黃經(jīng)偉,蔣志明,周 凱,張慶彬,彭 松,孫 周

(1.長沙理工大學(xué), 湖南長沙 410114;2.中鐵十八局集團(tuán)有限公司, 天津 300222)

平導(dǎo)開挖空間對爆破振動(dòng)衰減規(guī)律的影響

黃經(jīng)偉1,蔣志明1,周 凱2,張慶彬1,彭 松1,孫 周1

(1.長沙理工大學(xué), 湖南長沙 410114;2.中鐵十八局集團(tuán)有限公司, 天津 300222)

以黔江－張家界－常德(黔張常)客運(yùn)專線桑植隧道為工程依托,在同一工況下,于不同空間位置布點(diǎn)測試圍巖質(zhì)點(diǎn)振速,分析與探討了爆破振動(dòng)衰減指數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明,單一方向振動(dòng)速度與振動(dòng)合速度相應(yīng)的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律存在偏差,后者的可靠性更好。由于測點(diǎn)空間位置的不同,不同的爆破能量傳播路徑導(dǎo)致了爆破地震衰減規(guī)律的明顯變化。針對不同空間點(diǎn)位爆破地震強(qiáng)度變化的特點(diǎn),探討了爆破振動(dòng)對溶洞與相鄰隧道周邊圍巖的損傷情況。

爆破振動(dòng);振動(dòng)速度矢量;衰減指數(shù);圍巖損傷

0 引 言

巖溶地質(zhì)情況頻繁出現(xiàn)在我國西南部地區(qū)隧道工程案例中,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及安全,并給后期運(yùn)營留下隱患。實(shí)踐過程中爆破地震效應(yīng)已造成了溶洞或隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的安全事故。盡管亦有工程實(shí)例揭示,在爆破地震安全判據(jù)超出現(xiàn)有參考值[1]的情況下,并未對爆破施工環(huán)境中被保護(hù)對象構(gòu)成任何威脅。然而,為了確保工程的施工與運(yùn)營安全,進(jìn)一步研究爆破累積損傷,進(jìn)而提出爆破地震效應(yīng)與圍巖等級相關(guān)的場地系數(shù)和衰減指數(shù)參考值仍然十分必要?；诒普駝?dòng)引起的建(構(gòu))筑物或巖土體等的破壞,受到爆破過程的復(fù)雜性以及巖土介質(zhì)的多變性等因素的影響,爆破地震波傳播及衰減規(guī)律目前還無法從理論上給出統(tǒng)一公式。不同學(xué)者針對不同的問題,進(jìn)行了大量卓有成效的研究,取得了很多有價(jià)值的成果和可借鑒的經(jīng)驗(yàn)[2-20]。

本文通過測試爆破后隧道正洞與平導(dǎo)側(cè)壁的質(zhì)點(diǎn)振速,分析桑植隧道巖溶區(qū)鉆爆施工爆破后的能量衰減規(guī)律,討論巖溶隧道中不同空間位置布點(diǎn)測試爆破能量衰減規(guī)律的影響,進(jìn)而研究爆破對圍巖的損傷情況。

1 工程背景

黔江至張家界至常德快速鐵路線路位于湘西北、鄂西南和渝東南交界地帶,隧道工程正交通過二戶溪背斜的核部及其右翼,巖層總體沿N－S走向,多為整合接觸,產(chǎn)狀變化不大,三疊系下統(tǒng)大冶群灰?guī)r層局部揉皺發(fā)育,構(gòu)造裂隙、節(jié)理發(fā)育較深。地下水儲水構(gòu)造主要由延伸長大的構(gòu)造節(jié)理、順層節(jié)理、巖層接觸帶、節(jié)理密集帶組成。隧道通過巖溶中等－強(qiáng)烈發(fā)育地層,巖性復(fù)雜多變。施工過程中結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探等對隧道洞身測試段DK150＋225～DK151＋550巖溶發(fā)育程度分析,該隧道測試地段巖性為灰?guī)r,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較完整,泊松比為0.24～0.28;動(dòng)態(tài)楊氏;模量為84～91GPa,屬于Ⅲ級圍巖。測試段施工過程中采用全斷面開挖。由三臂臺車鑿巖鉆孔,進(jìn)行爆破開挖。

2 測振方案設(shè)計(jì)

測試儀器選用四川中科動(dòng)態(tài)儀器有限公司研發(fā)的IDTS3850便攜式測振儀。在隧道掘進(jìn)爆破開挖時(shí)將測振傳感器固定在已初期噴射混凝土支護(hù)后的隧道掘進(jìn)方向右側(cè)平導(dǎo)側(cè)邊墻上采集數(shù)據(jù),距離路面高1.0m。各測點(diǎn)的傳感器均由水平方向兩個(gè)傳感器與豎直方向一個(gè)傳感器組成,3個(gè)傳感器分別采集X、Y、Z3個(gè)方向上的振動(dòng)速度分量。其中:X為平行掌子面的水平方向(測取水平橫向速度Vτm);Y為垂直掌子面的水平方向(測取水平縱向速度Vrm);Z為豎向(測取豎向方向速度Vem)。

