循環(huán)爆破開挖下隧道圍巖振動效應(yīng)與損傷演化的模型實(shí)驗(yàn)*

中國生,敖麗萍,付玉華

(1.惠州學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，廣東 惠州 516007；2.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000)

循環(huán)爆破開挖下隧道圍巖振動效應(yīng)與損傷演化的模型實(shí)驗(yàn)*

中國生1,敖麗萍1,付玉華2

(1.惠州學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，廣東 惠州 516007；2.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000)

針對推進(jìn)式循環(huán)爆破開挖下隧道圍巖振動效應(yīng)與損傷演化問題，按照相似比理論進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?∶15比例澆筑制成。通過模擬隧道推進(jìn)式循環(huán)爆破開挖方式，以同一測點(diǎn)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(yīng)的影響，探索圍巖損傷演化與爆破次數(shù)之間的關(guān)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(jìn)式循環(huán)爆破開挖下，同一深度距離爆區(qū)相同的測點(diǎn)，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(dāng)爆炸參量基本相同時，不同循環(huán)爆破開挖下測點(diǎn)的累積聲速降低率呈非線性增長趨勢；在推進(jìn)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(diǎn)具有各自的爆破累積損傷擴(kuò)展模型，距離爆源越近爆破損傷擴(kuò)展越快，圍巖爆破累積損傷效應(yīng)具有典型的非線性演化特性和各向異性特征。

爆炸力學(xué)；振動效應(yīng)；模型實(shí)驗(yàn)；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(shè)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(jìn)對圍巖的振動效應(yīng)，導(dǎo)致圍巖內(nèi)壁應(yīng)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(xué)參數(shù)大幅下降，形成所謂的爆破松動區(qū)，嚴(yán)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(yīng)，給工程的安全施工和正常運(yùn)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(kuò)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(qiáng)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(guān)系，擴(kuò)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(yīng)用超聲層析成像法，研究了加拿大原子能地下實(shí)驗(yàn)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(yīng)進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(jìn)式往復(fù)爆破作業(yè)的雙側(cè)壁導(dǎo)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(shù)，對巷道側(cè)壁爆破損傷進(jìn)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(shù)[10-15]。

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

1 相似材料模型實(shí)驗(yàn)

1.1 模型縮尺比例和相似材料模型

根據(jù)該銅礦運(yùn)輸巷道開挖斷面的實(shí)際尺寸，以及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)場地的空間大小，最終確定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比例為1∶15。這符合相似理論規(guī)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比例的合理范圍(1∶20～1∶4)[16]。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s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(qiáng)度實(shí)驗(yàn)Fig.1 Strength experiment of samples with similar material ratios

武山銅礦運(yùn)輸巷道施工標(biāo)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(xué)實(shí)驗(yàn)獲得灰?guī)r巖石平均單軸抗壓強(qiáng)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(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則，估算灰?guī)r圍巖巖體抗壓強(qiáng)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J(rèn)GJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，用強(qiáng)度32.5 MPa的硅酸鹽水泥，配出強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相似材料配比試件的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

1.2 爆破作業(yè)

根據(jù)相似理論[16]，相似材料模型爆破實(shí)驗(yàn)應(yīng)與隧道開挖推進(jìn)式循環(huán)爆破作業(yè)方式一致。模型實(shí)驗(yàn)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(jìn)尺約300 mm，進(jìn)行4個循環(huán)的爆破開挖，共計12次爆破作業(yè)，本次實(shí)驗(yàn)隧道推進(jìn)式循環(huán)爆破開挖總長約1 200 mm。

由本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s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(shí)驗(yàn)隧道爆破開挖的實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的測點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of measuring points of model experiment

1.3 實(shí)驗(yàn)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(qiáng)大等特點(diǎn)。為了全面檢測隧道推進(jìn)式循環(huán)爆破開挖導(dǎo)致的圍巖損傷程度，由隧道推進(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)聲波測試的實(shí)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)現(xiàn)場爆破振動測試的實(shí)物照片，如圖6所示。

圖5 模型實(shí)驗(yàn)的聲波測試Fig.5 Acoustic measurement of model experiment

圖6 模型實(shí)驗(yàn)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(yīng)

由文獻(xiàn)[17]，炸藥爆炸引起介質(zhì)內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)振動速度作為監(jiān)測量。

模型實(shí)驗(yàn)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(jìn)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?？梢?，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(yīng)。

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

隧道推進(jìn)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(guān)數(shù)據(jù)，見表2。由表2可知：在相同的地質(zhì)環(huán)境下，當(dāng)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(diǎn)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(diǎn)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(guān)數(shù)據(jù)Table 2 Related data of blasting vibration monitoring

由文獻(xiàn)[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(diǎn)與測點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(guān)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(jìn)行爆破振動效應(yīng)分析，其相關(guān)性更好。由此可見，起爆段數(shù)對爆破振動效應(yīng)的影響不容忽視。

2.2 圍巖累積損傷演化特性

由文獻(xiàn)[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(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜐仓^均勻密實(shí)。各剖面聲波速度的差異值(即離散性)反映了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)強(qiáng)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(diǎn)，隨著循環(huán)爆破開挖向下推進(jìn)，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(diǎn)，距離爆區(qū)越近，其聲速降低率越大。在推進(jìn)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(diǎn)的聲速降低率與爆破次數(shù)的相關(guān)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)聲速降低率與爆破次數(shù)的相關(guān)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(diǎn)爆破累積損傷量進(jìn)行非線性擬合分析，如圖12所示?？山⑾鄳?yīng)測點(diǎn)的爆破累積損傷擴(kuò)展模型：

