徐平甲

(中鐵十六局集團(tuán) 路橋工程有限公司,北京 101500)

對于鉆爆法施工隧道而言，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量不可避免地對圍巖產(chǎn)生擾動，因而關(guān)于圍巖損傷控制的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點?，F(xiàn)場原位試驗是評價巖體爆破損傷最為高效可靠的方法，聲波測試技術(shù)更是得到了學(xué)者們的廣泛認(rèn)可[1-3]。

國內(nèi)外諸多學(xué)者已經(jīng)對隧道圍巖損傷進(jìn)行了大量研究，并得到了許多重要的研究成果。王海龍等利用聲波測試技術(shù)研究了某鉆爆法施工隧道爆破開挖引起的初支混凝土損傷累積規(guī)律[4]。中國生等按照相似比理論建立1∶15實驗?zāi)Ｐ湍M了隧道爆破開挖方式[5]，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。閆長斌等在某地下工程圍巖中開展了10次小藥量爆破巖體損傷聲波測試研究[6]，結(jié)果表明巖體爆破損傷除了影響縱波速度之外，還會造成聲波能量衰減和頻譜特征的變化。邢東升等研究了巷道開挖過程中多次爆破動荷載對巷道圍巖體的累積損傷[7]。曹峰等采用聲波測試技術(shù)和有限元的方法研究了循環(huán)爆破荷載作用對小凈距隧道中夾巖的影響[8]，結(jié)果表明最大損傷范圍出現(xiàn)在中夾巖的拱肩；相比單次爆破，循環(huán)多次爆破開挖造成的累積損傷范圍明顯增加，臨界損傷峰值質(zhì)點振速顯著降低。凌天龍結(jié)合隧道圍巖聲波測試試驗和數(shù)值計算方法對八達(dá)嶺長城站隧道爆破開挖引起的圍巖損傷及其累積效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究[9]。李衛(wèi)通過隧道現(xiàn)場聲波測試發(fā)現(xiàn)距爆源0～0.6 m范圍內(nèi)圍巖破壞嚴(yán)重[10]，0.7～1.7 m范圍內(nèi)圍巖存在損傷擾動區(qū)，1.7～4.7 m范圍內(nèi)圍巖基本保持完整狀態(tài)。不難發(fā)現(xiàn)，采用聲波測試技術(shù)研究爆破荷載作用下圍巖損傷得到了廣大學(xué)者的認(rèn)可，但對于同一隧道相同巖性不同等級的圍巖損傷演化規(guī)律非常少見，且未能充分提取聲波速度-孔深曲線信息，對此需要深入開展相關(guān)研究工作。

基于以上分析，筆者以小西庫鉆爆法施工隧道工程為依托，通過現(xiàn)場試驗和理論分析的方法分別研究了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級白云巖圍巖累積損傷演化規(guī)律，為多次爆破荷載作用下隧道圍巖安全穩(wěn)定提供一定的指導(dǎo)。

1 工程背景

密云區(qū)西統(tǒng)路(河北路-密關(guān)路)道路工程施工第一標(biāo)段位于北京市密云區(qū)西田各莊鎮(zhèn)和溪翁莊鎮(zhèn)，工程起點為河北路，終點為密關(guān)路，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為一級。小西庫隧道是該線路上的一條雙線分離式隧道，共計長1247 m，其中右線557 m，左線690 m。隧道上部覆蓋層較薄，近30%為淺埋；圍巖質(zhì)量較差，以Ⅴ級風(fēng)化白云巖為主。隧道的斷面尺寸為寬14.1 m，凈高11 m。本隧道采用三臺階法開挖。

2 測試方案

2.1 原理

單孔測試法。采用RSM-SY5型聲波儀及配套一發(fā)雙收式換能器進(jìn)行聲波測試，其原理如圖1所示。測試時，把發(fā)射換能器和接收換能器置于同一鉆孔中，發(fā)射機(jī)通過發(fā)射探頭F發(fā)射超聲波，經(jīng)水的耦合，到達(dá)孔壁并沿孔壁傳到兩接收探頭S1和S2，設(shè)其初至?xí)r間分別為t1和t2，這樣根據(jù)兩接收探頭的距離L就能算出測試點處的巖體縱波速度

(1)

圖 1 單孔測試原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of single hole test principle

2.2 鉆孔

根據(jù)隧道現(xiàn)場工程地質(zhì)條件和施工環(huán)境，在隧道右線Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖中分別選擇1～2個測試斷面，將所有聲波測試孔均布置在距離上臺階掌子面后方9 m左右(考慮現(xiàn)場工作環(huán)境)的中臺階底板以上1.2 m處右臂拱腰的位置。測試孔孔徑45 mm，孔深4.0 m，水平向下傾斜5°。具體布置形式如圖2所示。鉆孔孔徑均一，孔壁完整、光滑，孔內(nèi)無殘渣；鉆孔順直，一徑到底；鉆完孔后用高壓風(fēng)和清水沖洗干凈。

