乌鞘岭隧道岩石试验成果研究

4 结论

通过这次的试验可以看出,在花岗岩的绿色防护中,采用挂网的方式进行客土喷播,效果明显好于不挂

网就进行喷播,采用高强度的CEC131网效果最好。植物种类方面,狗牙根、百喜草以及银合欢有明显的优势,成坪速度快,抗风化、冲刷和侵蚀的作用明显。在冬季,配合使用高羊茅也是个不错的选择。在灌木的选择上,则是以银合欢为主,配以其他当地的灌木,能很好的弥补植物单一性,同时能延缓植物的退化,丰富植物的群落,减少野生草种的侵袭,从而更好的保证护坡效果。

参

考文献

[1] 曾德礼,等.遂渝铁路岩石边坡绿色防护施工体会[J].路基工程,

2004(2)

[2] 周德培,张俊云.植被护坡工程技术[M ].北京:人民交通出版

社,2003

收稿日期:2007 04 24

第一作者简介:张惟理(1977 ),男,2001年年毕业于安徽理工大学工程地质专业,工程师。

乌鞘岭隧道岩石试验成果研究

张惟理 钱伟平

(铁道第一勘察设计院,陕西西安 710043)

Research on Achieve m e nts of Rock Tests inW ushaoli ng Tunnel

Zhang W eili Q ianW eip i n g

摘 要 长大隧道的设计和施工需要模拟自然岩体应力状况下准确的物理力学试验参数。乌鞘岭隧道在地质勘察的各个阶段和施工阶段,有针对性进行了大量的试验研究工作,为隧道正常施工提供了准确的设计参数。

关键词 岩石 试验 变形 强度

1 概况1 1 地质概况

乌鞘岭隧道穿越七套地层和F 4、F 5、F 6、F 7四条区域性大断裂及多条次级断裂,沉积岩、变质岩和岩浆岩三大岩类交互出现。主要地层岩性有第三系砂岩、泥岩夹砾岩,白垩系砂岩、砾岩夹泥岩,三叠系砂岩夹页岩及煤层,奥陶系安山岩,志留系板岩、变质砂岩夹千枚岩及加里东期闪长岩侵入体(见图1)。其中岭脊段受断裂控制,断层带、软弱岩带、富水带交替出现,存在多种复杂地质问题,围岩地质条件差。施工中F 7断层

带和千枚岩地段曾出现大变形,严重影响了施工进度,现场和室内取样试验研究贯穿于勘测设计和施工整个过程。

1 2 岩石试验概况

主要采取原状试样、扰动试样的取样试验,岩石点荷载试验,现场大面积剪切试验,现场电法、震法等综合物探,室内岩块波速测试等相结合的方法进行岩石物理力学性能试验及岩体完整性试验,以全面掌握岩体的工程特性和参数指标。其中,岩石常规物理力学试验91组,岩石薄片鉴定与定名各109组,膨胀性试验23组,岩石全过程动三轴试验24组,岩石耐磨性试验28组,岩石点荷载试验43组,大面积剪切试验28组,松软地层大块原状试样试验5组25块,矿物分析6组,水压致裂地应力测试47组,煤层瓦斯气含量测

试10组样品,其他试验还有围岩松动圈、放射性及有害气体测试等。

2 岩石主要试验项目

2 1 岩石常规试验

岩石常规试验一般包括物理性质试验(比重、颗粒密度、岩石密度、含水率、吸水率、饱和吸水率、饱水系数等),力学性质试验(单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等),水理性质试验(吸水性、软化性、耐冻性、可溶性、崩解性等),弹性变形性试验(弹性模量、变形模量、泊松比等)和岩块波速测试、点荷载测试等。

