涌水隧道支护对围岩力学性质的影响
侯艳娟，张顶立，郭富利
(北京交通大学 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)
摘 要：以宜万铁路堡镇隧道为工程背景，首先对高地应力大变形段中所揭示的软弱围岩不同饱水状态下的单轴试验方案进行设计，进行单向应力状态下岩石力学性质测试，探讨饱水状态对软岩强度和峰后体积应变的影响规律；然后，根据试验结果和现场监测数据，对饱水时间1月的岩石试件进行了低围压(0.2，0.4，0.6，0.8和1.0 MPa)条件下的三轴压缩试验，研究围压对软岩强度和体积应变的影响规律；最后，提出隧道二次衬砌的作用时机。研究结果表明：当堡镇隧道大变形段围岩变形量达到总变形量的70%时，适宜施作二衬。
关键词：饱水软岩；岩石体积变化；单轴试验；二次衬砌
中图分类号：TU921 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2010)03-1152-06
Influences of support on mechanical property of rock in
water-containing tunnel
HOU Yan-juan, ZHANG Ding-li, GUO Fu-li
(Tunnel and Underground Engineering Research Center of Education Ministry,
Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)
Abstract: To assure the design, construction, support and operation safety of tunnel, the change law of soft rock strength and volumetric strain under different saturated time was studied using XTR01-01 microcomputer electro-hydraulic servo controlling triaxial test instrument. The mechanical behaviors of black macker that was widely distributed in Baozhen tunnel were discussed by a series of compressive tests under different saturated conditions, and the effects of saturated time on mechanical properties were researched. According to test results and the measure data of Baozhen tunnel, a series of triaxial compress tests of the rock samples whose saturated time is 1 month were carried out; the variation laws of strength and volumetric strain under low confining pressures (0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 MPa) were analyzed. Finally, the occasion of constructing the second liner was put forward. The results show that the second liner can be constructed when the surrounding rock deformation reaches 70% of the total deformation at large deformation section of Baozhen tunnel.
Key words: saturated soft rocks; rock volume change; compressive test; second liner
