（吉安市公路局安福分局,江西 安福 343200）

0 引言

在隧洞工程建設(shè)中二襯砼結(jié)構(gòu)發(fā)揮著重要的支護(hù)作用，其施工質(zhì)量是該結(jié)構(gòu)以致隧洞整體系統(tǒng)安全實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。砼的抗拉強(qiáng)度相對(duì)比較低，拉伸極限值亦比較小，屬于一種脆性材料，在施工爆破狀態(tài)下，二襯結(jié)構(gòu)極易遭受損壞。砼的強(qiáng)度在早期通常都比較低，因此，新筑澆的二襯砼受爆破振動(dòng)的破壞通常很大，尤其在0～3 d齡期。國內(nèi)近年就砼結(jié)構(gòu)受爆破振動(dòng)的破壞程度開展了相當(dāng)數(shù)量的探究，但對(duì)不同強(qiáng)度的受振砼在不同爆心距、不同齡期的綜合狀態(tài)下的安全問題探究卻相對(duì)較少。對(duì)于二襯結(jié)構(gòu)存在影響的問題，在隧洞施工爆破中，通常較為復(fù)雜，在不同情況下爆破振動(dòng)形成的影響亦有所不同。故很有必要依據(jù)二襯砼結(jié)構(gòu)特征，多方面綜合考慮各要素對(duì)砼結(jié)構(gòu)的影響。本研究對(duì)不同強(qiáng)度的4個(gè)自制砼試件在不同4個(gè)爆心距與不同4個(gè)齡期狀態(tài)下開展爆破振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過正交實(shí)驗(yàn)得出二襯砼結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)成果，以利于指導(dǎo)隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和組織安全高效的隧洞施工。

1 案例工程介紹

案例2號(hào)隧洞是位處我省南部地區(qū)，區(qū)域地層巖性單一，地質(zhì)相對(duì)簡(jiǎn)單，無斷裂構(gòu)造貫通，基巖主要是頁巖。洞身涌水量不大，但在局部存在基巖裂縫水及松散地層孔隙水滲水，水質(zhì)對(duì)砼、鋼筋蝕損性相對(duì)不高。沒有特殊性巖土，不存在滑坡、崩塌、塌陷等不良地質(zhì)災(zāi)害。隧洞全長(zhǎng)2 060.00 m，穿越Ⅲ（720 m）、Ⅳ（1110 m）及Ⅴ（230 m）級(jí)圍巖段。本次實(shí)驗(yàn)在Ⅳ級(jí)圍巖狀態(tài)下開展，選用鉆爆法破土作業(yè)，爆破所釋放的能量以波的形式直接傳導(dǎo)至周圍巖體。上臺(tái)階爆破是主要爆振源，共存在110炮孔，孔深4 m，單孔最大裝藥量是30 kg，爆破施工最小安全控制設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為5 cm/s。選用鉆爆法，爆破能量釋放大部分被以應(yīng)力波直接的傳導(dǎo)釋放至周圍巖體中。

2 試件及實(shí)驗(yàn)方案

2.1 試件制備

參照常規(guī)砼試件制備標(biāo)準(zhǔn)，試件呈立方體，集料顆徑≤40 mm，規(guī)格150×150×150（mm），各組制備3個(gè)。參考案例施工所選擇的砼配比，試件目標(biāo)強(qiáng)度C45、C40、C35及C30。為研究隧洞爆破中砼結(jié)構(gòu)所受振動(dòng)載荷的影響，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量先用ZBL-U5 200非金屬超聲測(cè)量?jī)x測(cè)量出所有砼試件的波速，然后選擇應(yīng)用DYE- 3 000壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)及RFP- 0 3型智能應(yīng)力測(cè)量?jī)x，對(duì)養(yǎng)護(hù)28 d后不同強(qiáng)度、不同齡期砼的最大抗壓強(qiáng)度與載荷分別開展測(cè)量，并與未通過爆破振動(dòng)的砼開展比對(duì)分析[1]。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 正交表格

選取典型實(shí)驗(yàn)點(diǎn)開展實(shí)驗(yàn)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，本實(shí)驗(yàn)共開展了16組實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種影響要素分別是：爆心距、砼齡期及砼強(qiáng)度；設(shè)計(jì)4種砼強(qiáng)度分別為：C45、C40、C35及C30強(qiáng)度，48 h、36 h、24 h及12 h齡期下的砼，60 m、45 m、30 m及15 m的爆心距[2]。將相應(yīng)的強(qiáng)度與要素條件輸入所選的正交表格，即構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)方案，見表1具體所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程與測(cè)量

