中國生,敖麗萍,付玉華

(1.惠州學院建筑與土木工程學院，廣東 惠州 516007；2.江西理工大學應用科學學院，江西 贛州 341000)

循環(huán)爆破開挖下隧道圍巖振動效應與損傷演化的模型實驗*

中國生1,敖麗萍1,付玉華2

(1.惠州學院建筑與土木工程學院，廣東 惠州 516007；2.江西理工大學應用科學學院，江西 贛州 341000)

針對推進式循環(huán)爆破開挖下隧道圍巖振動效應與損傷演化問題，按照相似比理論進行模型實驗研究，實驗模型采用1∶15比例澆筑制成。通過模擬隧道推進式循環(huán)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，探尋爆破參量變化對振動效應的影響，探索圍巖損傷演化與爆破次數(shù)之間的關系。研究結(jié)果表明：在最大段藥量大致相同情況下，起爆段數(shù)對薩道夫斯基公式的介質(zhì)系數(shù)K影響很小，而對薩道夫斯基公式的衰減系數(shù)α影響較大；隧道在推進式循環(huán)爆破開挖下，同一深度距離爆區(qū)相同的測點，其聲速降低率存在較大差異，圍巖的爆破損傷范圍在深度和廣度方面均具有典型的各向異性特征；當爆炸參量基本相同時，不同循環(huán)爆破開挖下測點的累積聲速降低率呈非線性增長趨勢；在推進式循環(huán)爆破加載下，圍巖爆破累積損傷量D與爆破次數(shù)n之間存在非線性演化特性，不同的測點具有各自的爆破累積損傷擴展模型，距離爆源越近爆破損傷擴展越快，圍巖爆破累積損傷效應具有典型的非線性演化特性和各向異性特征。

爆炸力學；振動效應；模型實驗；隧道開挖；循環(huán)爆破加載；圍巖損傷

鉆孔爆破是礦山開采、隧道(巷道)開挖、地下硐室建設等工程巖體開挖中常用和高效的施工手段。爆破施工完成工程巖體開挖的同時，不可避免地對周圍巖體產(chǎn)生不利影響。循環(huán)爆破掘進對圍巖的振動效應，導致圍巖內(nèi)壁應力快速釋放，不可避免地對圍巖產(chǎn)生損傷，并使其表層巖體力學參數(shù)大幅下降，形成所謂的爆破松動區(qū)，嚴重時可能引起保留巖體的局部開裂甚至失穩(wěn)。同時，爆破松動區(qū)的形成還可能加劇巖體的后續(xù)卸荷松弛效應，給工程的安全施工和正常運行留下了隱患。

為此，對爆破作業(yè)產(chǎn)生的圍巖損傷問題，有了卓有成效的研究。D.E.Grady等[1]提出，在爆破荷載作用下，原巖中的裂紋擴展且服從指數(shù)分布規(guī)律，引入損傷變量D表示裂紋開裂引起的巖石強度降低。L.M.Taylor等[2]提出了損傷變量D、裂紋密度和有效體積模量及有效泊松比之間的關系，擴大了損傷模型的適用性。T.J.Ahrens 等[3]將材料的裂紋發(fā)育和縱波波速變化聯(lián)系起來，以縱波波速變化評價巖石材料微裂紋的發(fā)育程度，這是一種簡單而有效的方法。I.L.Meglis等[4]基于超聲波速度和振幅對裂紋的敏感性，應用超聲層析成像法，研究了加拿大原子能地下實驗室隧道開挖誘發(fā)的圍巖損傷問題。馬建軍[5]在現(xiàn)場監(jiān)測了回采爆破過程中圍巖聲波速度變化情況，分析了巖體損傷演化規(guī)律。Yan Changbin[6]基于聲波測試原理，對廠壩鉛鋅礦某巷道圍巖在爆破作用下產(chǎn)生的累積損傷效應進行了現(xiàn)場實驗研究。夏祥等[7]通過多次爆破前后聲波波速的變化率，開展了三峽臨時船閘和核電基礎開挖巖體的損傷特性研究。張國華等[8]結(jié)合大帽山大斷面隧道群的現(xiàn)場聲波監(jiān)測，研究了推進式往復爆破作業(yè)的雙側(cè)壁導坑法施工的大斷面隧道的圍巖累積損傷范圍。楊國梁等[9]利用超聲波測試技術，對巷道側(cè)壁爆破損傷進行了研究，揭示了爆破振動下巖體的損傷累積規(guī)律。目前，聲波檢測方法仍然是研究巖體爆破損傷問題最常用、高效的測試技術[10-15]。