2.3 測試

①借助套桿將聲波測試探頭置于孔底，連接水管向測孔加水，當(dāng)看到水從測試孔中緩慢流出時開始進(jìn)行測試工作，測試過程中保證測試孔內(nèi)水呈溢出狀態(tài)，以保證孔內(nèi)換能器與巖壁通過水介質(zhì)充分耦合。②把探頭外拉10 cm，重復(fù)上邊的操作，完成后邊的測試，直到外邊的接受探頭到孔口為止。③每次測試時，每個測孔單獨創(chuàng)建一個文件夾來存儲數(shù)據(jù)。④在不影響施工隊工作的情況下進(jìn)行測試。

3 損傷變量

根據(jù)損傷力學(xué)關(guān)于損傷的描述，損傷定義為[11]

(2)

式中:E為爆破后巖體的彈性模量;E0為爆破前巖體的彈性模量。

根據(jù)彈性波理論，爆破前后巖體彈性模量可由式(3)和式(4)表示

(3)

(4)

式中:ρ0和ρ分別為爆破前后巖體的密度；μ0和μ分別為爆破前后巖體的泊松比；C0和C分別為爆破前后巖體的縱波波速。

圖 2 隧道聲波測試孔現(xiàn)場布置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of acoustic test hole in tunnel

在采用光面爆破技術(shù)施工的隧道中，爆破前后保留巖體的性質(zhì)變化不大，一般認(rèn)為爆破前后巖體的密度和泊松比近似相等，即ρ0≈ρ，μ0≈μ，因此，聯(lián)立式(2)～(4)，可以得到

(5)

由式(5)可以看出，巖體的損傷變量D可以通過爆破前后巖體縱波波速的變化近似表示。故本文據(jù)此原理進(jìn)行現(xiàn)場縱波速度測試及圍巖損傷分析。

4 測試結(jié)果與分析

4.1 Ⅲ級圍巖損傷演化規(guī)律分析

圖3是單次爆破藥量為185 kg，距離掌子面9～34 m時Ⅲ級白云巖損傷演化相關(guān)曲線。圖3(a)表明，1.8～3.7 m范圍內(nèi)巖體縱波速度較高，且一直穩(wěn)定在4200 m/s左右，說明此范圍內(nèi)巖體相對完整，圍巖受爆破荷載影響較小，擬將此聲波速度作為Ⅲ級白云巖縱波速度；0.8～1.8 m范圍內(nèi)圍巖縱波速度從4200 m/s衰減至1000 m/s左右，且出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，說明爆破荷載對此范圍內(nèi)的圍巖影響較大；0～0.8 m范圍內(nèi)聲波波形太弱，無法計算巖體縱波速度，這是由于該范圍內(nèi)巖體破碎導(dǎo)致聲波無法在巖體中傳播。

圖3(b)、(c)損傷值D是根據(jù)式(5)計算得到的，無法測得波型時損傷值取為1。據(jù)圖可知：隨著孔深的減小，圍巖損傷程度呈現(xiàn)變大的趨勢，且同一深度處圍巖損傷隨著爆破次數(shù)的增加而不斷累積；開挖輪廓面附近的巖體累積損傷更大，說明該范圍內(nèi)的巖體更容易受爆破擾動影響；每次爆破對各孔深處的圍巖擾動影響總體較小，呈現(xiàn)緩慢累積的趨勢，且在第7次爆破后，巖體累積損傷不再增加，尤其是孔深超過1.8 m后規(guī)律更為明顯，這在曲線圖上表現(xiàn)為直線形式，與聲波波速圖相對應(yīng)。

圖 3 Ⅲ級圍巖損傷演化規(guī)律曲線Fig. 3 Damage evolution curve of grade Ⅲ surrounding rock

4.2 Ⅳ級圍巖損傷演化規(guī)律分析

圖4是單次爆破藥量為162 kg，距離掌子面 9～25 m時Ⅳ級風(fēng)化白云巖損傷演化相關(guān)曲線。圖4(a)表明，2.0～3.7 m范圍內(nèi)巖體縱波速度一直穩(wěn)定在3300 m/s左右，將此聲波速度作為Ⅳ級白云巖縱波速度；0.8～2.0m范圍內(nèi)圍巖縱波速度從3300 m/s降至1000 m/s左右，但下降速度要比Ⅲ級白云巖慢，且在下降過程中出現(xiàn)波動現(xiàn)象，說明爆破荷載對此范圍內(nèi)的圍巖影響較大；0～0.8 m范圍分析同上。

據(jù)圖4(b)、(c)可知：Ⅳ級圍巖大約在第7次爆破后損傷不再增加；孔深為1.3 m時，第3～7次爆破對圍巖擾動較大，損傷值從0.12直線升到0.42；此外，隨著開挖的推進(jìn)，因爆破導(dǎo)致巖體損傷范圍并未變化，根據(jù)松動圈理論，可將松動圈厚度確定為2.0 m。

