某铁路隧道底鼓段粉砂质泥岩微宏观物理力学特性研究

刘 超，袁 伟，路军富，张 钊

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

随着我国隧道建设的不断发展，越来越多的长大隧道在穿越崇山峻岭时面临复杂不良地质条件的挑战[1-2]。其中穿越高地应力区且地质环境恶劣的软弱围岩时，在隧道建设和养护过程常会出现隧道底鼓的现象。底鼓是隧道围岩变形与破坏的主要表现形式，会造成隧道底部结构破坏影响轨道结构稳定性，从而影响工程质量和运营寿命，而且对隧道的施工和运营安全产生极大的威胁[3-4]。

姜耀东等[5]通过大量的实验和数值计算，将隧道底鼓分为4种类型，为之后的隧道底鼓研究提供了参考。薛晓辉等[6]通过分析武都西隧道底鼓的形成机理和特点，推导出隧道底板产生压曲破坏时的临界荷载表达式，并进一步研究了隧道底鼓防治措施。腾俊洋等[7]结合室内试验和数值模拟的方法分析了地下水对层状炭质页岩隧道底鼓的影响。樊纯坛[8]通过室内试验、现场检测及数值模拟等方法对大断面富水泥岩隧道受力特性及仰拱底鼓机理进行了研究。王进博等[9]采用室内岩石物理力学试验和数值模拟的方法，分析了马嘴隧道左线水平层状页岩底鼓机理并对底鼓措施进行了研究。Heuze[10]、Kovari等[11]认为底板岩层受到的拉应力大于自身应力，底板岩层会遭受破坏向隧道内隆起。本文以YD隧道底鼓段粉砂质泥岩为研究对象，通过现场调查和室内试验的研究方法，探明研究区内隧道底部岩石的工程地质特征。研究主要从微观和宏观两方面考虑，包括隧道底部岩石的组成成分、微观结构、膨胀性、抗剪强度、抗压强度等内容。分析隧道底部岩石的工程力学特性对隧道底鼓产生的影响，为该隧道的底鼓治理提供科学依据与理论支持，也为今后类似地区铁路隧道设计、施工和运营维护提供依据。

1 工程概况

YD隧道全长7 858 m，是一条客货共线双线铁路隧道。该隧道系双块式无砟轨道，隧道为马蹄形断面且采用复合式衬砌，研究区通过新奥法组织施工，采用光面爆破及湿喷技术进行开挖衬砌。隧道初次衬砌为C20喷射混凝土，二衬和仰拱采用C25钢筋混凝土。复合式衬砌厚度为0.4 m，仰拱厚度为0.45 m。YD隧道2019年2月竣工，7月运营。隧道运营至今，共有4段底鼓较明显，如图1所示，分别为：(1)K106+300～+350，埋深105 m；(2)K108+010～+020，埋深290 m；(3)K108+600～+640，埋深184 m；(4)K109+250～+280，埋深114 m。

工程区岩性为上侏罗统蓬莱镇组(J3p)的紫红色、棕红色薄至中厚层状泥岩、粉砂质泥岩，夹粉砂岩及细粒长石砂岩，砂岩厚度均小于5 m，其间夹有1层灰绿色水云母黏土岩(又称“仓山页岩”)。节理不甚发育，主要为表层风化裂隙，属Ⅲ级围岩，局部为Ⅳ级软岩。区域上部厚420 m，测区地层出露不全，出露厚度为120 m。通过钻孔揭示，底鼓段隧底主要以紫红色粉砂质泥岩为主，实测范围内最大水平主应力为14.2～16.7 MPa，最小水平主应力为4.8～9.3 MPa。经现场监测地下水位无变化，地下水位稳定后水位普遍位于隧道仰拱回填层顶面以下0.1～1.0 m范围，地下水不具承压性[12]。

图1 底鼓段位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the kick drum position

现对该段隧道底部岩石进行微观组构和宏观力学特性研究，分析其工程力学特性。在YD隧道桩号K106+300～K109+280区间中的底鼓段钻孔取样，并立即采用保鲜膜封存，置于阴凉处，然后运往实验室进行标准试样的制作。