然而，上述相關研究大多在單孔裝藥的一次爆破或在單孔裝藥多次重復爆破等較理想的情況下進行的，與巖體工程實際的爆破作業(yè)方式并不相符，而實際的礦山開采、隧道(巷道)開挖、地下硐室建設等巖體工程開挖均采用推進式、往復式的循環(huán)多段延時爆破作業(yè)。因此，針對推進式循環(huán)爆破作業(yè)導致的圍巖振動效應與損傷演化特性，很有必要進行深入而系統(tǒng)的研究。為此，本文中，以某銅礦運輸巷道某施工標段爆破開挖為模擬對象，設計并制作相似材料模型，用于模擬運輸巷道鉆爆法施工開挖過程，分析推進式循環(huán)爆破開挖對隧道圍巖振動效應及損傷作用機理。

1 相似材料模型實驗

1.1 模型縮尺比例和相似材料模型

根據(jù)該銅礦運輸巷道開挖斷面的實際尺寸，以及室內(nèi)實驗場地的空間大小，最終確定實驗模型縮尺比例為1∶15。這符合相似理論規(guī)定的實驗模型縮尺比例的合理范圍(1∶20～1∶4)[16]。因此，根據(jù)實驗模型的縮尺比例確定模型尺寸為3 000 mm×3 000 mm×2 500 mm。

圖1 相似材料配比試件強度實驗Fig.1 Strength experiment of samples with similar material ratios

武山銅礦運輸巷道施工標段圍巖主要為灰?guī)r巖層，以灰?guī)r巖體為圍巖模擬對象。通過現(xiàn)場巖芯取樣，經(jīng)巖石力學實驗獲得灰?guī)r巖石平均單軸抗壓強度σc=103.6 MPa、平均彈性模量E=48.5 GPa，通過對現(xiàn)場開挖段和掌子面的地質(zhì)調(diào)查，參照Hoek-Brown經(jīng)驗強度準則，估算灰?guī)r圍巖巖體抗壓強度σm=30.5 MPa、變形模量Em=27.8 GPa。模型相似材料選天然石英砂、粒徑2～4 cm的碎石或卵石為骨料，參照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》，用強度32.5 MPa的硅酸鹽水泥，配出強度為31.1 MPa、彈性模量為29.3 GPa的相似材料用來模擬灰?guī)r圍巖。圖1為實驗室進行相似材料配比試件的強度實驗。

1.2 爆破作業(yè)

根據(jù)相似理論[16]，相似材料模型爆破實驗應與隧道開挖推進式循環(huán)爆破作業(yè)方式一致。模型實驗每個循環(huán)爆破作業(yè)均采用掏槽眼、崩落眼和周邊眼等3次爆破形式，1次循環(huán)爆破開挖進尺約300 mm，進行4個循環(huán)的爆破開挖，共計12次爆破作業(yè)，本次實驗隧道推進式循環(huán)爆破開挖總長約1 200 mm。

由本次實驗模型的縮尺比例確定的模擬隧道開挖截面尺寸，隧道爆破開挖斷面的炮孔布置如下：最里圈為掏槽眼、中間圈為崩落眼、最外圈為周邊眼，采用先掏槽、再崩落、后周邊的分次爆破順序，以及延時起爆方式，如圖2所示。經(jīng)過4個循環(huán)爆破開挖，共計12次爆破作業(yè)后，模型實驗隧道爆破開挖的實物照片，如圖3所示。

圖2 隧道截面尺寸與炮孔布置圖Fig.2 Tunnel section size and blasting hole layout

圖3 模型實驗的隧道爆破開挖Fig.3 Tunnel blasting excavation for model experiment

采用乳化炸藥，為了提高和改善爆破效果，裝藥方式為耦合裝藥，裝藥時將炸藥搗入孔底，搗壓密實并使之緊貼孔壁，采用黏土制作炮泥堵塞炮孔，堵塞長度約150～200 mm。模型實驗的掏槽眼、崩落眼和周邊眼爆破均采用延時爆破起爆，根據(jù)相似理論和隧道開挖截面尺寸，可確定循環(huán)爆破作業(yè)所需的毫秒延時雷管段位數(shù)，具體爆破參數(shù)見表1。

表1 模型隧道循環(huán)爆破作業(yè)的爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters for circulation blasting in tunnel model