首先本次實(shí)驗(yàn)為保證實(shí)驗(yàn)變量單一，要在同一次爆破中開展。故需于爆破前48 h制成齡期是48 h的試件，爆破前36 h制成齡期是36 h的試件，其它齡期以此類推，間隔時(shí)間要保證等同。然后將制作好的砼試件依據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，由近及遠(yuǎn)置放在距爆破中心15 m、30 m、45 m及60 m 4個(gè)測(cè)點(diǎn)上。各個(gè)測(cè)點(diǎn)配置實(shí)驗(yàn)方案中等同的3個(gè)砼試件。最后將所有通過爆破振動(dòng)的砼試件養(yǎng)護(hù)28 d以后開展超聲波測(cè)量與砼強(qiáng)度測(cè)量[3]。經(jīng)過正交實(shí)驗(yàn)得出重點(diǎn)影響要素與最佳組合，基于正交實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)成果把受振砼試件與未通過爆破振動(dòng)的C45、C40、C35及C30砼試件開展比對(duì)，分析對(duì)二襯功效的影響和重點(diǎn)要素的變化規(guī)律。

采用ZBL-U5 200非金屬超聲測(cè)量?jī)x中的超聲波檢測(cè)砼空洞及不密實(shí)區(qū)，以及測(cè)量砼的波速。原理系經(jīng)過脈沖波頻率、接受波的振幅及在砼中傳播時(shí)間等聲學(xué)參數(shù)變化，進(jìn)行分析砼的欠缺。本實(shí)驗(yàn)選用對(duì)測(cè)法，先調(diào)整儀器，把首波前沿基線的彎曲初始點(diǎn)，正對(duì)游標(biāo)脈沖前沿，然后開展測(cè)量，測(cè)量成果取等同3個(gè)砼試件的均值。

利用DYE- 3 000壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)及RFP- 0 3型智能應(yīng)力測(cè)量?jī)x將未通過爆破振動(dòng)的砼試件與通過爆破振動(dòng)后的砼試件在標(biāo)養(yǎng)28 d后開展測(cè)量。利用DYE- 3 000壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)，先清理干凈砼試件的表面，查看外觀是否存在顯然欠缺，如無顯然欠缺，便在下壓板正中間放置砼試件，并按試件規(guī)格，轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠及手輪至上壓板于合適部位，最后啟動(dòng)調(diào)控送油閥，控制好油速，穩(wěn)定開展加載實(shí)驗(yàn)，持續(xù)觀察直到砼試件壓碎，載荷開始降低時(shí)立刻關(guān)閉回油閥。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，記下RFP- 0 3型智能應(yīng)力測(cè)量?jī)x上的速度與方值，并用智能應(yīng)力測(cè)量?jī)x打印出本次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 正交實(shí)驗(yàn)成果及砼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化規(guī)律分析

3.1 正交實(shí)驗(yàn)成果分析

分析砼強(qiáng)度對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響，通過表1能夠發(fā)現(xiàn)、C30砼的影響反應(yīng)在1#～4#號(hào)實(shí)驗(yàn)中、C35砼的影響正反在5#～8#號(hào)實(shí)驗(yàn)中、C40砼的影響反應(yīng)在9#～12#號(hào)實(shí)驗(yàn)中、C45砼的影響反應(yīng)在13#～16#號(hào)實(shí)驗(yàn)中。依據(jù)正交表獲得砼強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)影響。

第1強(qiáng)度：

第2強(qiáng)度：

第3強(qiáng)度：

第4強(qiáng)度：

從4個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)能夠發(fā)現(xiàn)，砼強(qiáng)度的強(qiáng)度變動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)成果有影響，并且 KAC30＜KAC35＜KAC40＜KAC45，故確定C45為砼強(qiáng)度要素的較優(yōu)化強(qiáng)度。同理，能夠計(jì)算出24 h砼齡期，60 m爆心距分別是爆心距與砼齡期的較優(yōu)化強(qiáng)度。為了便于發(fā)現(xiàn)不同要素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響，繪制趨勢(shì)圖時(shí)，用影響要素爆心距、砼齡期及砼強(qiáng)度分別系為橫坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)均值波速系縱坐標(biāo)[4]。如圖1具體所示。

圖1 波速-要素指標(biāo)關(guān)系

依據(jù)正交實(shí)驗(yàn)定義的表1的數(shù)據(jù)及各要素指標(biāo)趨勢(shì)，可計(jì)算實(shí)驗(yàn)成果的極差，成果如表2具體所示。

表2 實(shí)驗(yàn)成果極差分析

由此可知，本實(shí)驗(yàn)要素的主次順序?yàn)椋喉艔?qiáng)度＞爆心距＞砼齡期。即砼強(qiáng)度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響作用最，爆心距其次，而砼齡期相對(duì)于爆心距及砼強(qiáng)度對(duì)實(shí)驗(yàn)影響比較小。從正交實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫奖普駝?dòng)對(duì)距爆破中心60 m位置24 h齡期時(shí)的C45強(qiáng)度砼的影響最小。