2 围岩物理力学特性研究方法

本次试验主要针对YD隧道底部粉砂质泥岩的工程特性开展研究，参考其他学者研究方法[13-14]，主要试验内容包括：X粉晶衍射试验、扫描电镜试验、岩石的膨胀率试验及岩石的抗压抗剪强度试验。根据TB 10115—2014《铁路工程岩石试验规程》中的方法[15]，选取K106+300～K109+280区间保存完好的岩样进行试验，试验具体准备如下：

(1)X粉晶衍射试验

将所取岩样敲碎成小块分别研磨15～20 min，取1.300 0±0.001 0 g的样品制样。采用DX—2700型衍射仪，在CuKa, Ni滤光条件下，对粉砂质泥岩进行物相分析，检测出所含矿物成分的相对含量。

(2)扫描电镜试验

从所取试样上取下一小块样品，选定垂直层理的表面和层理面为观测面，预先对观测面用极细的砂纸打磨，然后放入氩离子抛光仪进行抛光，薄片大小为0.6 mm×0.6 mm×0.2 mm左右，抛光面积3～5 mm2。然后采用697 Ilion II氩离子抛光系统对试样进行处理，最后放在S3 000N扫描电子显微镜下进行观察。

(3)膨胀性试验

(4)直剪强度试验

采用携带式岩土力学性质多功能直剪试验仪将加工成5 cm×5 cm×5 cm正方体试样，每组5个进行试验。设定好法向千斤顶压力表预定值，并按照一定梯度变化进行5组试验。

(5)单轴压缩及变形试验

将所取岩样加工成5 cm×10 cm(r×h)圆柱体试样，利用MTS815电液伺服控制刚性试验机，轴向力垂直层理面施加，用岩石试件的变形控制加载速度，从而得到岩石的单轴抗压强度。在试件上安放轴向位移计和环向引申计，用以量测试件在受力过程中的轴向位移和环向的变形。试验中所取试样主要选取的是底鼓段的钻孔岩样，岩性均为粉砂质泥岩，每组试样个数为2个。其中K109+266处取样采用自然浸水饱和制样。

3 围岩物理力学特性研究结果及分析

3.1 微观成分及结构分析

3.1.1X粉晶衍射试验

岩石的膨胀性与岩石的组成成分密切相关，其中，黏土矿物蒙脱石和高岭石对其影响最为明显[16-18]。

经过试验，研究区粉砂质泥岩以黏土矿物和碎屑矿物为主，黏土矿物以伊利石为主，含量在30%左右；绿泥石次之，含量在17%左右；碎屑矿物以石英为主，含量在30%左右，局部位置略少。由此可见，该研究区段矿物成分组成基本相同，矿物成分含量存在细微差异。从岩石的成分看，该地区岩石成分不含蒙脱石和高岭石，不具有吸水膨胀性。各区段岩石组成成分相对含量见表1。K106+326处矿物鉴定成果如图2所示。

表1 主要矿物含量

图2 K106+326处矿物成分鉴定成果图Fig.2 Results of mineral composition identification at K106+326

3.1.2扫描电镜试验结果

(1)K107+652桩号处隧道底部1.5 m处试样

由图3可知，将粉砂质泥岩沿着垂直层理面进行抛光处理，放大20 000倍后，可发现大量的细小原生裂纹，呈网状发育，整体呈现不规则的狭缝状，最长的裂纹为6 μm左右。由于此处粉砂质泥岩内部存在微裂纹，当岩石受到较大水平剪切力时，层间的微裂隙更容易贯通形成更宽更长的裂缝，最终沿着层理面产生相对位移。

由图4可知，将粉砂质泥岩试样层理面放大40 000 倍后，可以清晰看到粒状的石英颗粒与片状伊利石相互存在，并夹杂少量的绿泥石和方解石，伊利石排列呈片状分布，具有一定的方向性。粉砂质泥岩矿物以片状为主，片状排列较为紧密，其间夹杂许多颗粒状矿物如石英等。

图3 垂直于层理面上裂纹发展图Fig.3 Diagram showing the crack development perpendicular to the bedding plane