圖4 模型實驗的測點布置圖Fig.4 Layout of measuring points of model experiment

1.3 實驗測試

圍巖損傷檢測采用武漢中巖科技有限公司的RSM-SY5型智能聲波檢測儀，它具有操作簡單、攜帶方便、性能可靠以及功能強大等特點。為了全面檢測隧道推進式循環(huán)爆破開挖導致的圍巖損傷程度，由隧道推進式循環(huán)爆破開挖的總長1 200 mm，在隧道圍巖的上方、左側(cè)分別布置了3個平行等距的檢測剖面，平行隧道開挖走向鉆取了11個孔徑為50 mm、孔深為1 200 mm的測試孔，如圖4所示。

采用一發(fā)一收跨孔測試方式，檢測時在測試孔注滿鹽水作為耦合劑，且發(fā)射和接收探頭始終保持在同一個水平面，爆破前后均需對6個檢測剖面進行聲波測試。因隧道循環(huán)爆破開挖的總長為1 200 mm，除去換能器探頭端部，實際每個剖面的測試深度均為1 150 mm，測試步距為50 mm，一個剖面共需測試23次，模型實驗聲波測試的實物照片，如圖5所示。

爆破振動測試采用Blastmate Ⅲ爆破振動監(jiān)測儀，它具有檢測頻帶寬、量程大和精度高等特點，速度傳感器為三向地震檢波器。測試時，拾振器布置在每個聲波檢測剖面的中央，共計布置了6臺，如圖4所示。為了提高爆破振動監(jiān)測的效果，特地使用膨脹螺栓將速度傳感器牢牢地固定在模型上，實驗現(xiàn)場爆破振動測試的實物照片，如圖6所示。

圖5 模型實驗的聲波測試Fig.5 Acoustic measurement of model experiment

圖6 模型實驗的振動測試Fig.6 Vibration measurement of model experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 圍巖振動效應

由文獻[17]，炸藥爆炸引起介質(zhì)內(nèi)部的質(zhì)點振動有垂直、徑向和切向3個速度分量，在高差不大和近距離范圍的情況下，一般是垂直速度分量對爆破振動起控制作用。因此，本文中選擇垂直質(zhì)點振動速度作為監(jiān)測量。

模型實驗隧道爆破開挖采用了掏槽眼、崩落眼和周邊眼等3種爆破作業(yè)，每次作業(yè)均進行了爆破振動監(jiān)測，3種爆破作業(yè)產(chǎn)生的典型爆破振動速度，如圖7所示。

從圖7可以看出，掏槽眼、崩落眼和周邊眼等爆破監(jiān)測的振動速度曲線，分別存在4、7和11個峰值。可見，延時分段爆破效果十分明顯，并與表1中所列的起爆雷管段位分布情況完全對應。

圖7 爆破振動曲線Fig.7 Blasting vibration curves

隧道推進式循環(huán)爆破開挖的掏槽眼、崩落眼和周邊眼等3種爆破作業(yè)監(jiān)測的相關數(shù)據(jù)，見表2。由表2可知：在相同的地質(zhì)環(huán)境下，當爆心距相同時，起爆段數(shù)越多，爆破地震波的主頻越高；在同一炮次爆破下，爆心距越大，爆破地震波的主頻越低；峰值質(zhì)點振動速度PPV取決于最大段藥量和爆心距，符合薩道夫斯基公式。薩道夫斯基公式為：

(1)

式中：v為峰值質(zhì)點振動速度(cm/s)，K為介質(zhì)系數(shù)，Q為最大段藥量(kg)，R為爆心距(m)，α為衰減系數(shù)。

表2 爆破振動監(jiān)測的相關數(shù)據(jù)Table 2 Related data of blasting vibration monitoring

由文獻[12]，由于隧道循環(huán)爆破開挖采用分段起爆方式，因此起爆點與測點之間的距離需采用等效距離代替。等效距離和最大段等效藥量為：

(2)

式中：R′為等效距離(m)，Q′為最大段等效藥量(kg)，qi為第i個炮眼的藥量(kg)，ri為第i個炮眼離測點的距離(m)。

根據(jù)爆破振動的監(jiān)測數(shù)據(jù)，先由式(2)分別計算各個測點在每次爆破時的等效距離和最大段等效藥量，再以式(1)采用最小二乘法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)按起爆段數(shù)不同分別進行線性回歸分析，確定介質(zhì)系數(shù)K、衰減系數(shù)α和線性回歸分析的相關系數(shù)γ，見表3。以4個起爆段數(shù)的爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，其線性回歸分析如圖8所示。

圖8 監(jiān)測數(shù)據(jù)的線性回歸分析圖Fig.8 Linear regression analysis of monitoring data

表3 爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)線性回歸分析的參數(shù)Table 3 Parameters of linear regression analysisof blasting vibration monitoring data