2 2 岩石其他测试试验

乌鞘岭隧道岩石其他测试试验,根据施工工法的不同,进行了针对TB M掘进机施工的岩石专项试验,内容包括:石英含量、密度、比重、吸水率、声波纵波速度、单轴干、湿抗压强度、单轴干、湿抗拉强度、弹性模量、变形模量、泊松比、常规三轴抗压强度、高刚性三轴抗压强度,岩石耐磨性等。针对软弱围岩大变形,进行了现场大面积剪切试验、现场环刀取样试验、大块原状试样室内试验、膨胀性试验、地应力测试和包括松动圈测试在内的综合物探测试。

3 岩石测试试验指标的对比分析

3 1 岩石常规试验指标的对比分析

(1)抗压强度指标

乌鞘岭隧道岩块抗压强度指标分析汇总于表1。

表1 乌鞘岭隧道岩块抗压强度指标

岩性抗压强度

第三系白垩系三叠系砂岩志留系奥陶系泥岩砂岩砾岩泥岩砂岩砾岩岭南岭脊岭北板岩安山岩

干抗压强度/M Pa 68 114 2939 441 1115 8107 653 2131134饱和抗压强度/M Pa0 122 9237 50 9526 528 287 283 58 594110 4注:表中强度指标为舍弃异常数据后的平均值。

单从数据看,乌鞘岭隧道工程区单体岩块强度较高,大多属于极硬岩(R c>60MPa)、硬岩(30M Pa需要强调的是,由于能够采取的岩样往往较好,因而乌鞘岭隧道工程区单体岩块的强度不能完全代表相同岩性岩体的强度,岩体强度大多明显小于岩块强度。在隧道岭脊受地质构造影响严重的地段,岩块强度与岩体强度的差异更大。

(2)岩石的水理指标

根据工程实际需要,乌鞘岭隧道主要进行了膨胀性、吸水率、软化性等试验。吸水率有普通吸水率和饱和吸水率,用饱和抗压强度与干抗压强度之比值来判定软化系数。乌鞘岭隧道吸水率软化性指标见表2。

表2 乌鞘岭隧道吸水软化性试验指标

岩性参数

第三系白垩系三叠系砂岩志留系奥陶系泥岩砂岩砾岩泥岩砂岩砾岩岭南岭脊岭北板岩安山岩

普通吸水率/%13 55 610 753 152 241 201 060 962 750 160 13饱和吸水率/%22 5 13 52 2 71 1 321 07 0 250 22软化系数<0 10 1~0 20 110 200 530 780 770 110 800 76

从试验结果看,岩块的吸水率与岩性、孔隙、裂隙

率及生成时间的长短(成岩作用)等密切相关。第三

系泥岩、砂岩、砾岩吸水率>白垩系泥岩、砂岩、砾岩吸

水率>三叠系砂岩吸水率>志留系板岩、变质砂岩吸

水率>奥陶系安山岩吸水率。泥岩极易吸水软化,吸

水后近乎呈崩解状态。岭脊、岭南三叠系砂岩、志留系

板岩、奥陶系安山岩吸水率小,软化系数较大,强度

较高。

(3)弹性、变形性试验指标

乌鞘岭隧道弹性、变形性试验指标分析汇总于表3。

表3 乌鞘岭隧道岩石弹性、变形性试验指标

岩性参数 第三系砂

岩夹砾岩

白垩系三叠系砂岩志留系奥陶系

砂岩砾岩岭南岭脊板岩安山岩

弹性模量/GPa4 186 977 953 526 146 257 7动弹性模量/GPa 12 34 39 468 099 9泊松比 0 350 280 240 240 200 17变形模量/M Pa3~3130~4843~58

