循環(huán)爆破作用下巖體的不同步累積損傷測(cè)試方法?

趙春生 費(fèi)鴻祿 胡 剛

①中鐵十八局集團(tuán)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(kāi)采、鐵路隧道開(kāi)挖、水利工程建設(shè)等領(lǐng)域[1]，在破碎和拋擲巖體的同時(shí)，不可避免地會(huì)對(duì)周?chē)鷰r體產(chǎn)生擾動(dòng)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(duì)循環(huán)爆破載荷作用下巖體的累積損傷效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[4-10]。楊國(guó)梁等[11]利用超聲波測(cè)試技術(shù)對(duì)巷道側(cè)壁的損傷規(guī)律進(jìn)行研究，揭示了爆破振動(dòng)下巖體的損傷累積規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工作面推進(jìn)到10～20 m時(shí)損傷度急劇增長(zhǎng)；閆長(zhǎng)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(shí)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(fèi)鴻祿等[13]結(jié)合巖體聲速和爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析表明，多次爆破振動(dòng)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(yùn)用智能聲波儀測(cè)試了巷道圍巖在爆破振動(dòng)作用下的累積損傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多次爆破振動(dòng)的累積損傷作用僅增加圍巖體的破碎程度，并未擴(kuò)大損傷范圍；中國(guó)生等[15]按照相似比理論建立1∶15的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)模擬隧道爆破開(kāi)挖方式，以同一測(cè)點(diǎn)處爆破前、后巖體聲速變化評(píng)價(jià)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(duì)累積損傷測(cè)試方法適用性及精確度的研究卻鮮有報(bào)道。

本文中，根據(jù)5次循環(huán)爆破載荷作用下不同測(cè)孔深度處的損傷效應(yīng)規(guī)律，對(duì)比傳統(tǒng)累積損傷測(cè)試方法，證明不同步累積損傷測(cè)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(jìn)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(zhǎng)8 199 m，具體平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 隧道平面圖Fig.1 Tunnel plan

新鼓山隧道在Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖處采用臺(tái)階法進(jìn)行爆破掘進(jìn)，使用2號(hào)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(jī)，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(chǎng)聲波測(cè)試試驗(yàn)

采用NM-4A非金屬超聲檢測(cè)分析儀在距離隧道掌子面5 m處進(jìn)行聲波測(cè)試試驗(yàn)；本次試驗(yàn)中共布置3個(gè)測(cè)孔，按照“┍”、“┑”、“┕”和“┙”形式分布，由于篇幅有限，僅根據(jù)“┙”布孔形式進(jìn)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(yàn)測(cè)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(yàn)測(cè)孔示意圖Fig.3 Holes arrangement of acoustic test

聲波試驗(yàn)測(cè)孔孔深為3.4 m，測(cè)孔1＃與測(cè)孔2＃、測(cè)孔2＃與測(cè)孔3＃間距為1.0 m，由此測(cè)孔1＃與測(cè)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—99)，滿(mǎn)足聲波測(cè)試試驗(yàn)要求[17]，測(cè)孔內(nèi)應(yīng)注滿(mǎn)水，且測(cè)孔與隧道側(cè)壁呈65°～75°夾角。

2.1 傳統(tǒng)測(cè)試方法

聲波測(cè)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(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的方法之一[18]，傳統(tǒng)測(cè)試方案的步驟如下:

1)為了控制聲波測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，消除初始損傷對(duì)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(cè)試；

2)選定相鄰2個(gè)測(cè)孔，將聲波發(fā)射器和接收器分別放入測(cè)孔的孔底；

3)測(cè)定測(cè)孔所在剖面區(qū)域的孔底聲波速度，為了減少試驗(yàn)誤差，聲波測(cè)試數(shù)據(jù)不得少于3個(gè)，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(jìn)行步驟3)，直至孔口為止。

依據(jù)測(cè)孔孔深和提升間距，任意2個(gè)測(cè)孔剖面區(qū)域共進(jìn)行16次聲波測(cè)試，具體測(cè)試如圖4所示。

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

2.2 不同步聲波測(cè)試方法

隧道掘進(jìn)過(guò)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(yàn)測(cè)點(diǎn)距離爆源較近，測(cè)孔剖面所在區(qū)域所受的損傷效應(yīng)不應(yīng)該簡(jiǎn)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(cè)試方法的基礎(chǔ)上，提出不同步聲波測(cè)試技術(shù)。因?yàn)椴捎孟嗤臏y(cè)試儀器，且超聲波發(fā)射為球形傳播，所以忽略?xún)x器方向性誤差帶來(lái)的影響。

不同步聲波測(cè)試方法步驟如下:

1)～3)同傳統(tǒng)聲波測(cè)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(cè)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(shí)聲速測(cè)量同傳統(tǒng)聲波測(cè)試方法；

重復(fù)步驟4)～步驟5)，直至孔口為止；具體測(cè)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(cè)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(cè)試方案，針對(duì)測(cè)孔所在區(qū)域共進(jìn)行了5組循環(huán)爆破載荷作用下聲波測(cè)試試驗(yàn)，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(cè)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(guò)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(dá)到某一特定數(shù)值時(shí)，隨著孔深的增加，聲速卻不再增長(zhǎng)，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(dá)到1.6～1.8 m時(shí)，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(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，2＃-3＃剖面的拐點(diǎn)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(shì)，但在孔深拐點(diǎn)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(jì)算測(cè)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(dá)到拐點(diǎn)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(huì)對(duì)大于1.6 m孔深處的巖體造成損傷破壞。

因此，重點(diǎn)研究孔口至孔深拐點(diǎn)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(jìn)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(guò)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(shuō)明爆破載荷對(duì)垂直于掌子面巖體的損傷破壞程度最為嚴(yán)重，進(jìn)一步說(shuō)明爆破載荷對(duì)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(shuō)明隨著爆破次數(shù)的增加，同等炸藥能量的爆破作用對(duì)巖體的損傷程度在減弱。

4 不同步累積損傷測(cè)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(duì)2＃-3＃剖面由傳統(tǒng)測(cè)試方法(舊方法)與不同步聲波測(cè)試方法(新方法)所得的聲速進(jìn)行計(jì)算，所得巖體累積損傷[20]如表1所示。

為了進(jìn)行傳統(tǒng)累積損傷測(cè)試方法與不同步累積損傷測(cè)試方法的對(duì)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(guò)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(shì)，且2種累積損傷測(cè)試方法變化趨勢(shì)相同，但是不同步測(cè)試方法所得的巖體累積損傷明顯大于傳統(tǒng)測(cè)試方法所得的累積損傷，說(shuō)明采用不同步累積損傷測(cè)試方法可以提高測(cè)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

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

鑒于以上的研究?jī)?nèi)容:測(cè)孔孔口至孔深拐點(diǎn)1.6 m處巖體會(huì)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(cè)試方法對(duì)孔深0～1.6 m的2＃-3＃剖面進(jìn)行循環(huán)爆破載荷的聲波數(shù)據(jù)測(cè)試。

巖體在循環(huán)爆破載荷作用下的累積損傷Da的計(jì)算公式為

5 結(jié)論

1)當(dāng)測(cè)孔孔深超過(guò)1.6 m時(shí)，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(duì)測(cè)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(hù)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(hù)方向提供重點(diǎn)。

3)相比于傳統(tǒng)累積損傷測(cè)試方法，不同步累積損傷測(cè)試方法具有較高的精確度，不僅可以增加累積損傷預(yù)測(cè)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(cè)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