趙春生 費鴻祿 胡 剛

①中鐵十八局集團第二工程有限公司(河北唐山，064000)②遼寧工程技術(shù)大學(xué)爆破技術(shù)研究院(遼寧阜新，123000)

引言

鉆爆法廣泛應(yīng)用于礦山煤炭開采、鐵路隧道開挖、水利工程建設(shè)等領(lǐng)域[1]，在破碎和拋擲巖體的同時，不可避免地會對周圍巖體產(chǎn)生擾動和破壞[2]，循環(huán)爆破累積作用是導(dǎo)致巖體損傷并最終失穩(wěn)的主要原因[3]。

針對循環(huán)爆破載荷作用下巖體的累積損傷效應(yīng)，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究[4-10]。楊國梁等[11]利用超聲波測試技術(shù)對巷道側(cè)壁的損傷規(guī)律進行研究，揭示了爆破振動下巖體的損傷累積規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工作面推進到10～20 m時損傷度急劇增長；閆長斌[12]基于快速傅里葉變換探討了聲波在爆破損傷巖體中傳播時的衰減特性，分析了聲波主頻等聲學(xué)參數(shù)隨爆破次數(shù)的變化特性；費鴻祿等[13]結(jié)合巖體聲速和爆破振動測試數(shù)據(jù)的對比分析表明，多次爆破振動隨巖體聲速的降低呈指數(shù)關(guān)系衰減，并確定了邊坡的損傷閾值；邢東升等[14]運用智能聲波儀測試了巷道圍巖在爆破振動作用下的累積損傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多次爆破振動的累積損傷作用僅增加圍巖體的破碎程度，并未擴大損傷范圍；中國生等[15]按照相似比理論建立1∶15的試驗?zāi)Ｐ?，通過模擬隧道爆破開挖方式，以同一測點處爆破前、后巖體聲速變化評價隧道圍巖損傷程度。以上研究全部依據(jù)聲速變化分析巖體在循環(huán)爆破載荷下的累積損傷效應(yīng)，但針對累積損傷測試方法適用性及精確度的研究卻鮮有報道。

本文中，根據(jù)5次循環(huán)爆破載荷作用下不同測孔深度處的損傷效應(yīng)規(guī)律，對比傳統(tǒng)累積損傷測試方法，證明不同步累積損傷測試方法的合理性及準(zhǔn)確性。

1 工程概況

新建鐵路福州至平潭段新鼓山隧道穿越福州市鼓山風(fēng)景區(qū)，進口位于福州市東山村東側(cè)，距離東山村約400 m[4]，出口位于福州市東山村北側(cè)的山坡上；隧道穿越的山嶺近南北走向，中線左側(cè)山峰陡峻，右側(cè)為馬尾城區(qū)，最大埋深為393 m；新鼓山隧道起訖里程DK5＋095～DK13＋294，全長8 199 m，具體平面圖見圖1。

圖1 隧道平面圖Fig.1 Tunnel plan

新鼓山隧道在Ⅲ級、Ⅳ級圍巖處采用臺階法進行爆破掘進，使用2號巖石乳化炸藥，藥卷直徑32 mm，1～15段毫秒導(dǎo)爆管雷管；炮孔施工采用氣腿鑿巖機，孔徑為42 mm，孔深為2.0～2.5 m，且考慮10% ～15%的超深，具體炮眼布置如圖2所示。

2 現(xiàn)場聲波測試試驗

采用NM-4A非金屬超聲檢測分析儀在距離隧道掌子面5 m處進行聲波測試試驗；本次試驗中共布置3個測孔，按照“┍”、“┑”、“┕”和“┙”形式分布，由于篇幅有限，僅根據(jù)“┙”布孔形式進行循環(huán)爆破作用下巖體累積損傷效應(yīng)分析[16]，具體聲波試驗測孔布置如圖3所示，所取平面為隧道側(cè)壁。

圖2 炮眼布置圖Fig.2 Blasting holes layout

圖3 聲波試驗測孔示意圖Fig.3 Holes arrangement of acoustic test

聲波試驗測孔孔深為3.4 m，測孔1＃與測孔2＃、測孔2＃與測孔3＃間距為1.0 m，由此測孔1＃與測孔3＃間距約為1.4 m。 其中，1＃-2＃剖面平行于掌子面；2＃-3＃剖面垂直于掌子面；1＃-3＃剖面與掌子面呈 45°夾角。依據(jù)《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—99)，滿足聲波測試試驗要求[17]，測孔內(nèi)應(yīng)注滿水，且測孔與隧道側(cè)壁呈65°～75°夾角。