随着交通建设和采矿业的发展，越来越多的隧道及其他地下工程将不得不穿越软岩地层，并且围岩可能同时遭受地下水的作用。软岩隧道围岩体实际上是处于应力峰后状态下的，因此，研究水对岩石力学性质和峰后体积变化的影响规律对有地下水存在的软岩隧道工程的设计与施工有重要意义。从20世纪70年代开始，国内外学者就围压对岩石力学性质的影响进行了大量的室内三轴试验[1-6]，试验结果表明：岩石抗压强度和残余强度随着支护阻力的增加而提高，体积应变随着支护阻力的增加而降低；但饱水状态对岩石力学性质和峰后体积应变影响的试验研究较少，一般认为饱水时间越长，岩石抗压强度越低，体积应变越大。到目前为止，同时考虑地下水和支护阻力对岩石力学性质和峰后体积应变影响的试验研究较少。为此，本文作者以宜万铁路堡镇隧道高地应力大变形段的炭质页岩为研究对象，结合围岩赋存条件，利用常规压缩试验研究不同饱水状态下软岩强度和峰后体积变化的规律，为堡镇隧道高地应力大变形段支护的设计和施工提供理论依据。
1 工程概况
堡镇隧道位于贺家坪—榔坪，采用左、右两单线方案，全长约11.5 km。左线DK72+834~DK79+887段及右线YDK72+248~YDK79+995段埋深较大，局部地段达到630 m；左线穿越志留系碎屑岩10.263 km。其中，O2+3泥灰岩、页岩段长1.3 km，按照国际岩石力学学会于1990年和1993年定义的软岩概念(单轴抗压强度为0.5~25.0 MPa的一类岩石)，基本可定为软岩。围岩级别划分情况如下：Ⅲ级围岩长度为4.818 km，占整个隧道长度的41.67%；Ⅳ级围岩长度为6.589 km，占整个隧道长度的56.98%；Ⅴ级围岩长度为156 m，占整个隧道长度的1.35%。根据测试及分析隧道洞身最大水平主应力为16 MPa，隧道横截面内的最大初始应力σmax约为14.75 MPa。对应岩体(炭质页岩、砂质页岩和灰岩)，其单轴抗压强度(Rc)为3.9~9.1 MPa，Rc/σmax=0.26~0.60＜4.00，根据《工程岩体分级标准》(GB 50218—94)[7]，该区属极高应力区，隧道极可能产生大的位移和变形。
监控量测资料表明：目前在建的宜万铁路堡镇隧道，右线平导大变形段围岩收敛变形较大，前5~7 d变形速度较快，达到总变形量的74%，变形收敛时间较长，为40~45 d，最大水平收敛值达996.77 mm，最大拱顶下沉值达521.01 mm。开挖揭示地层为炭质页岩、强风化，围岩变形和钢拱架扭曲现象严重(如图1所示)，地下水丰富，地下水出露位置不稳定，经常发生变化，最大涌水量达80 m3/h。对于此类不良地质工程问题，研究不同饱水状态下软岩力学特性成了工程界最为关注的问题之一。堡镇隧道是宜万铁路建设的控制性工程之一，地质条件之复杂实属罕见，工程特点可以概括为：深埋、偏压、富水、高地应力，软岩、顺层、山高谷深、地质复杂、施工风险多、科技含量大及建设标准高。
(a) 掌子面岩芯饼化现象；(b) 喷射混凝土开裂；
(c) 钢架变形扭曲；(d) 钢架变形折断
图1 炭质页岩地层变形情况
Fig.1 Deformation conditions of macker section
2 软岩力学性质试验
2.1 软岩饱水的力学试验方法
结合宜万铁路堡镇隧道重大工程建设，根据堡镇隧道大变形段所揭示的围岩类别、地下水分布情况及现场监控量测资料和围岩收敛变形特征，认为地下水是引起隧道大变形的主导因素之一。因此，开展堡镇隧道大变形段软岩在不同饱水状态下力学性质和体积应变的变化规律的室内试验研究，对于揭示软岩力学性质的饱水软化的本质和规律及指导大变形段工程支护实践具有重要意义。试验岩样取自大变形段广泛分布的炭质页岩，岩体中裂隙发育，失水易干裂，浸水易软化，岩体强度低，胶结程度差，易风化，地下水较发育。试验岩样尺寸(直径×长度)为50.00 mm×l00.00 mm，制样过程造成的岩样尺寸误差为±0.4 mm。本试验采用不同饱水时间炭质页岩的单轴压缩试验方法，饱水时间分别为2周、1月、2月、3月。试验采用轴向位移控制，速率为0.1 mm/min。
2.2 软岩饱水试验结果及其分析
2.2.1 软岩强度变化规律
将所采集的岩样分别在天然状态、饱水2周、1月、2月和3月时开展软岩的力学性质试验，对试验结果进行统计和拟合，获得饱水时间对软岩力学性质的影响规律。
不同饱水状态下软岩强度如图2所示。从图2可以看出：在饱水时间1月内，岩样的峰值强度降低幅度很大；1月以后，峰值强度降低幅度减缓；当饱水时间为2月以后，岩样的峰值强度基本不再变化，可将饱水2月时的峰值强度作为长期峰值强度。在饱水时间为1月之内时，水对岩样的残余强度软化严重；当饱水时间为1月以后，岩样的残余强度基本不再变化，可以将饱水1月时的残余强度作为长期残余强度。在1月的饱水时间内，峰值强度和残余强度对饱水时间具有较强的敏感性；饱水时间大于1月时，峰值强度和残余强度变化幅度较小，对饱水时间不再敏感。