图4 放大40 000倍层理面上微观展布Fig.4 Micro-view of the bedding plane after 40 000 times magnification

(2)K108+645桩号处隧道底部以下2.4 m试样

图5 放大5 000倍的裂纹和裂隙分布Fig.5 Crack and crack distribution after 5 000 times magnification

由图5可知，将所取粉砂质泥岩岩样放在扫描电子显微镜下放大5 000倍，能够清晰观测到微观结构呈现片状，排列较为紧密，且具有一定的方向性，片状基质结构表层分布有少量碎屑颗粒。片状伊利石间存在孔洞及细小裂纹，最大的孔洞直径约为8 μm左右，最小的孔洞直径仅为2 μm左右，裂纹长度为3～8 μm，未见明显的石英颗粒。

3.2 宏观力学特征研究

3.2.1膨胀性试验

所制岩样按照试验要求进行操作，经过90 h的浸泡，试样的轴向和径向变形结果如下：

由图6中数据可知，岩样在原状水样浸泡下，前10 h变形较为明显，随后岩样浸水变形速度减缓，岩样浸水膨胀变形，轴向变形大于径向变形。岩石的自由膨胀率与岩石的性质有关，岩石泥质含量越多，自由膨胀率相对就越高。根据 TB 10038—2012《铁路工程特殊岩土勘察规程》，K106+326处岩石最大轴向自由膨胀和最大径向自由膨胀分别为1.96%、1.31%；K107+652处岩石最大轴向自由膨胀和最大径向自由膨胀分别为0.39%、0.05%，均属于非膨胀性岩石[19-20]，结合X粉晶衍射试验，可知此处的隧道底鼓不是由岩石的膨胀性导致的。研究区岩石存在微小原生裂隙，可能在地下水侵蚀下破裂甚至崩解，降低岩石的强度。

图6 粉砂质泥岩浸水自由膨胀曲线Fig.6 Free-swelling curve of silty mudstone immersion in water

3.2.2直剪强度试验

按照要求，经过一系列试验，岩样剪切破坏后的形态特征如图7所示。当剪切方向平行层理面时，剪切破坏面沿着层理面方向；当剪切方向垂直层理面时，破坏面垂直层理面，但是岩样还会沿着层理面产生裂纹。沿层理面的岩石强度明显相对较弱。

图7 粉砂质泥岩剪切破坏形态Fig.7 Shear failure morphology of the silty mudstone

不同地段的粉砂质泥岩直剪强度试验研究成果如表2所示。表2表明，平行层理面时，岩石黏聚力1.45～3.56 MPa，内摩擦角42.4°～56.9°。垂直层理面时，岩石黏聚力3.98～5.84 MPa，内摩擦角56.7°～62.1°。

表2 直剪强度试验成果表

3.2.3单轴抗压强度及变形试验

由K106+326和K109+266处试验结果可知平行层理面剪切比垂直层理面剪切，内摩擦角和黏聚力更小(图8)，不难推测隧道底部岩石在水平高地应力下容易破坏。此外，由K108+645和K109+266处试验结果可知，水对岩石的黏聚力和内摩擦角影响明显，饱水状态下，黏聚力下降50%左右。结合扫描电镜试验，隧道底部岩石内部存在原生裂缝，若在地下水和地应力的综合作用下，岩石容易产生剪切破坏，从而使隧道底部岩石产生变形。

图8 K106+326附近粉砂质泥岩Fig.8 Silty mudstone near K106+326

由粉砂质泥岩单轴压缩试验应力-应变曲线可以看出(图9)，岩石先经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段3个阶段，由于没有围压的存在，单轴压缩很难观测到应变软化段，即岩石达到峰值强度后，岩石发生破坏[21-22]。

图9 粉砂质泥岩天然(饱水)应力应变曲线Fig.9 Natural (saturated) stress-strain curve of the silty mudstone