2.1 傳統(tǒng)測試方法

聲波測試技術(shù)是循環(huán)爆破載荷作用下巖體累積損傷效應(yīng)分析最簡便、經(jīng)濟的方法之一[18]，傳統(tǒng)測試方案的步驟如下:

1)為了控制聲波測試標(biāo)準(zhǔn)，消除初始損傷對循環(huán)爆破作用下巖體累積損傷效應(yīng)分析的影響，需要增加首次爆破前聲波測試；

2)選定相鄰2個測孔，將聲波發(fā)射器和接收器分別放入測孔的孔底；

3)測定測孔所在剖面區(qū)域的孔底聲波速度，為了減少試驗誤差，聲波測試數(shù)據(jù)不得少于3個，且取其平均值為最終聲速；

4)沿孔深將聲波發(fā)射器和接收器從孔底同步向上提升0.2 m，再進行步驟3)，直至孔口為止。

依據(jù)測孔孔深和提升間距，任意2個測孔剖面區(qū)域共進行16次聲波測試，具體測試如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)聲波測試方法Fig.4 Old method of acoustic test

2.2 不同步聲波測試方法

隧道掘進過程中，爆破載荷近似以球面波的形式向外傳播，由于聲波試驗測點距離爆源較近，測孔剖面所在區(qū)域所受的損傷效應(yīng)不應(yīng)該簡化為垂直于掌子面或平行于掌子面，而是以上方向損傷效應(yīng)的疊加；由此，在傳統(tǒng)聲波測試方法的基礎(chǔ)上，提出不同步聲波測試技術(shù)。因為采用相同的測試儀器，且超聲波發(fā)射為球形傳播，所以忽略儀器方向性誤差帶來的影響。

不同步聲波測試方法步驟如下:

1)～3)同傳統(tǒng)聲波測試方法；

4)沿孔深將聲波接收器向上提升0.2 m，聲波發(fā)射器位置保持不變，測量聲波波速；

5)聲波發(fā)射器向上提升0.2 m，同聲波接收器位置水平，此時聲速測量同傳統(tǒng)聲波測試方法；

重復(fù)步驟4)～步驟5)，直至孔口為止；具體測試示意圖如圖5所示(不同提升間距或提升順序能夠改變測試示意圖)。

3 巖體損傷效應(yīng)分析

3.1 孔深與聲速規(guī)律分析

按照以上的測試方案，針對測孔所在區(qū)域共進行了5組循環(huán)爆破載荷作用下聲波測試試驗，所得聲速與孔深的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖5 不同步聲波測試方法Fig.5 Asynchronous method of acoustic test

圖6 聲速與孔深的關(guān)系Fig.6 Relationship between acoustic velocity and hole depth

通過分析特定剖面不同爆破次數(shù)的孔深與聲速曲線，可以得出:

1)在孔口段區(qū)域，聲速與孔深呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但當(dāng)孔深達到某一特定數(shù)值時，隨著孔深的增加，聲速卻不再增長，而是呈現(xiàn)小幅度震蕩性的平穩(wěn)變化。

2)從 1＃-2＃剖面聲速-孔深曲線的可知，當(dāng)孔深達到1.6～1.8 m時，聲速不再隨孔深增加而增加；1＃-3＃剖面在孔深為 1.4 ～1.6 m 時出現(xiàn)拐點，2＃-3＃剖面的拐點為1.6～1.7 m。

3)隨著循環(huán)爆破次數(shù)的增加，聲速呈現(xiàn)下降趨勢，但在孔深拐點處之后，聲速不再因爆破次數(shù)的變化而變化。

3.2 巖體損傷規(guī)律分析

循環(huán)爆破載荷作用下，巖體損傷度D與聲速降低率η之間的關(guān)系[19]為

式中:Ei為此次爆破前巖體的彈性模量，GPa；Ei＋1為此次爆破后巖體的等效彈性模量，GPa；vi為此次爆破前巖體的聲速，m/s；vi＋1為此次爆破后巖體的聲速，m/s。

按照式(1)可以計算測孔特定剖面巖體在爆破載荷后的損傷度；根據(jù)上述分析，當(dāng)孔深達到拐點1.6 m之后，聲速趨于特定數(shù)值，也就是損傷度趨于特定數(shù)值，由此可以得出，循環(huán)爆破載荷作用不會對大于1.6 m孔深處的巖體造成損傷破壞。