由表3可知，起爆段數(shù)對薩道夫斯基公式的介質(zhì)系數(shù)K影響很小，而對薩道夫斯基公式的衰減系數(shù)α影響較大。其主要原因是：在相同的地質(zhì)環(huán)境下，起爆段數(shù)越多，產(chǎn)生的爆破地震波的主頻較高，而高頻信號在巖土傳播中衰減較快；另外，針對起爆段數(shù)相同的爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行爆破振動效應分析，其相關性更好。由此可見，起爆段數(shù)對爆破振動效應的影響不容忽視。

2.2 圍巖累積損傷演化特性

由文獻[12-15]，可采用巖體聲速在爆破前、后的變化率η來判定爆破荷載作用下巖體的破壞程度：

(3)

式中：c′為巖體爆破后的聲速，c為巖體爆破前的聲速。

由彈性波理論，可將巖體損傷變量D表示為：

(4)

根據(jù)DL/T 5389-2007《水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規(guī)范》，當爆破前、后巖體聲速降低率η>10%時，即判定巖體發(fā)生損傷破壞。因此，取ηcr=10%代入式(4)，可計算獲得對應的損傷變量閾值Dcr=0.19。

圖9 循環(huán)爆破開挖前各測試剖面的聲速分布Fig.9 Acoustic velocity of each experiment section before cyclic blasting excavation

循環(huán)爆破開挖前各測試剖面的聲波速度，如圖9所示。各測試剖面的聲速離散地分布在4.37～4.64 km/s之間，且沒有隨著測試孔深度增加而遞增，這充分說明了實驗模型澆筑較均勻密實。各剖面聲波速度的差異值(即離散性)反映了實驗模型結(jié)構(gòu)強度的各向異性特征。

經(jīng)過4個循環(huán)爆破開挖(共12次爆破)后，各測試剖面聲速降低率，如圖10所示。同一測試剖面不同深度的測點，隨著循環(huán)爆破開挖向下推進，其聲速降低率基本呈遞減趨勢；不同測試剖面同一深度的測點，距離爆區(qū)越近，其聲速降低率越大。在推進式循環(huán)爆破加載下，以巖體聲速降低率10%作為圍巖爆破損傷閾值，以距離爆區(qū)相同的3組剖面(即AB與AC剖面、DE與FG剖面、HI與JK剖面)加以分析可知：AB剖面損傷深度為0.85 m，AC剖面為0.75 m，DE剖面為0.15 m、而FG、HI與JK剖面則沒有損傷。由此可見，隧道循環(huán)爆破開挖下，圍巖的爆破損傷范圍在深度和廣度方面，均具有典型的各向異性特征。

AB測試剖面0.15 m測點的聲速降低率與爆破次數(shù)的相關性，如圖11所示。在爆炸參量(即最大段藥量、起爆段位和炸藥埋深)大致相同情況下，同一循環(huán)的3次爆破(即掏槽眼爆破、崩落眼爆破和周邊眼爆破)對同一測點的聲速降低率的影響大致相同，累積聲速降低率基本上呈線性增長趨勢。第1循環(huán)爆破開挖時0.15 m測點的聲速降低率最大，隨著循環(huán)爆破開挖向下延伸，圍巖聲速降低率越來越小，第4循環(huán)開挖爆破對0.15 m測點的聲速降低率幾乎沒有影響。因此，在爆炸參量基本相同的情況下，不同循環(huán)爆破開挖對同一剖面測點的累積聲速降低率呈非線性增長趨勢。

圖10 4個循環(huán)爆破開挖后各測試剖面的聲速降低率Fig.10 Decrease rate of acoustic velocity of each experiment section after four cyclic blasting excavations

圖11 AB剖面0.15 m測點聲速降低率與爆破次數(shù)的相關性Fig.11 Correlation of decrease rate of acoustic velocity of 0.15 m measuring point on section AB and times of blasting

對AB、DE剖面0.15 m測點爆破累積損傷量進行非線性擬合分析，如圖12所示?？山⑾鄳獪y點的爆破累積損傷擴展模型：

圖12 循環(huán)爆破開挖下不同測點的累積損傷擴展曲線Fig.12 Growth curves of the cumulative damage for different measuring points under cyclic blasting excavation

D1=0.291 03-0.302 45e-n/5.136 6,

(5)

(6)

式中：n為爆破次數(shù)，D1、D2為測點爆破累積損傷量的擬合值，R1、R2為非線性擬合的相關系數(shù)。

由圖12和式(5)～(6)可知，根據(jù)實驗結(jié)果建立的爆破累積損傷擴展模型，非線性擬合的相關系數(shù)接近于1，能充分反映爆破累積損傷量D與爆破次數(shù)n之間的非線性演化特性。在相同的循環(huán)爆破作用下，不同的測點具有各自的爆破累積損傷演化規(guī)律，距離爆源越近爆破損傷擴展越快。因此，循環(huán)爆破開挖下的圍巖累積損傷具有典型的非線性增長趨勢和各向異性特征。