1—残余强度；2—峰值强度
图2 饱水时间与软岩强度关系曲线
Fig.2 Relationship curves between saturated time and soft rock strength
2.2.2 水对软岩强度软化的作用机理分析
水对岩石试件强度软化作用的机理包括以下几个方面[8]：
(1) 水分子进入粒间间隙而削弱了粒间连结，软化了岩石峰后的力学性质。
(2) 水是一种良好的溶剂，可以溶解许多岩石试件中的矿物成分，对岩石试件也起了软化作用。
(3) 隧道围岩遇水软化是指地下水沿着围岩孔隙、裂隙等结构面渗透到岩体中的过程中发生了一系列的物理和化学作用，从而使岩体发生物理或化学变化，如体积增大、容重增加，有些含亲水性高的矿物浸水后其颗粒之间水膜增厚而引起岩石的膨胀，由于膨胀作用，使得岩体内部产生应力不均匀或部分胶结物被溶解，从而导致岩石颗粒分散即崩解，因此，造成围岩强度降低。
2.2.3 软岩峰后体积变化规律
体积膨胀是岩石峰后的变形特性，与围岩的稳定性和支护理论有密切关系。巷道支护的作用是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。根据岩石峰后变形特点，支护与围岩间的相互作用是接触应力，围岩稳定的关键是控制围岩变形。人们普遍认为：岩石体积膨胀(体积应变为正)是从应力达到峰值强度开始的，因此，将岩石体积膨胀分为“初始膨胀”(应力峰值对应的体积应变)、“膨胀一期”(软化段)和“膨胀二期”(残余变形段)3个阶段。
软岩体积应变与饱水时间关系如图3所示。从图3可见：峰值时初始膨胀体积应变、峰值后岩石“膨胀一期”末尾段(膨胀二期初始段)和“膨胀二期”末尾段体积应变随饱水时间而增大的变化趋势基本相同，饱水初期(2周)对岩石试件体积应变有显著的影响，而饱水时间再延长时，体积应变变化幅度较小。因此，可以认为水对岩石体积应变的影响主要集中在最初的2周内。单轴压缩试验中，“初始膨胀”体积应变为正值，表明当岩石达到峰值应力时，岩石试件开始发生体积膨胀。
1—初始剪胀；2—剪胀一期；3—剪胀二期
图3 饱水时间与体积应变关系曲线
Fig.3 Relationship curves between saturated time and volumetric strains
2.3 支护阻力对软岩力学性质的影响
隧道支护的主要功能是对围岩施加支护阻力，提高围岩围压，改善围岩的应力状态，提高围岩的自承能力和控制围岩的变形。堡镇隧道横截面内的最大初始应力σmax约为14.75 MPa，如果考虑集中应力影响，巷道周边围岩应力将达30 MPa左右。但现有支护形式呈现滞后性、不密贴、支护阻力小的特点。根据堡镇隧道实测资料显示，支护阻力一般仅为0.1~1.0 MPa。支架的微小阻力不可能改变围岩的破裂状态，也不可能从根本上阻止围岩深部岩石的运动。因此，围岩破裂不可避免，会破坏含水或潜在含水围岩，破裂围岩形成地下导水通道，使围岩与地下水接触，软化其强度。
根据饱水实验结果，饱水状态对峰值强度和残余强度的软化作用主要集中在前1月内。当饱水时间大于1月后，对饱水时间不再敏感。因此，参考堡镇隧道围岩压力实测资料(0.1~1.0 MPa)，支护阻力对软岩力学性质的影响试验采用的饱水状态为1月，围压分别为0.2，0.4，0.6，0.8和1.0 MPa。低围压下软岩峰后力学性质采用三轴压缩实验测试。围压对软岩力学性质的影响规律如图4和图5所示。
从图4可以看出：岩石试件不同阶段的体积应变变化规律基本相同，随着围压的增大而逐渐变小，但当围压为0~0.4 MPa时，体积应变下降幅度较大，表现出对围压有较强的敏感性；当围压大于0.4 MPa后，体积应变对围压的敏感性降低。
从图5可以看出：随着围压的增大，试件的峰值强度和残余强度增加，其中，峰值强度与围压基本呈现线形增长的趋势，而残余强度在围压为0~0.4 MPa范围时增长幅度较大，表现出对围压有较强的敏感性；当围压大于0.4 MPa后，残余强度对围压的敏感性降低。造成这种情况的主要原因是：岩石破坏后的破裂面并非理想的光滑面，而是粗糙不平且具有起伏的非光滑面，所以，峰值后岩石在围压低于0.4 MPa时，破裂岩块沿破裂面上下错动，对围压变化有更强的敏感性；而当围压增大到一定程度，如达到0.4 MPa后，岩块不能沿破裂面错动，而是岩块与岩块之间相互啃断，使粗糙不平的非光滑面变得较光滑，残余强度主要由破裂面的滑动摩擦决定，所以趋于稳定。峰值后，岩石表现出对围压变化的敏感性，说明围岩破坏后，较小的支护阻力即可使其残余强度提高很大。它实质上反映出围岩松动圈内残余强度(与环向应力相等)在不同支护阻力下的提高值。