岩石试件变形主要受控于结构和低应力状态下微裂隙的初始压密,是岩石自身结构在荷载作用下发生的内部结构调整的反映。闪长岩类、安山岩类、板岩类的结构完整性好,模量则高;砾岩类的结构完整性差,模量则小。总体而言,岩石模量主要是受其矿物成分和结构性状控制,是试验值自身结构特征的一种反映。另外,具有层状结构的岩石模量值的大小,除与试件存在结构面的数量和方向性状有关外,同时与荷载施加方向密切相关。施力方向与结构面平行,变形小,模量则大;施力方向与结构面垂直,变形大,模量则小。变形特性存在一定变化幅度。其弹性模量:安山岩类>板岩类>砂岩类,泊松比则相反。结构完整性越好,泊松比越小,弹性模量越大。变形模量:安山岩>板岩类>砂岩类。岩体埋藏越深,则裂隙张开度越小,变形模量越大。试样的变形也主要是受试样的岩石结构控制,包括初始加压阶段的微裂隙压密在内的各个变形阶段,试样均表现出各向异性和不均一性,符合岩石力学试验的规律。

(4)完整性试验指标

乌鞘岭隧道岩体完整性指标分析汇总于表4。

由表4可见,乌鞘岭安山岩岩块纵波速>板岩岩块波速>砂岩类岩块波速,岩体物探超前预报中岩体波速变化较大。第三系及部分白垩系砂岩、泥岩完整性较差,其余白垩系砂岩、三叠系砂岩、志留系板岩和变质砂岩及奥陶系安山岩岩体完整性属较破碎 较完整。

表4 乌鞘岭隧道岩体完整性指标成果

岩性

参数

第三系砂岩、砾岩白垩系砂岩、砾岩三叠系砂岩志留系板岩夹变质砂岩奥陶系安山岩岩块纵波度/(m/s)3050~35153000~36703770~44603550~54705560~6000岩体纵波速/(m/s)575~7531620~25003200~40002000~46004500

完整性系数K

v

0 03~0 050 29~0 460 72~0 800 36~0 710 56~0 65

3 2 岩石其他试验指标的对比分析

(1)岩石刚性三轴压缩试验

乌鞘岭隧道刚性三轴压缩强度试验成果见表5,与常规三轴试验的对比见表6。

表5 乌鞘岭隧道岩石刚性三轴压缩强度试验综合成果

项目地层岩性

岩石(烘干)三轴压缩强度(摩尔圆法)

峰值强度残余强度

/( )tan C/M Pa /( )tan C/M Pa

奥陶系安山岩57 5~60.51 57~1.7717 5~20.552 0~54.01 28~1.380.0~2 0志留系板岩56 5~59.01 51~1.6614 0~16.043 0~48.00 93~1.110.0

三叠系砂岩51 0~59.01 23~1.665 0~18.539 0~48.00 81~1.110 0~1.0白垩系砂岩46 0~51.01 04~1.234 0~5.037 0~42.00 75~0.900 0~1.0

两类试验结果表明,三轴剪切强度:奥陶系安山岩>志留系板岩>三叠系上统砂岩>白垩系下统砂岩。同地层岩性常规三轴与刚性三轴试验内摩擦角与凝聚力数值基本一致。本次三轴试验内摩擦角 值大于直接剪切 值,C值大于直剪,三轴更接近于真实情况。两类三轴试验表明,常规三轴内摩擦角 变化不大,而刚性三轴压缩试验中,屈服强度的 值与峰值强度 值之差甚小,峰值强度与残余强度 值之差明显,这一结果对TB M敞开式硬岩掘进机施工有重要意义。岩石抗压强度不高时,选用不同刀具掘进效率不同。

表6 刚性三轴与常规三轴对比

项目地层

/( )C/M Pa

刚性常规刚性常规

奥陶系安山岩596019 218 3

志留系板岩57 858 315 015 6

三叠系砂岩54 856 310 814 1

白垩系砂岩4950 54 65 3

(2)大面积剪切试验

大面积剪切试验是在F7断层带和志留系千枚岩松软地层中采用平推法进行。抗剪和变形试验结果见表7、表8、表9。

表7 F

7

断层泥砾带抗剪(断)试验正应力与剪应力关系

位置编号正应力

抗剪断/MP a抗剪/MP a

峰值直线段屈服值峰值直线段屈服值

Y z K0+145 1010 0540 1270 0540 0950 1060 0410 087 1020 1610 2140 1070 1740 2000 0940 161 1030 2680 3480 1610 2820 3210 1330 268 1040 1070 1740 0950 1470 1470 0810 120 1050 2140 2820 1610 2410 2550 1070 214

