隧道爆破振動對新澆超短齡期混凝土二襯的影響

賀泳超，陳秋南,2，衣利偉，黃向韜，曾奧，周相識，周光裕

(1.湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭，411201；2.湖南科技大學巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點實驗室，湖南湘潭，411201；3.湖南尚上建設開發(fā)有限公司，湖南長沙，410022)

隨著我國公路、鐵路、軌道交通等的飛速發(fā)展，山嶺隧道的施工建設成了克服高程障礙和平面障礙的首選。在隧道爆破施工過程中，爆炸產(chǎn)生的能量除破巖外，另有一部分能量以彈性波的形式在巖體中傳播，對新澆筑的二襯混凝土也會產(chǎn)生一定的影響。我國相關(guān)的規(guī)程和標準[1-3]指出新澆筑的混凝土在早期發(fā)育較快，直至齡期28 d時才具有95%的抗壓強度。徐林生[4]研究了在Ⅴ級圍巖情況下圍巖壓力和二襯混凝土結(jié)構(gòu)受力狀況，發(fā)現(xiàn)實測圍巖壓力遠小于理論計算值，需要對部分支護結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。吳帥峰等[5]指出齡期在12 h 內(nèi)強度增長最快且對外界擾動最敏感，當齡期大于24 h 時，強度增長速率減緩而抵抗外界擾動能力增強。羅憶等[6]總結(jié)了國內(nèi)外工程中混凝土0～3，3～7 和7～28 d 的允許爆破振動速度。曹文卓等[7]揭示了開挖擾動引起圍巖破裂深部能量演化的機制。王淼等[8]研究了隧道爆破開挖對隧道支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，根據(jù)爆破產(chǎn)生的沖擊波優(yōu)化地下工程的支護結(jié)構(gòu)。王林臺等[9]分析了隧道爆破振動波形各頻帶能量的分布規(guī)律。傅洪賢等[10]研究了隧道掌子面后方及側(cè)面圍巖的爆破振動規(guī)律，補充和完善了薩道夫斯基公式。張頂立等[11]指出了復雜圍巖控制設計方面存在的突出問題，并提出了保障安全性的方法。李夕兵等[12]利用大桿徑分離式霍金森壓桿試驗裝置對齡期為1，3，7，14和28 d 的混凝土進行多次沖擊壓縮試驗并得出損傷規(guī)律。趙振國等[13]研究了爆破振動對深埋隧洞圍巖齡期為0～3，3～7和7～28 d的混凝土噴層的影響。結(jié)合以上研究發(fā)現(xiàn)齡期為0～3 d 的混凝土視為同一階段的標準混凝土過于粗略，對于二襯砌混凝土施工標準和距掌子面最佳距離還不夠細化[14-17]。基于此現(xiàn)狀，本文作者分別對Ⅳ級圍巖隧道的齡期為6，12，24，36和48 h的不同強度混凝土在不同爆心距受爆破振動后的損傷進行試驗研究，以便為縮短二襯至掌子面距離、確保隧道施工安全提供參考。

1 工程背景及試驗原理

1.1 工程背景

武陵山大道(景區(qū)段)建設工程老木峪2 號隧道位于張家界市永定區(qū)新橋鎮(zhèn)楊家灣村，離既有隧道最近距離小于25 m。隧道起于ZK8+896.00 m，終于ZK10+956.00 m，隧道高程為489.04～528.24 m，全長2 060.00 m。按公路隧道長度分類，屬長隧道。隧道巖性單一，主要為頁巖，水文地質(zhì)條件簡單，隧道區(qū)無地表水體分布。隧道建成后，可以大大緩解景區(qū)交通壓力。

1.2 爆破振動對二襯影響的機理

二襯是隧道工程施工在初期支護內(nèi)側(cè)施作的模筑混凝土或鋼筋混凝土，與初期支護和防水層共同組成復合式襯砌。水泥作為混凝土的主要原料，隨著齡期增加，水化反應逐漸完全，在正常養(yǎng)護條件下，3 d 時的混凝土強度為28 d 齡期的30%左右。在該齡期內(nèi)，水泥的水化反應還不完全，爆破振動對混凝土有較大影響，會阻礙水化反應的正常進行，使其內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，抗?jié)B能力下降，嚴重時會導致鋼筋生銹，混凝土碳化，降低混凝土的耐久性。為了確保二襯的完整、穩(wěn)定、安全，通常在施工中必須嚴格控制炸藥量、二襯到掌子面的距離、混凝土的強度等，盡量減少二襯混凝土受損。