依據(jù)傳感器與爆源的相對空間位置分為3種測點(diǎn)布置方案:方案一,將儀器安放在隧道主洞掌子面后方(見圖1(a))。主要研究主洞開挖對后方圍巖振動(dòng)的影響;方案二,將測點(diǎn)與儀器布設(shè)在沿隧道掘進(jìn)方向的平導(dǎo)右側(cè)(見圖1(b));方案三,將測點(diǎn)與儀器布設(shè)在沿隧道掘進(jìn)方向的平導(dǎo)左側(cè)(見圖1(c));方案二和方案三主要研究主洞開挖對平導(dǎo)圍巖的影響。

圖1 爆破振動(dòng)測點(diǎn)布置

3 測振數(shù)據(jù)及分析

采用上述3種測點(diǎn)布置方案,分別進(jìn)行多次3方向振速數(shù)據(jù)采集,測試成果見表1、表2與表3。同一測點(diǎn)3方向振動(dòng)波形見圖2。

3.1 方案一爆破振動(dòng)衰減規(guī)律分析

采用薩道夫修正公式分別對水平橫向速度(Vτm)、水平縱向速度(Vrm)、豎向方向速度(Vem)以及3個(gè)方向速度的矢量合速度進(jìn)行擬合。

(1)水平橫向速度(Vτm)擬合所得參數(shù)K＝121.530;α＝1.166,即有:

(2)水平縱向速度(Vrm)擬合所得參數(shù)K＝356.747;α＝1.553,即有:

(3)豎向速度(Vem)擬合所得參數(shù)K＝219.141;α＝1.339,即有:

(4)合速度(V合)擬合所得參數(shù)K＝213.307; α＝1.136,即有:

表1 方案一測試數(shù)據(jù)

表3 方案三測試數(shù)據(jù)

圖2 同一測點(diǎn)3個(gè)方向爆破振動(dòng)速度

通過以上分析可得:爆心距與水平橫向速度、水平縱向速度、豎向方向速度以及合速度的線性關(guān)系見圖3。

采用薩道夫公式對數(shù)據(jù)擬合后的對比結(jié)果表明:質(zhì)點(diǎn)振速在3個(gè)單一方向所得的衰減指數(shù)(K、α)關(guān)系存在較大差異,并且與規(guī)范參考值同樣存在偏差。單一方向擬合所得參數(shù)離散性較大,而合速度擬合所得衰減指數(shù)更穩(wěn)定、更具有整體評估效果,更貼近實(shí)際綜合情況。

圖3表明,3個(gè)單一方向的振速變化趨勢接近,但是水平縱向振速過于分散。擬合出的衰減參數(shù)相互之間偏差較大。

圖3 爆心距與振速關(guān)系

3.2 方案一與方案三振動(dòng)合速度對比分析

通過方案一與方案三合速度衰減規(guī)律的對比,分析爆炸地震波在毗鄰連續(xù)巖層中能量傳播的衰減規(guī)律。

由方案三質(zhì)點(diǎn)振速數(shù)據(jù)擬合得參數(shù)K＝100.520;α＝1.225,故有:

據(jù)式(4)式(5)可得方案一與方案三質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)合速度與爆心距之間的關(guān)系(見圖4)。

由方案一與方案三擬合所得衰減指數(shù)α以及圖4可知:隧道正洞右側(cè)壁質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)合速度衰減速率明顯小于平行導(dǎo)洞左側(cè)壁質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)合速度衰減速率,該現(xiàn)象表明正洞與平行導(dǎo)洞之間的中夾巖所消耗的爆破震動(dòng)能量更多,亦即對中夾巖平行導(dǎo)洞左側(cè)部圍巖的損傷程度更顯著。當(dāng)隧道周邊存在隱伏溶洞等空間時(shí),迎爆側(cè)振動(dòng)合速度衰減規(guī)律與圍巖損傷程度可參照衡量。

圖4 方案一與三振動(dòng)合速度與爆心距的關(guān)系

3.3 方案二與方案三振動(dòng)合速度對比分析

方案二與方案三對應(yīng)于平行導(dǎo)洞迎爆側(cè)及其對側(cè)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測試,亦即方案二測試時(shí)存在氣－固介質(zhì)轉(zhuǎn)換與爆炸地震波繞射問題,研究其振動(dòng)合速度變化情況對研究非填充型溶洞的爆炸地震波衰減具有一定的指導(dǎo)意義。

由方案二質(zhì)點(diǎn)振速數(shù)據(jù)擬合得參數(shù)K＝315.495;α＝1.225,即有:

由方案三質(zhì)點(diǎn)振速數(shù)據(jù)擬合得參數(shù)K＝100.520;α＝1.225,即有:

對方案二和方案三所得振動(dòng)合速度與比例藥量同時(shí)取對數(shù)進(jìn)行線性擬合,其關(guān)系見圖5。

由圖5可知:平行導(dǎo)洞左、右兩側(cè)在同一爆破條件下,衰減指數(shù)α基本持平,但場地系數(shù)K差別很大。這導(dǎo)致平行導(dǎo)洞右側(cè)在爆心距相近的情況下出現(xiàn)振動(dòng)合速度衰減規(guī)律明顯差異的現(xiàn)象,究其原因主要是由于爆破地震波能量傳播路徑發(fā)生改變,平行導(dǎo)洞左側(cè)(迎爆側(cè))自由面接收的地震波為透射波,而右側(cè)(非迎爆側(cè))接收的則為繞射波。

圖5 方案二與方案三(1/3lgQ－lgR)—lgV關(guān)系

3.4 已開挖區(qū)與未開挖區(qū)振動(dòng)合速度對比分析

在方案三的基礎(chǔ)上,將測點(diǎn)以爆心為界對稱布置(見圖6),測得在同一爆破條件下已開挖區(qū)和未開挖區(qū)的振動(dòng)數(shù)據(jù),據(jù)此分析爆心前方及其后側(cè)的爆破地震衰減規(guī)律。

(1)對未開挖區(qū)收集到的測振數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出其衰減參數(shù)K＝181.796和α＝1.130,則有:

(2)對已開挖區(qū)收集到的測振數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出其衰減參數(shù)K＝315.495和α＝1.225,則有:

未開挖區(qū)與已開挖區(qū)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)合速度與爆心距之間關(guān)系如圖7所示。由圖7可知:隨著爆心距的加大,平行導(dǎo)洞中對應(yīng)于已開挖區(qū)與未開挖區(qū)的振動(dòng)合速度衰減速率相近。但在同一爆心距下,已開挖區(qū)振動(dòng)合速度明顯低于未開挖區(qū),且爆心距越小,其差異越大。

該現(xiàn)象表明:爆心前方的地震波在連續(xù)巖體中傳播時(shí),其能量損耗相對較小,在遇到溶洞等隱伏空間自由面時(shí)表現(xiàn)為更大的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,其所造成的損傷亦更大。而爆心后方已開挖區(qū)中地震波傳播路徑發(fā)生改變,存在一定的繞射現(xiàn)象,其地震波能量衰減較大,對隧道圍巖與隱伏空間(諸如溶洞)自由面的損傷程度下降。

圖6 對稱測點(diǎn)布置

圖7 未開挖區(qū)和已開挖區(qū)振動(dòng)合速度與爆心距的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)單一方向振速數(shù)據(jù)分析所得爆破振動(dòng)衰減規(guī)律會(huì)影響預(yù)報(bào)效果,這主要是因?yàn)閱我环较蛘袼贁?shù)據(jù)收集時(shí),數(shù)據(jù)點(diǎn)相對更加分散,容易偏離實(shí)際情況。采用振動(dòng)合速度來擬合分析爆破振動(dòng)衰減規(guī)律更加接近實(shí)際情況。建議采用速度矢量合成的方式來擬合衰減指數(shù),從而獲得更加符合現(xiàn)場實(shí)際情況的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。

(2)采用薩道夫斯基理論對隧道內(nèi)采集的質(zhì)點(diǎn)振速數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,其場地系數(shù)K和衰減指數(shù)α與露天振動(dòng)測試所得數(shù)值相比偏差較大,建議形成以隧道圍巖等級相對應(yīng)的場地系數(shù)和衰減指數(shù)參考范圍取值表,以達(dá)到更好的預(yù)報(bào)效果。

(3)由隧道正洞右側(cè)壁與平行導(dǎo)洞左側(cè)壁質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)合速度衰減速率的變化情況可知,中夾巖消耗更多的爆破振動(dòng)能量,會(huì)加劇平行導(dǎo)洞左側(cè)部圍巖的損傷。

(4)分析平行導(dǎo)洞左右兩側(cè)測點(diǎn)衰減規(guī)律可知,巖溶地區(qū)隧道在爆破過程中所產(chǎn)生的地震波經(jīng)過溶洞時(shí)會(huì)改變傳播路徑,形成繞射加劇了相鄰隧道與溶洞周邊圍巖的損傷,不利于溶洞整體穩(wěn)定,更容易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害。

(5)爆破振動(dòng)能量在掌子面前方連續(xù)巖體中傳播時(shí),其能量損耗相對較小。故當(dāng)遇到溶洞等隱伏空間自由面時(shí)表現(xiàn)為更大的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,對溶洞造成的損傷亦更大,加劇溶洞結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

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2017-05-09)