圖 4 Ⅳ級圍巖損傷演化規(guī)律曲線Fig. 4 Damage evolution curve of grade IV surrounding rock

4.3 Ⅴ級圍巖損傷演化規(guī)律分析

圖5是單次爆破藥量為144 kg，距離掌子面9～21 m時Ⅴ級風(fēng)化白云巖圍巖損傷演化相關(guān)曲線。由圖5(a)可知，2.3 m范圍外的巖體相對較為完整，但聲波波速較Ⅲ、Ⅳ級圍巖顯然較低(低于3000 m/s)，這符合巖體分級標(biāo)準(zhǔn)；爆破施工對Ⅴ級圍巖的擾動規(guī)律同Ⅲ、Ⅳ級圍巖略有差異，越深處的巖體受擾動越大，在第4次爆破后，由于巖體若面較多、孔隙率大，原生裂隙逐漸擴(kuò)展甚至貫通，圍巖縱波速度出現(xiàn)明顯的下降。

據(jù)圖5(b)、(c)可知：Ⅴ級圍巖損傷在整個孔深范圍內(nèi)分布比較均勻，最小累積損傷在1.7 m，最大累積損傷在2.3 m；第7次爆破后圍巖損傷不再增加，表明在此距離后爆破作用對測孔的損傷影響不大；第3～5次爆破對圖中各孔深損傷影響較為明顯，損傷值增幅較大。

圖 5 Ⅴ級圍巖損傷演化規(guī)律曲線Fig. 5 Damage evolution curve of grade V surrounding rock

4.4 隧道圍巖分區(qū)研究

從以上測試分析結(jié)果可以看出，孔內(nèi)聲波速度曲線具有明顯的區(qū)域特性。圖6為小西庫隧道Ⅲ級白云巖圍巖聲波速度分區(qū)特性圖，結(jié)合巖體質(zhì)量情況，將其劃分為3個區(qū)域：孔底處聲波速度較高且維持在一恒值附近，定義為未擾動區(qū)(>1.8 m)；孔口處巖石較為破碎，聲波波形微弱，定義為破壞區(qū)(<0.8 m)；未擾動區(qū)和破壞區(qū)之間聲波速度呈震蕩衰減狀態(tài)，該范圍內(nèi)巖體受爆破作用影響較大，定義為擾動區(qū)。Ⅳ級和Ⅴ級白云巖圍巖聲波速度-孔深曲線也可以獲得相似結(jié)論。

圖 6 隧道圍巖聲波速度分區(qū)特性Fig. 6 Acoustic velocity zone characteristics of tunnel surrounding rock

5 結(jié)論

借助聲波測試技術(shù)，對西統(tǒng)路小西庫隧道爆破施工引起的白云巖圍巖累積損傷演化規(guī)律進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

(1)小西庫隧道Ⅲ級白云巖縱波速度在4200 m/s以上，Ⅳ級白云巖縱波速度約為3300 m/s，而Ⅴ級白云巖縱波速度低于3000 m/s。

(2)0～0.8 m孔深范圍內(nèi)的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級白云巖圍巖聲波波形很弱，無法計算出縱波速度；單條縱波速度-孔深曲線上，靠近孔口的縱波速度較低，孔底處縱波速度較高，且在下降階段會出現(xiàn)波形震蕩現(xiàn)象。

(3)單次爆破藥量為180 kg時，Ⅲ級白云巖圍巖最大損傷范圍為1.8 m，0.8～1.8 m范圍內(nèi)圍巖縱波速度從4200 m/s衰減至1000 m/s左右，在掌子面向前推進(jìn)24m后圍巖損傷趨于穩(wěn)定；單次爆破藥量為168 kg時，Ⅳ級白云巖圍巖最大損傷范圍為2.0 m，且0.9～2.0 m孔深范圍內(nèi)巖體聲波速度從3300 m/s下降至1000 m/s以下；單次爆破藥量為144 kg時，整孔范圍內(nèi)的Ⅴ級白云巖巖體均受爆破振動影響，最小累積損傷出現(xiàn)在1.7 m，最大累積損傷在2.3 m，且越深處的巖體受擾動越大，但第7次爆破后圍巖損傷不再增加。

(4)根據(jù)巖體聲波速度-孔深曲線并結(jié)合巖體完整程度，將小西庫隧道白云巖圍巖分為三個區(qū)域：破壞區(qū)(0.8 m以內(nèi))，擾動區(qū)和未擾動區(qū)(1.8 m以外)。因此，在大斷面隧道爆破施工時，應(yīng)充分考慮多次爆破荷載作用對圍巖的影響，確保圍巖整體穩(wěn)定。