1.3 超聲法檢測混凝土的原理

為分析混凝土在爆破振動過程中所受振動荷載的影響，選用ZBL-U5200 非金屬超聲檢測儀對不同齡期和不同強度的混凝土進行檢測。

超聲法檢測混凝土缺陷是利用脈沖波在技術(shù)條件相同的混凝土中傳播的時間、接受波的振幅和頻率的相對變化，判斷混凝土的缺陷。當有空洞或裂縫時，便破壞了混凝土的整體性，聲波只能繞過空洞或裂縫傳到換能器，因此，傳播路程增長，聲時偏長，其相應波速降低。超聲波在缺陷界面產(chǎn)生反射、散射，能量衰減可能發(fā)生波形轉(zhuǎn)換或疊加，使波形發(fā)生畸變[18]。通過對超聲波檢測的數(shù)據(jù)進行處理分析可以判斷混凝土試塊的缺陷與損傷程度。

2 爆破振動現(xiàn)場試驗方案

2.1 方案設計

設計3組試驗A，B和C，如表1所示。A組分為4個小組，其變量為爆心距，取4種不同爆心距且齡期都為6 h的C40混凝土。B組分為5個小組，其變量為齡期，取5種不同齡期且爆心距都為30 m的C40混凝土。C組分為4個小組，其變量為混凝土強度，取4 種不同混凝土強度且爆心距都為30 m，齡期都為6 h的混凝土。

表1 試驗方案Table1 Test plans

將所有試驗的試塊布置在相應測點上(見圖1)，使其受到爆破擾動，將擾動后的試塊放置養(yǎng)護室養(yǎng)護至齡期28 d 后進行損傷測試，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律，并找出爆破振動對二襯結(jié)構(gòu)影響的關(guān)鍵因素加以改進，對現(xiàn)場施工進行指導。

圖1 現(xiàn)場試塊測點Fig.1 Spot test points

2.2 現(xiàn)場試驗

根據(jù)最新爆破安全規(guī)程[19]，爆破振動安全距離為30 m。老木峪隧道圍巖為頁巖，屬中硬巖，場地系數(shù)K取150～250，振動衰減系數(shù)α取1.5～1.8。爆破振源為上臺階爆破，孔深為4 m，共有110 個炮孔，最大單孔裝藥量為30 kg，總計用藥量260 kg。根據(jù)前期現(xiàn)場質(zhì)點安全振動速度v為5～15 cm/s，所以，安全允許距離R取30 m 最合適。因齡期越短，爆破對試塊影響越大，所以，選取齡期6 h作為參照。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范和現(xiàn)場實際情況，選取C40 混凝土作對照。同一次爆破振動分別進行A，B 和C 3 組試驗。齡期為6，12，24和48 h的試塊分別在爆破前6，12，24 和48 h 制成，確保時間間隔相同。在15～60 m范圍內(nèi)，測點布置在同一直線上，共4個測點，距離分別為15，30，45 和60 m。在每個測點布置3個同樣的試塊，受振混凝土試塊共39 塊。將受到爆破振動后的試塊放置養(yǎng)護室養(yǎng)護至齡期28 d 后進行損傷測試試驗。

2.3 混凝土試樣的制備

混凝土試塊的制作參照普通混凝土制作標準[20]，模具是邊長為150 mm的正方體(骨料顆徑小于等于40 mm)，采用施工現(xiàn)場混凝土配合比，目標強度為C30，C35，C40和C45。C30混凝土配合比見表2?；炷猎噳K按照齡期分為5 次制作，分別為6，12，24，36和48 h。

