水涌砂;饱和粉细砂在施工过程中受机械和人员的扰动，围岩有液化现象;在施工过程中经常出现塌方和变形现象，斜井二次衬砌施工后局部段还存在整体沉降现象。施工中典型现象如图1和图2所示。

2 试验过程

2.1 试验仪器

在仪器选择上，传统的五连压缩仪荷载输出大，它适用于硬岩(或混凝土)的蠕变试验。对于粉细砂土试件，它难以达到小应力加载试验的精确性。

本次试验采用杠杆式流变仪进行，主要应用杠杆原理实现加载放大。杠杆式流变仪虽然应力控制精确，但没有应变记录装置，并且原压缩仪主要是针对直径为3 cm的土样在围压作用下的流变试验，故在本试验之前，还需对杠杆式流变仪进行相应的改造。胡麻岭隧道第三系弱成砂岩蠕变特性试验采用改制的杠杆式流变仪(见图3)进行，同时为适应本试验较大加载应力的要求，在仪器底座处设置一圆柱形基座，能使底座牢固并起到抬高试件的作用。顶部设置一加载压头，能通过螺栓与荷载传动架牢固固定。

图3 流变压缩仪工作示意图Fig.3 Sketch of rheometer

2.2 取样

第三系弱成砂岩泥质弱胶结，基本上不宜成样，为得到具有代表性的样品首先挖出一个工作平台，切出一个约50 cm×30 cm×40 cm(长×宽×高)的长方体土体，接着再用削土刀把土体切成小的圆柱状(直径12 cm，高25 cm)。取样过程如图4和图5所示。

图4 切取长方体土体Fig.4 Cubic soil sample taking

2.3 加载过程

胡麻岭隧道第三系弱成砂岩蠕变特性试验将试件分为5个含水量等级，对每个含水量等级分别进行4个应力等级的流变试验。各含水等级试件蠕变试验加载应力如表1所示。

图5 削成圆柱状的土体Fig.5 Cylinderical soil sample taking

表1 各含水等级试件蠕变试验加载应力Table 1 Loading on creep testing samples with different water content rates

3 试验结果

胡麻岭隧道第三系弱成砂岩蠕变特性试验得到试件应变－时间曲线如图6所示。表2给出了各组试件蠕变特性试验数据。

由图6和表2可以看出:

1)随加载时间变化，试件应变发展经历了瞬时变形、初始蠕变和等速蠕变3个阶段。

2)试件加载后，弹性应变通常在约7 s后结束，然后进入初始蠕变阶段;且试件含水率越低，初始流变经历时间越长，初始流变占总流变应变的比例越小。

3)胡麻岭隧道第三系弱成砂岩具有显著的流变效应，试件流变应变多占总应变的40%以上，且流变突变在应力释放的前阶段。

4 弱成砂岩蠕变模型及参数确定

根据胡麻岭隧道第三系弱成砂岩蠕变特性试验结果可知，可采用广义的开尔文模型进行描述。对广义开尔文体蠕变方程进行转换后得

设

图7给出了拟合得到的广义开尔文模型换算参数和拟合曲线。由图7可知，蠕变方程中的参数k1，k2，η随加载应力的变化趋势基本一致，在含水量不同时却有显著差别。

图6 不同含水率试件应变－时间曲线Fig.6 Curves of strain Vs time of samples with different water content rates

表2 各含水等级的蠕变数据汇总Table 2 Data of creeps of samples with different water content rates

图7 不同含水率试件应变－时间拟合曲线Fig.7 Fitted curves of strain Vs time of samples with different water content rates

对试件蠕变试验数据进行拟合分析，结果如图8所示。k1，k2，η 与 w 的函数关系为:k1(w)=6.42+154.29 e1.1076w，k2(w)=36.298+364 e－0.63w，η(w)=e10.42－1.52w+0.093w2。结合广义开尔文模型基本形式整理可得胡麻岭隧道第三系弱成砂岩的蠕变方程

图8 试件蠕变试验参数之间的函数关系Fig.8 Function relationship among creep testing parameters of samples

5 结论及建议

1)胡麻岭隧道第三系弱成砂岩具有显著的流变效应，试件流变应变占总应变的40%以上，且流变突变在应力释放的前阶段。在设计施工方案中，建议增加初期支护的前期形变控制措施，比如设置大管棚超前预注浆、钢架加大型号、加强锁脚、纵向连接和增加喷射混凝土的前期强度等措施。

2)含水量不同时，蠕变曲线中的瞬时应变、初始流变应变比例及总流变比例不尽相同。主要表现为干燥状态下，弱成砂岩初始流变占总流变变形约为53%，而含水状态下其比例在80%以上。在设计施工方案中应考虑洞内超前降水和洞内重力降水，地表埋深较浅的采用地表重力降水措施，对于涌砂段采用双液注浆等辅助工程措施，来改善蠕变特性对工程的不利影响。