1—残余段剪胀；2—软化段剪胀；3—峰值点剪胀
图4 围压与体积应变关系曲线
Fig.4 Relationship curves between confining pressure and volumetric strain
1—峰值强度；2—残余强度
图5 围压与软岩强度关系曲线
Fig.5 Relationship curves between confining pressures and strength
在深部地下工程中，单纯依靠支护结构所提供的微小阻力不可能改变深部巷道围岩的破裂状态[9-11]。但是，这并不表明初期支护毫无用处，恰恰相反，初期支护在隧道岩层控制中起着十分重要的作用，它与围岩处于相互制约、相互作用和共同承载的力学体系中。但是，它对围岩的控制作用是有限的，它主要是与离支护结构不远的部分松动圈岩体产生相互作用，对松动圈内的围岩施加径向作用力，改善松动圈内围岩的应力状态，更好地发挥围岩的自承能力。
3 二衬施作时机
在初期支护作用后，初支开始发挥作用承担围岩荷载，围岩和初支并没有达到稳定状态。在二衬施作完成后，围岩-初支-二衬的变形协调，二衬承担通过初支传递过来的围岩荷载，二衬所受荷载与二衬施作时机和初支、二衬的相对刚度等因素有关，而此时初支和二衬又作为一个新的体系共同承担围岩荷 载[12-15]。
堡镇隧道施工中围岩和初期支护变形破坏反映出来的问题，体现在还未满足现行《铁路隧道设计规范》中二次支护施作条件就已经发生塌方。因此，鉴于初期支护和二衬之间存在一定量的“自然间隙”，二衬施作时机明确为某一时刻在实践中不可行，将“膨胀一期”末尾阶段和“膨胀二期”开始阶段作为二衬的施作时机，可采用经济合理的支护型式使支护阻力控制破裂岩体产生的有害变形。
图6所示为堡镇隧道典型围岩变形-时间曲线与二衬施作时机的关系。从图6可见：围岩变形显示出极强的时效特征，可以分为2个变形阶段：Ⅰ为急剧变形阶段，Ⅱ为稳定变形阶段。由于围岩初次量测时机的滞后性，围岩变形是从“膨胀一期”开始算起，对应图6中的急剧变形阶段。对于堡镇隧道高地应力炭质页岩段，急剧变形阶段持续时间1月以上，稳定变形阶段对应“膨胀二期”，围岩变形速率明显下降。将峰后非连续体变形控制在“膨胀二期”的初始阶段，能以较低的支护阻力有效控制过高的破裂膨胀变形 发生。
根据对堡镇隧道高地应力大变形段围岩变形量测资料的统计分析，急剧变形阶段(Ⅰ)围岩变形量占总变形量的70%左右。因此，在二次支护的实践中，可以通过围岩变形量来确定二次支护的施作时机。
图6 典型围岩位移-时间曲线与二衬施作时机关系
Fig.6 Relationship between typical displacement-time curve and second liner
4 结论
(1) 堡镇隧道软岩大变形段围岩地下水发育，长期饱水对其力学性质具有较强的软化作用。试验结论较好地反映了软岩强度和体积变化特征，从而为该地区的工程实践提供了参考依据。
(2) 在1月的饱水时间之内时，峰值强度和残余强度对饱水时间具有较强的敏感性；1月之后，峰值强度和残余强度对饱水时间不再敏感。
(3) 围岩破坏后，较小的支护阻力即可使其破裂块体摩擦滑移错动变形量降低。其主要原因在于支护阻力与松动圈内围岩应力之比远大于支护阻力与峰值强度时高应力之比，因而，松动圈内残余强度状态的围岩应力对其支护作用力敏感性增强。
(4) 将“膨胀一期”末尾阶段和“膨胀二期”开始阶段作为二衬的施作时机。在二次支护的实践中，当围岩变形量占总变形量的70%时施作二次支护。
(5) 岩石的软化性是指岩石与水相互作用时强度降低的性能。软化作用是水分子进入粒间间隙而削弱了粒间连结造成的。同时，水溶解岩石中的矿物成分，对岩石也起了软化作用。此外，含亲水性高的矿物浸水后膨胀，使得岩体强度降低。
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收稿日期：2009-10-12；修回日期：2010-01-25
基金项目：铁道部科技研究开发计划(2004G021-C)
通信作者：郭富利(1976-)，男，内蒙古丰镇人，博士研究生，从事岩石力学试验的研究；电话13552260385；E-mail: guofuli1@sina.com
(编辑 赵俊)