3 結(jié) 論

(1) 在隧道開挖的循環(huán)爆破作業(yè)中，爆破參數(shù)設計除了控制最大段藥量外，還需注意起爆段數(shù)對爆破振動效應的影響。在最大段藥量大致相同情況下，起爆段數(shù)對薩道夫斯基公式的介質(zhì)系數(shù)K影響很小，而對薩道夫斯基公式的衰減系數(shù)α影響較大。采用合理的起爆段位，既可取得較好的巖體破碎效果，又有利于控制圍巖的穩(wěn)定性。

(2) 在推進式循環(huán)爆破開挖下，隧道同一測試剖面不同深度的測點，隨著循環(huán)爆破開挖向下推進，其聲速降低率基本呈遞減趨勢；不同測試剖面同一深度的測點，距離爆區(qū)越近，其聲速降低率越大。同一深度距離爆區(qū)相同的測點，其聲速降低率存在較大差異，圍巖的爆破損傷范圍在深度和廣度方面均具有典型的各向異性特征。

(3) 在相同的循環(huán)開挖爆破作用下，圍巖聲速降低率、爆破累積損傷量與爆破次數(shù)之間并非簡單疊加，而是一種非線性變化關系；在爆炸參量基本相同的情況下，不同循環(huán)爆破開挖對同一剖面測點的累積聲速降低率呈非線性增長趨勢；測試剖面各個測點的爆破累積損傷擴展模型是不同的，具有各自的爆破累積損傷演化規(guī)律，圍巖累積損傷效應具有典型的非線性演化特性和各向異性特征。

應當指出的是，上述結(jié)論僅在模型實驗中獲得，仍需實際巖體工程的循環(huán)爆破開挖作業(yè)驗證。

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(責任編輯 丁 峰)

Model experimental studies of vibration effect and damage evolution of tunnel’s surrounding rock under cyclic blasting excavation

Zhong Guosheng1, Ao Liping1, Fu Yuhua2

(1.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,HuizhouUniversity,Huizhou516007,Guangdong,China;2.CollegeofAppliedScience,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,Jiangxi,China)

In this work, based on the similarity theory, we conducted a model experiment to study the vibration effect and damage evolution of rocks surrounding a tunnel in push-type cyclic blasting excavation. The model was constructed with a ratio of 1∶15. By simulating the tunnel excavation of push-type cyclic blasting, we explored the influence of the change of blasting parameters on the vibration effect. The degree of the damage of the surrounding rock was evaluated by the change of the acoustic velocity at the same measuring point after blasting. The relationship between the damage evolution of the surrounding rock and the times of blasting was established. We arrived at the following results: (1) When the maximum section dose was about the same, the influence of the initiation section number on the dielectric coefficient (K) of Sodev formula was very small, but it was great on the attenuation coefficient of Sodev formula; (2) In push-type cyclic blasting excavation, there was a great difference in the decrease rates of the acoustic velocity among the measuring points with the same distance to the blasting region at the same depth, and the blasting damage ranges of the surrounding rock were typically an isotropic in terms of both depth and width; (3) When the blasting parameters were basically the same, the growth trend of the cumulative acoustic velocity’s decrease rate at the measuring point was nonlinear in different cyclic blasting excavation; (4) There were nonlinear evolution characteristics between the blasting cumulative damage (D) of the surrounding rock and the times of blasting (n) under push-type cyclic blasting loading, and different measuring points had different blasting cumulative damage propagation models. The closer the measuring point was to the explosion source, the faster the cumulative damage extension. Blasting cumulative damage effect of the surrounding rock had typically nonlinear evolution properties and anisotropic characteristics.

mechanics of explosion; vibration effect; model experiment; tunnel excavation; cyclic blasting load; surrounding rock damage

10.11883/1001-1455(2016)06-0853-08

2015-03-25； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-06-26

2015-06-26

國家自然科學基金項目(51064009，51464015)；廣東省高等學校人才引進專項項目(A413.0210)； 廣東省自然科學基金項目(2016A030313121)；惠州市科技項目(2014B020004018)

中國生(1974— )，男，博士,zgs1001@163.com。

O383.1;TV554 <國標學科代碼：1303520 class="emphasis_bold"> 國標學科代碼：1303520 文獻標志碼：A國標學科代碼：1303520

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