3.2 砼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化規(guī)律分析

依據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)成果，得出爆破振動(dòng)對(duì)砼二襯結(jié)構(gòu)影響的重點(diǎn)影響要素為砼強(qiáng)度。選用壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)得受振砼試件在不同爆心距、不同齡期的極限載荷與抗壓強(qiáng)度并與未通過爆破振動(dòng)的砼開展比對(duì)分析。

依據(jù)砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，可按以下公式計(jì)算砼試件的抗壓強(qiáng)度：

公式中：P是砼立方體試件抗壓強(qiáng)度系MPa；F是砼試件承受的極限載荷系N；A為試件的承壓面積系mm2。本實(shí)驗(yàn)制作了標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，其邊長(zhǎng)是150 mm，應(yīng)用壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)能測(cè)量出各砼試件的極限載荷，經(jīng)過計(jì)算得到抗壓強(qiáng)度，見表3具體所示。表中選用爆心距分別在60 m及15 m，齡期是24 h的砼試件。還設(shè)計(jì)了未通過爆破振動(dòng)的C45、C40、C35及C30砼試件作為對(duì)比參照組。

表3 抗壓強(qiáng)度

由表3數(shù)據(jù)可知，制作的所有砼試件與目標(biāo)強(qiáng)度砼相比均要比目標(biāo)強(qiáng)度低。等同目標(biāo)強(qiáng)度狀態(tài)下距爆破中心60 m及15 m的受振砼試件與未通過爆破振動(dòng)的砼試件相比，受振砼試件都比未通過爆破振動(dòng)的砼試件的強(qiáng)度低。定義砼強(qiáng)度折減比β：

公式中：σ2系為爆破受振后的砼試件的強(qiáng)度，MPa；σ1系為未通過爆破振動(dòng)的砼試件的強(qiáng)度，MPa；β系為砼強(qiáng)度折減比。由計(jì)算可知在等同齡期，爆心距15 m的狀態(tài)下，C45、C40、C35 及 C30 的砼強(qiáng)度折減比β4、β3、β2及β1分別為0.1097、0.1316、0.1676及0.2114；在等同齡期，爆心距60 m的狀態(tài)下C45、C40、C35及C30的砼強(qiáng)度折減比β8、β7、β6及β5分 別 為 0.0209、0.0219、0.0312 及 0.0409。由強(qiáng)度折減比得出，伴隨砼強(qiáng)度的加強(qiáng)受爆破振動(dòng)影響將逐步降低，但是爆心距60 m位置C40砼比C45砼只高了0.1%的強(qiáng)度折減比。等同目標(biāo)強(qiáng)度下15 m位置的砼試件受振影響程度遠(yuǎn)高出60 m位置的砼試件受振影響程度。

4 結(jié)論

（1）于Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法工作狀態(tài)下，對(duì)于隧洞爆破開挖，影響二襯質(zhì)量的重點(diǎn)要素為砼強(qiáng)度，爆破振動(dòng)的影響程度隨砼強(qiáng)度的增高而減小。掌子面與二襯之間的距離與筑澆二襯的時(shí)間亦影響二襯質(zhì)量。爆破振動(dòng)的影響程度隨距爆破中心越遠(yuǎn)將越??；爆破振動(dòng)在砼齡期是24 h時(shí)影響比較小。對(duì)此在施工時(shí)應(yīng)該引發(fā)足夠重視。

（2）隧洞二襯施工中，科學(xué)制作受爆破振動(dòng)計(jì)劃，施工操作合理安排，此是有效降低二襯施工受爆破振動(dòng)出現(xiàn)不利影響的關(guān)鍵。本研究經(jīng)過研究，總結(jié)于Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法工作狀態(tài)下，距爆破中心60 m位置的24 h齡期時(shí)C45強(qiáng)度砼受爆破影響最小。故能夠以此為基礎(chǔ)探究其它工況下的最佳方案。

（3）于Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法工作狀態(tài)下，爆心距15 m位置的C45、C40、C35及C30的砼強(qiáng)度折減比系為11.0%、13.2%、16.8%及21.1%，遠(yuǎn)高出爆心距60 m位置的C45、C40、C35及C30的砼強(qiáng)度折減比2.1%、2.2%、3.1%及4.1%。故施工二襯結(jié)構(gòu)在與掌子面距離很近時(shí)，二襯結(jié)構(gòu)選用高強(qiáng)度砼十分重要，將確保對(duì)隧洞不良地段的施工具備有效性，同時(shí)亦增加整體隧洞作業(yè)的安全性。

（4）通過隧洞爆破振動(dòng)后的砼試件比未通過爆破振動(dòng)的砼試件的強(qiáng)度都有所減少。爆心距60 m位置的C40砼與C45砼強(qiáng)度折減比只低了0.1%。但是選取C45砼實(shí)際工程的成本將加增，因此，作為二襯結(jié)構(gòu)選取C40砼經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。