圖12 循環(huán)爆破開挖下不同測點(diǎn)的累積損傷擴(kuò)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(diǎn)爆破累積損傷量的擬合值，R1、R2為非線性擬合的相關(guān)系數(shù)。

由圖12和式(5)～(6)可知，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立的爆破累積損傷擴(kuò)展模型，非線性擬合的相關(guān)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(diǎn)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(kuò)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(shè)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(yīng)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(jìn)式循環(huán)爆破開挖下，隧道同一測試剖面不同深度的測點(diǎn)，隨著循環(huán)爆破開挖向下推進(jìn)，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(diǎn)，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(diǎn)，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(guān)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(diǎn)的累積聲速降低率呈非線性增長趨勢；測試剖面各個測點(diǎn)的爆破累積損傷擴(kuò)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(yīng)具有典型的非線性演化特性和各向異性特征。

應(yīng)當(dāng)指出的是，上述結(jié)論僅在模型實(shí)驗(yàn)中獲得，仍需實(shí)際巖體工程的循環(huán)爆破開挖作業(yè)驗(yàn)證。

[1] Grady D E, Kipp M E. Continuum modeling of explosive fracture in oil shale[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 1980，17(3)：147-157.

[2] Taylor L M, Chen E P, Kuszmaul J S. Micro-crack induced damage accumulation in brittle rock under dynamic loading[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1986，55(3)：301-320.

[3] Ahrens T J, Rubin A M. Impact-induced tensional failure in rock[J]. Journal of Geophysical Research, 1993，98(E1)：1185-1203.

[4] Meglis I L, Chow T M, Martin C D. Assessing in situ microcrack damage using ultrasonic velocity tomography[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2005，42(1)：25-34.

[5] 馬建軍.巖石爆破的相對損傷與損傷累積計算[J].巖土力學(xué)，2006，27(6)：961-964. Ma Jianjun. Relative damage and computation of damage cumulation for blasting in rock[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006，27(6)：961-964.

[6] Yan Changbin. Blasting cumulative damage effects of underground engineering rock mass based on sonic wave measurement[J]. Journal Central South University of Technology, 2007，14(2)：230-235.

[7] 夏祥，李俊如，李海波，等.廣東嶺澳核電站爆破開挖巖體損傷特征研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26(12)：2510-2517. Xia Xiang, Li Junru, Li Haibo, et al. Study on damage characteristics of rock mass under blasting load in Ling’ao nuclear power station, guangdong province[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007，26(12)：2510-2517.

[8] 張國華，陳禮彪，夏祥，等.大斷面隧道爆破開挖圍巖損傷范圍試驗(yàn)研究及數(shù)值計算[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(8)：1610-1619. Zhang Guohua, Chen Libiao, Xia Xiang, et al. Numerical simulation and experimental study of damage range of surrounding rock in large tunnel under blasting excavation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009，28(8)：1610-1619.

[9] 楊國梁，楊仁樹，車玉龍.周期性爆破振動下圍巖的損傷累積效應(yīng)[J].煤炭學(xué)報，2013，38(增刊1)：25-29. Yang Guoliang, Yang Shuren, Che Yulong. Damage accumulative effect of surrounding rock under periodic blasting vibration[J]. Journal of China Coal Society, 2013，38(Suppl 1)：25-29.

[10] 嚴(yán)鵬，盧文波，陳明，等.深部巖體開挖方式對損傷區(qū)影響的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(6)：1097-1106. Yan Peng, Lu Wenyuan, Chen Ming, et al. In-situ test research on influence of excavation method on induced damage zone in deep tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011，30(6)：1097-1106.

[11] 胡英國，盧文波，金旭浩，等.巖石高邊坡開挖爆破動力損失的數(shù)值仿真[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31(11)：2204-2213. Hu Yingguo, Lu Wenyuan, Jin Xuhao, et al. Numerical simulation for excavation blasting dynamic damage of rock high slope[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012，31(11)：2204-2213.

[12] 單仁亮，宋立偉，白瑤，等.爆破作用下凍結(jié)巖壁損傷評價的模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33(10)：1945-1952. Shan Renliang, Song Liwei, Bai Yao, et al. Model test studies of damage evaluation of frozen rock wall under blasting loads[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014，33(10)：1945-1952.

[13] Xiao J Q, Ding D X, Jiang F L, et al. Fatigue damage variable and evolution of rock subjected to cyclic loading[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2010，47(3)：461-468.

[14] Casas-Rodriguez J P, Ashcroft I A, Silberschmidt V V. Damage evolution in adhesive joints subjected to impact fatigue[J]. Journal of Sound and Vibration, 2007，308(3)：467-478.

[15] Martino J B, Chandler N A. Excavation-induced damage studies at the underground research laboratory[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2004，41(8)：1413-1426.

[16] 崔廣心.相似理論與模型試驗(yàn)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990.

[17] Zhong Guosheng, Ao Liping, Zhao Kui. Influence of explosion parameters on wavelet packet frequency band energy distribution of blast vibration[J]. Journal of Central South University, 2012，19(9)：2674-2680.

(責(zé)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(xué)基金項(xiàng)目(51064009，51464015)；廣東省高等學(xué)校人才引進(jìn)專項(xiàng)項(xiàng)目(A413.0210)； 廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016A030313121)；惠州市科技項(xiàng)目(2014B020004018)

中國生(1974— )，男，博士,zgs1001@163.com。

O383.1;TV554 <國標(biāo)學(xué)科代碼：1303520 class="emphasis_bold"> 國標(biāo)學(xué)科代碼：1303520 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A國標(biāo)學(xué)科代碼：1303520

A