因此，重點研究孔口至孔深拐點處巖體的損傷效應(yīng)，由于篇幅有限，僅依據(jù)孔深1 m處的損傷度進行分析。圖7為孔深1 m處特定剖面巖體損傷度與爆破次數(shù)的關(guān)系曲線。

圖7 1 m孔深處巖體損傷度與爆破次數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between damage degree and blasting times in depth of 1m

通過分析圖7可以得出:在同一次爆破載荷作用后，2＃-3＃剖面巖體的損傷度明顯大于 1＃-2＃、1＃-3＃剖面巖體的損傷度，說明爆破載荷對垂直于掌子面巖體的損傷破壞程度最為嚴(yán)重，進一步說明爆破載荷對巖體的損傷呈現(xiàn)各向異性；1～3次爆破作用下?lián)p傷度曲線的斜率明顯大于3～5次爆破作用后的損傷度曲線斜率，由此說明隨著爆破次數(shù)的增加，同等炸藥能量的爆破作用對巖體的損傷程度在減弱。

4 不同步累積損傷測試方法

式中:v0為循環(huán)爆破前巖體的聲速，m/s；vn為第n次爆破載荷作用后巖體的聲速，m/s。

為了便于分析巖體在循環(huán)爆破載荷作用下的累積損傷效應(yīng)，將自變量孔深改為距孔底距離，并且按照式(2)，對2＃-3＃剖面由傳統(tǒng)測試方法(舊方法)與不同步聲波測試方法(新方法)所得的聲速進行計算，所得巖體累積損傷[20]如表1所示。

為了進行傳統(tǒng)累積損傷測試方法與不同步累積損傷測試方法的對比分析，5次爆破作用后巖體的累積損傷如圖8所示。由于篇幅有限，僅分析孔深1.0 m(距孔底距離2.4 m)巖體累積損傷與爆破次數(shù)的規(guī)律，具體如圖9所示。

通過表1及圖8可以得出:巖體在5次循環(huán)爆破作用后，巖體累積損傷隨距孔底距離的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢，且2種累積損傷測試方法變化趨勢相同，但是不同步測試方法所得的巖體累積損傷明顯大于傳統(tǒng)測試方法所得的累積損傷，說明采用不同步累積損傷測試方法可以提高測試精度，獲得更加準(zhǔn)確的巖體累積損傷效應(yīng)，優(yōu)化隧道施工安全評價標(biāo)準(zhǔn)。

通過表1及圖9可以發(fā)現(xiàn):隨著爆破次數(shù)的增加，聲速會呈現(xiàn)遞減趨勢，但累積損傷依然會呈現(xiàn)遞增趨勢；并且不同步累積損傷測試方法所得曲線更加光滑，說明擬合曲線可信度較高，可以更加精準(zhǔn)地預(yù)測累積損傷效應(yīng)。

鑒于以上的研究內(nèi)容:測孔孔口至孔深拐點1.6 m處巖體會承受爆破載荷的損傷作用，并且2＃-3＃剖面所受的損傷破壞程度最為嚴(yán)重；由此按照不同步聲波測試方法對孔深0～1.6 m的2＃-3＃剖面進行循環(huán)爆破載荷的聲波數(shù)據(jù)測試。

巖體在循環(huán)爆破載荷作用下的累積損傷Da的計算公式為

5 結(jié)論

1)當(dāng)測孔孔深超過1.6 m時，聲波速度趨于常數(shù)，損傷度近似為零，由此得出循環(huán)爆破載荷僅對測孔孔口至1.6 m所在區(qū)域產(chǎn)生累積損傷效應(yīng)，也為隧道施工支護厚度提供參考依據(jù)。

2)同等條件爆破載荷作用下，垂直于掌子面的剖面區(qū)域所受的累積損傷明顯大于平行于掌子面的剖面區(qū)域，損傷效應(yīng)的各向異性為隧道施工支護方向提供重點。

3)相比于傳統(tǒng)累積損傷測試方法，不同步累積損傷測試方法具有較高的精確度，不僅可以增加累積損傷預(yù)測的可信度，而且能夠優(yōu)化累積損傷控制標(biāo)準(zhǔn)。

表1 2種方法測試的巖體累積損傷Tab.1 Accumulative damage tested by the two methods

圖8 累積損傷與距孔底距離的關(guān)系Fig.8 Relationship between accumulative damage and distance from the bottom of the hole

圖9 累積損傷與爆破次數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between accumulative damage and blasting times