3)通过对室内试验数据的拟合分析，得到了采用广义开尔文模型建立的胡麻岭隧道第三系弱成砂岩蠕变方程。

胡麻岭隧道富水弱成砂岩地层自2010年多作业面遇水后，施工受阻，各参建单位多次在方案和工程措施方面进行论证，开展了蠕变试验研究，结合蠕变试验结果及指导意见，进行了大量的工艺试验。在该套地层6个作业面采用了矿山法(分部开挖)施工，辅助真空深井降水、超前水平真空降水综合方案，流塑状段辅助超前双液注浆措施，实现了施工安全、质量可控、进度稳定的目标。

［1］ 赵延林，曹平，陈沅江，等.分级加卸载下节理软岩流变试验及模型［J］.煤炭学报，2008(7):748－753.(ZHAO Yanlin，CAO Ping，CHEN Yuanjiang，et al.Creep properties experiment and model of jointed soft rocks under step load and unload［J］.Journal of China Coal Society，2008(7):748 －753.(in Chinese))

［2］ 胡洲，刁心宏，王继飞.浅谈软岩流变性的研究［J］.江西科学，2006(3):309 － 313.(HU Zhou，DIAO Xinhong，WANG Jifei.Elementary speaking the research on soft rock rheological property［J］.Jiangxi Science，2006(3):309 －313.(in Chinese))

［3］ 韩琳琳，徐辉，李男.干燥与饱水状态下岩石剪切蠕变机理的研究［J］.人民长江，2010，41(15):71 －75.(HAN Linlin，XU Hui，LI Nan.Research on shear creep mechanism of rocks under dry and saturated conditions［J］.Yangtze River，2010，41(15):71 －75.(in Chinese))

［4］ 何冠男.胡麻岭隧道特殊砂岩蠕变特性及工程应用研究［D］.北京:北京交通大学桥梁与隧道工程学院，2011.

［5］ 刘保国，杜学东.圆形洞室围岩与结构相互作用的粘弹性解析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(4):561 －564.(LIU Baoguo，DU Xuedong.Visco-elastical analysis on interaction between suppoting structure and surrounding rocks of circle tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(4):561 －564.(in Chinese))

［6］ 焦春茂，吕爱钟.粘弹性圆形巷道支护结构上的荷载及其围岩应力的解析解［J］.岩土力学，2004，25(S):103－106.(JIAO Chunmao，LV Aizhong.Analytical solution of loads on supporting structure for circular tunnel and stresses in viscoelastic surrounding rock［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，25(S):103 －106.(in Chinese))

［7］ 王华宁，曹志远.无限粘弹性平面中孔洞扩展的时变力学解析解［J］.固体力学学报，2006，27(3):319－322.(WANG Huaning，CAO Zhiyuan.Time-varying analytics study of random expanding hole in plane viscoelasticity［J］.Acta Mechanica Solida Sinica，2006，27(3):319 －322.(in Chinese))

［8］ 贾剑青，王宏图，李晓红，等.复杂条件下隧道支护体时效可靠性探讨［J］.岩土工程学报，2008，30(3):390 －393.(JIA Jianqing，WANG Hongtu，LI Xiaohong，et al.Time-reliability of tunnel support under complex conditions［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(3):390 －393.(in Chinese))

［9］ 王者超，陈卫忠，乔丽苹，等.地下工程应力松弛效应的初步理论界［J］.岩石力学与工程程学报，2010，29(S2):4096 －4101.(WANG Zhechao，CHEN Weizhong，QIAO Liping，et al.Preliminary study of theoretical solution to stress relaxation effect for underground engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(S2):4096 －4101.(in Chinese))

［10］ 王永岩，李剑光，魏佳，等.黏弹性有限元反分析方法及其在软岩流变问题中的应用［J］.煤炭学报，2007(11):1162 － 1165.(WANG Yongyan，LI Jianguang，WEI Jia，et al.Viscoelastic finite element back analysis method and its application in problem of soft rock rheology［J］.Journal of China Coal Society，2007(11):1162 － 1165.(in Chinese))

［11］ 董志宏，丁秀丽，邬爱清，等.地下洞室软岩流变参数反分析［J］.矿山压力与顶板管理，2005(3):60－62.(DONG Zhihong，DING Xiuli，WU Aiqing，et al.Back analysis of rheology parameters of soft rock mass in underground powerhouse areas［J］.Ground Pressure and Strata Control，2005(3):60 －62.(in Chinese))

［12］ 赵旭峰，孙钧.挤压性软岩流变参数反演与本构模型辨识［J］.铁道工程学报，2008(5):5 －8.(ZHAO Xufeng，SUN Jun.Inversion of mechanical parameters of squeezing soft rock and identification of rheological model［J］.Journal of Railway Engineering Society，2008(5):5 － 8.(in Chinese))