表8 F

7

断层泥砾带抗剪(断)强度试验成果汇总

位置项目

抗剪断抗剪

/( )c /kPa /( )C/kPa

Y z K0+145

峰值40 78736 975直线段26 13521 828屈服值36 56335 053

表9 F

7

断层泥砾带变形试验成果汇总

位置应力

循环

应力

/M Pa

变形

/10-3c m

模量

/M Pa

平均模量

/M Pa

全变形

弹性

变形

变形

模量

弹性

模量

变形

模量

弹性

模量

推力

方向

泊

松

比

Y z K0+ 145 0 202499801380

0 4041627181870

0 60624652015

0 80935042017127

993

垂直

洞底

0 33

Y z K0+ 145 0 40450611625110

0 809210524712103

1 213381929310130

1 61767483248157

14125

垂直

洞底

0 33

从结果看,试件的抗剪断屈服值均不太明显,其 曲线基本呈抛物线形,说明岩体的抗剪断形式为塑性破坏。在施加剪应力初期,在很小的应力区间范围内,试件结构尚未破坏,剪断面上下岩体一起变形, 曲线近似直线。随着应力增大,试件软弱结构面逐渐延伸、贯通、形成剪断面,试件逐渐蠕滑破坏, 曲线也沿一定弧度发展。当变形达到一定程度、剪断面上积聚的应力迅速释放,试件变形迅速增大,此时的剪应力值即为屈服值。此后剪应力继续增大,到达峰值后,应力不再增加,试件变形继续发展,试件彻底破坏。只有软岩和极破碎的岩体,才能表现出此规律性,说明F7断层试验段极为软弱和破碎。

岩体变形试验是在对岩体反复加荷与卸荷条件下的一种变形试验手段,因而要求试验岩体本身是非弹性体,即弹性变形和塑性变形同时存在,这样得到的应力-变形关系曲线呈塑性回滞环。本次试验所处围岩酥软破碎,变形基本以塑性变形为主,仅有少量弹性变形,故回滞环很小。从数据看,循环加荷过程中,全变形和弹性变形值一直呈增大趋势。在初期,载荷压密阶段变形模量升至最大,此后变形模量降低,弹性模量增大。

(3)岩石点荷载试验

针对志留系板岩、千枚岩的岩石点荷载试验共进行43组,其中板岩29组,千枚岩14组,均取样于9号斜井工区。分析点荷载试验的参数指标得出以下分析意见:

板岩点荷载抗压强度最大值为7 5M Pa,最小值为3 0M Pa,平均值为4 2M Pa;较完整块状千枚岩点荷载抗压强度最大值为3 0M Pa,最小值为1 8MPa,平均值为2 5MPa。两种岩石点荷载的强度均较低,说明围岩较为破碎,裂隙发育,力学强度低。

4 结论

乌鞘岭隧道岩石试验成果的研究表明,大多数试验成果与隧道施工开挖的实际是相近和一致的。例如,岩石完整性试验的分析结论、松软围岩现场大面积剪切试验的分析结论、岩石点荷载试验的分析结论都与施工开挖后的实际和对围岩的认识相一致。

乌鞘岭隧道岭脊段F4~F7间岩层受地质构造影响严重,岩体破碎,呈薄片状、碎块状,岩质软弱,采样困难。为此采用了综合勘探,综合测试、综合试验的方法采集岩石物理力学指标,再通过综合对比分析提供隧道设计参数,方法合理,数据可靠。

参考文献

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