表2 C30混凝土配合比Table2 Mix ratios of C30 concrete kg/m3

3 試驗測試與結(jié)果分析

3.1 試驗測試方法

利用非金屬超聲檢測儀將經(jīng)過爆破振動作用后的所有試塊在標養(yǎng)28 d 后進行檢測。啟用非金屬超聲檢測儀并采用超聲法對不密實區(qū)和空洞進行檢測，利用脈沖波在混凝土中傳播時間、接受波的振幅和頻率等聲學參數(shù)的相對變化，判斷混凝土的缺陷。本試驗采用對測法，分別測試混凝土試塊面對掌子面、背對掌子面與側(cè)對掌子面的4個面，每個面均有16個測點。儀器參數(shù)調(diào)整完后，使首波前沿基線彎曲的起始點對準游標脈沖的前沿開始進行檢測。將經(jīng)過爆破振動的混凝土試塊與未經(jīng)過爆破振動的混凝土試塊分別進行檢測，然后，將受振混凝土試塊的檢測的聲時、波速與未經(jīng)過爆破振動的混凝土試塊檢測的聲時、波速分別進行對比。

3.2 超聲波檢測結(jié)果

利用非金屬超聲波檢測儀檢測養(yǎng)護28 d 的混凝土試塊。經(jīng)測試，分別得到每個測點每個試塊的聲時、波速、波幅。選取其中幾組進行對比，聲時、波速、波幅取每組相同3塊混凝試塊中間區(qū)域的平均值。聲時與波速為各個測點的主要參數(shù)，如表3所示。表3中對照1 試塊至對照5 試塊分別是試驗齡期為6，12，24，36和48 h的未經(jīng)爆破振動的標準試塊。標準試塊的波形圖如圖2所示，其中，聲時是超聲波從發(fā)射換能器到接收換能器傳播所用的時間(μs)，幅度是接收到超聲波首波的幅度，用于衡量超聲波能量(dB)。

3.3 波速規(guī)律分析

損傷是在外部荷載或者環(huán)境作用下，由結(jié)構(gòu)缺陷導致的不可逆變化的情況，是研究爆破振動對二襯結(jié)構(gòu)的核心問題。為分析混凝土試塊的損傷規(guī)律，主要研究波速變化的規(guī)律與波形變化的規(guī)律并得出混凝土超聲波波速變化曲線圖和波形圖，分別如表3和圖3所示。從表3和圖3可見：不同混凝土試塊所受的超聲波波速隨著爆心距增加共經(jīng)歷了2個階段，分別為迅速增長階段和緩慢下降階段。以強度為C40 的試塊為例，爆心距為15～30 m 的混凝土試塊波速由2.953 km/s 增至3.151 km/s，爆心距為30～60 m的混凝土試塊波速由3.151 km/s 降低至3.099 km/s；在15 m 位置其波速有最小值，表明爆心距為15 m 的位置混凝土最容易受到爆破振動的影響；30 m 處的波速較15 m處的波速明顯增大許多，產(chǎn)生最大值，表明在30 m 處的混凝土抵抗爆破振動的能力達到最佳效果；但在30～60 m 時波速呈緩慢下降趨勢，從3.151 km/s 減小至3.099 km/s，表明30 m 之后爆破振動對混凝土試塊的影響較小且波速趨于穩(wěn)定。

表3 儀器參數(shù)Table3 Instrument parameters

圖2 標準試塊波形圖Fig.2 Waveforms of standard test block

圖3 試塊波速與爆心距關(guān)系Fig.3 Relationship between test block velocity and blasting center distance