从压缩破坏后粉砂质泥岩的破坏形态可以看出，试件为竖向劈裂破坏，裂纹以竖向发展为主，在压缩过程中竖向裂纹贯通，形成贯通的裂缝，最终试件被破坏。其中天然含水条件的试件在应力作用下，试件边缘先产生不贯通裂缝，致使应力释放，使应力-应变曲线呈现起伏不平，最终形成贯通裂缝，受轴向应力骤降(图10a)。而饱水试件强度较弱，随着应力增加岩石将直接产生竖向贯通裂缝发生破坏(图10 b)。

图10 粉砂质泥岩破坏形态Fig.10 Silt mudstone failure morphology

通过应力-应变曲线计算得出粉砂质泥岩单轴压缩试验的参数如表3所示。

研究区段的粉砂质泥岩平均单轴抗压强度为34.78～42.03 MPa，弹性模量为4.06～4.86 GPa，泊松比为0.26～0.34。其中K109+266粉砂质泥岩试样为饱水试样，其抗压强度计算出来平均为19.56 MPa，与自然状态下的粉砂质泥岩抗压强度相比较，折减了45%～55%左右。弹性模量一般为1.74～2.18 GPa，平均为1.96 GPa，折减50%，泊松比为0.36。

表3 粉砂质泥岩单轴试验成果

由单轴试验结果看出，岩石在达到应力峰值产生竖向脆性破坏。在地应力作用下，岩石卸围压更容易使岩石破坏，且破坏程度也更为剧烈。根据TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》，饱和状态下抗压强度为19.56 MPa，可以判定YD隧道底部紫红色层状粉砂质泥岩属于较软岩[23]。

根据《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)规定，此处Rc/σmax=1.37<4，属于极高地应力的情况[24]，侧压力系数大于1，可见地应力以水平应力为主导，随岩层深度的增加有增大的趋势。

3.3 岩体质量评价

YD隧道2009年施工完成运营至今，根据资料记录工程区岩性为上侏罗统蓬莱镇组(J3p)的紫红色、棕红色薄至中厚层状泥岩、粉砂质泥岩，夹粉砂岩及细粒长石砂岩，砂岩厚度均小于5 m，节理较发育，主要为表层风化裂隙。根据《工程岩体分级标准》，可以判断研究区岩体完整性指数Kv为0.75～0.55。由单轴压缩变形试验可知，研究区紫红色粉砂质泥岩的单轴饱和抗压强度为19.56 MPa，属于较软岩。综上得到BQ评价计算结果如表4所示。

表4 BQ评价计算表

依据《工程岩体分级标准》中岩体质量分级表确定，将工程区岩体质量评级为Ⅳ级。

4 结论

(1)研究区岩石的矿物成分组合基本相同，主要物质为石英、伊利石和绿泥石，不含蒙脱石和高岭石。根据膨胀性试验，最大膨胀率为1.96%。综合分析研究区隧道底部岩石不具有膨胀性。

(2)根据扫描电镜试验，观测到平行层理的面上存在2～8 μm粒间孔隙，岩石内部存在细小原生裂纹，长度为3～8 μm。这种分布在黏土矿物碎屑及石英颗粒之间孔隙和裂纹，容易使岩石在受到较大水平剪切力时，贯通形成更宽更长的裂缝，最终沿着层理面产生破坏。

(3)YD隧道底部紫红色粉砂质泥岩的平均单轴抗压强度为34.78～42.03 MPa，弹性模量为4.06～4.86 GPa，泊松比为0.26～0.34。平行层理面时，岩石黏聚力1.45～1.90 MPa，内摩擦角42.4°～56.9°。垂直层理面时，岩石黏聚力3.98～5.84 MPa，内摩擦角56.7°～62.1°。饱和抗压强度11.3～21.8 MPa，属于较软岩，综合岩石质量评价为Ⅳ级围岩。

(4)粉砂质泥岩抗剪和抗压强度随着含水率的增加而减小。饱水状态与天然状态相比内聚力缩减50%左右，抗压强度缩减了45%～55%，弹性模量缩减了50%。

(5)围岩岩体不具备膨胀性，现场监测地下水位无变化，因此地下水和膨胀性不是隧道底鼓的直接诱因。推测隧道底鼓主要诱导因素是地应力、层状岩体和岩石蠕变，这将作为下一步的研究重点。