刘远明，田兴朝，杨智成，杨家曌

(1.贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550001)

尽管近年来我国隧道施工水平越来越高，施工机械设备越来越先进，但对于长度超万米的隧道，仍面临工期紧张的问题。应对隧道施工方案进行优化，在确保隧道安全条件下加快施工进度，以满足工期要求。一般地，应先进行隧道模型试验和数值模拟试验，分析各种工况下隧道围岩稳定和隧道结构安全，在此基础上提出隧道施工方案。隧道围岩力学性质试验是进行隧道模型试验和数值模拟试验的基础。

许多学者开展了隧道围岩力学性质试验研究，如：莫林辉研究了撮箕坡1#隧道凝灰岩、玄武岩围岩力学性质，杨延龙研究了竹溪隧道泥质板岩围岩的水理性质，祝艳波研究了凉水井隧道的石膏岩强度特性，吴永胜研究了成兰铁路千枚岩隧道围岩的物理性质和力学特性，高红红研究了金山隧道围岩矿物成分与围岩工程性质的关系。

桐梓隧道是兰州至海口国家高速公路重庆至遵义段(贵州境)扩容工程控制性工程，也是贵州省最长的公路隧道。隧道为分离式双向六车大跨度隧道，左幅起止桩号为ZK34+508～ZK45+005，长10 497 m，其中III级围岩段1 975 m，IV级围岩段7 430 m，1 092 m；右幅起止桩号为YK34+530～YK45+015，长10 485 m，其中III级围岩段1 980 m，IV级围岩段7 355 m，IV级围岩段1 150 m。

在隧道施工现场采取样品，进行室内试验。试验成果可作为变更隧道围岩级别的依据，为隧道模型试验和数值模拟试验提供力学参数，施工方案优化提供支撑。

1 试验试样和试验设备

1.1 现场采样

根据桐梓隧道地勘资料，桩号YK34+780～YK35+275，隧道长495 m，顶板埋深72～153 m，洞身围岩为中风化灰岩、炭质泥岩，岩质较软，Rc=30 MPa，岩体较完整，Kv为0.75。隧道开挖可能产生点滴状、淋雨状出水。地下水影响修正系数0.2，岩体基本质量部指标[BQ]为357，按III级围岩进行支护。在隧道施工过程中，出现小范围坍塌，隧道变形较快，需调整隧道施工方案。故在隧道桩号YK35+000施工现场采集围岩样品，进行室内试验，以获得围岩的力学性质参数，作为施工施工方案优化提供支撑

1.2 试验试样加工

按《公路工程岩石试验规程》(JTG E41-2005)，通过钻样、切割及断面打磨后制作成单轴试验、三轴试验和巴西劈裂试验试样。单轴试验、三轴试验试样为直径50 mm，高度100 mm的圆柱形试样，直径的变化范围为48～50 mm。巴西劈裂试验试样为直径50 mm，高度50 mm的圆柱形试样。

1.3 试验设备

采用RMT-301岩石与混凝土力学试验系统进行试验。该系统是计算机控制的多功能电液伺服试验机，专为岩石和混凝土一类材料的力学性能试验而设计的，符合相应的国家标准。该系统具有操作方便、控制性能好、自动化程度高、测控精度高、刚度高、长期稳定性好等优点。

2 隧道力学性质试验及分析

2.1 单轴抗压试验

采用RMT-301岩石与混凝土力学试验系统。单轴抗压强度试验采用等位移速率加载控制方式，加载速率为2×10-3mm/s。

式中：σ为应力，MPa；P为荷载(N)；A为试件的截面积，mm2

单轴抗压强度和单轴压缩试验结果见表1。从表1可见，试样抗压强度为26.004 MPa，弹性模量为12.86 GPa，变形模量10.347 GPa，泊松比为0.15。

表1 单轴抗压强度和压缩试验

2.2 巴西劈裂试验

采用RMT-301岩石与混凝土力学试验系统进行巴西劈裂试验。

岩样抗拉强度按式(2)计算。

(2)

式中，σt为抗拉强度，MPa；Pt为破坏时的极限荷载，N；D为圆柱体试件直径，mm；H为圆柱体试件高度，mm。

试验结果见表2。从表2k可见，岩石试样的抗拉强度为1.963 MPa。

表2 巴西劈裂试验

2.3 三轴试验

采用RMT-301岩石与混凝土力学试验系统进行三轴试验。三轴试验结果如表3所示。

表3 三轴试验

将表3中轴压和围岩绘于图1。结合图1，试样的黏聚力和内摩擦角按式(3)、(4)计算。

图1 轴压-围压关系图

(3)

(4)

式中：c为黏聚力，MPa；φ为内摩擦角，°；b为轴压-围压关系曲线在σ1轴上的截，MPa；m为轴压-围压关系曲线斜率。

由图1，b=24.536，m=4.192 5。按式(3)、式(4)计算得：c=5.99 MPa，φ=37.94°。

2.4 试验结果应用

根据文献围岩基本质量指标BQ按式(5)计算

BQ=100+3Rc+250Kv

(5)

式(5)遵守下列限制条件：(1)当Rc>90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值；(2)当Kv>0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04和Rc代入计算BQ值；

围岩修正质量指标[BQ]按式(6)计算

[BC]=BQ-100(K1+K2+K3)

(6)

式中：K1-地下水影响修正系数；K2-主要软弱结构面产状影响修正系数；K3-初始应力状态影响修正系数

将Rc=25.697 MPa，Kv=0.75代入式(5)，计算基本质量指标BQ=365；将BQ=365，k1=0.2，k2=0，k3=0代入式(6)，计算围岩修正质量指标[BQ]=345，YK35+000断面隧道围岩级别应调整为IV级围岩。

3 结 论

通过在桐梓隧道桩号YK35+000现场采样，试样加工，进行了单轴压缩试验、巴西劈裂试验、三轴试验等力学性质试验，确定了该段隧道围岩力学性质。

(1)取样段隧道围岩抗压强度为25.31 MPa，抗拉强度为1.963 MPa，弹性模量为12.86 GPa，变形模量10.35 GPa，泊松比0.15。

(2)通过三轴试验，测得取样段隧道围岩抗剪参数：黏聚力5.99 MPa，内摩擦角37.94°。

(3)按地勘资料，桩号YK35+000围岩级别是III级。但是，按本次隧道围岩力学性质试验结果，应将该围岩级别调整为IV级。

(4)按以上隧道围岩力学性质参数、围岩级别，可进行数值模拟试验和物理模型试验，在此基础上进一步提出合理的隧道施工方案。