圖4 試塊波速與齡期關(guān)系Fig.4 Relationship between wave velocity and age of test block

試塊波速與齡期關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出：不同混凝土試塊所受的超聲波波速隨著齡期的增加共經(jīng)歷了3 個階段，分別為緩慢增長階段、迅速增長階段和基本穩(wěn)定階段。以強度為C40的試塊為例，齡期為6～12 h 階段，波速由3.151 km/s增長到3.178 km/s；齡期為12～24 h階段，波速由3.178 km/s 增長到4.213 km/s；齡期為24～48 h 階段，波速由4.213 km/s 增長到4.300 km/s。這表明6～12 h時，混凝土試塊受爆破振動的損傷最大，原因在于爆破振動在混凝土試塊原本細微裂紋因集中應力引起局部損傷，由于水泥剛完成終凝，還未達到較密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而這段時間內(nèi)爆破振動對混凝土試塊產(chǎn)生的影響使混凝土的損傷大大增加。在12～24 h 階段，混凝土抵抗爆破振動的能力迅速上升，該階段由于爆破振動作用使混凝土試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生反應，水泥發(fā)生水化作用補充了骨料之間的間隙，使孔隙率下降，混凝土密實程度增加，同時，在該階段混凝土所受的超聲波波速持續(xù)增加，混凝土的自我修復能力達到最佳效果，使爆破振動對其損傷效應變?nèi)?。?4～48 h 階段，隨著齡期增加，混凝土試塊內(nèi)部還有少量未發(fā)生水化反應的水泥，混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)裂紋擴張緩慢，而混凝土試塊已經(jīng)具有一定的抵抗爆破振動的能力，波速逐漸趨于穩(wěn)定，表明在此階段損傷的發(fā)展基本平穩(wěn)且爆破振動對混凝土損傷較小。

圖5所示為A 組的4 個測點(爆心距分別為15，30，45 和60 m)的波形。從圖5可以發(fā)現(xiàn)：當爆心距為15 m 時，幅度變化很大且有2 處波形發(fā)生畸變，這表明在15 m 處混凝土試塊最易受到爆破振動的影響；當爆心距為30 m 時，幅度變化比15 m時小，且波形沒有發(fā)生畸變，但與圖2相比波幅有明顯降低，這表明在爆心距為30 m 的混凝土試塊也有一定損傷，超聲波在缺陷位置發(fā)生反射、散射使其波幅降低；當爆心距為45 m 時，幅度變化不大，且沒有波形發(fā)生畸變；當爆心距為60 m時，幅度基本穩(wěn)定，也沒有波形發(fā)生畸變，這表明爆心距在45 m 之后的混凝土試塊受爆破振動的影響較小，與圖2相比雖然產(chǎn)生了一定損傷，但與爆心距在30 m之前的混凝土試塊相比可以忽略不計。

通過以上結(jié)果并結(jié)合混凝土超聲波波速變化和波形，得出爆心距30～60 m 的爆破振動對混凝土影響較小，而爆心距30 m 處為混凝土抵抗爆破振動的1個拐點，其波速達到最大值，內(nèi)部密實度相對其他位置更大，孔隙率更低，雖然產(chǎn)生了一定的損傷，但其聲時有最小值，裂縫寬度也較小。

圖5 A組試驗的波形圖Fig.5 Waveforms of group A test

4 結(jié)論

1)在隧道圍巖等級為Ⅳ級圍巖、上臺階施工情況下，爆心距為15 m 時爆破振動對混凝土試塊的影響最大，30 m 時爆破振動對混凝土試塊的影響較小，30 m 之前波速增加明顯，30 m 之后波速逐漸減小。爆心距為30 m 是混凝土抵抗爆破振動的1個拐點，在此條件下，二襯結(jié)構(gòu)保持與掌子面30 m能有效減少爆破振動對二襯產(chǎn)生的不利影響。

2)在隧道圍巖等級為Ⅳ級圍巖、上臺階施工情況下，爆破振動對齡期在12 h 之內(nèi)的混凝土試塊影響較大，12～24 h的混凝土試塊抵抗爆破振動的能力迅速增加，在24 h 之后損傷的發(fā)展隨著齡期的增加緩慢減小。在隧道施工過程中，應該對齡期12 h 以內(nèi)的混凝土進行重點保護，以減小爆破振動對二襯結(jié)構(gòu)的不利影響。同時，隧道的掘進與二襯結(jié)構(gòu)的跟進時間間隔為24 h 最合理，以保證結(jié)構(gòu)處于最佳受力狀態(tài)。

3)對于處于同一距離、同一齡期的混凝土試塊，波速隨著強度增加而增加。波速越大，混凝土強度越大，其內(nèi)部越密實，孔隙率越低。在隧道圍巖等級為Ⅳ級圍巖、上臺階施工情況下，二襯結(jié)構(gòu)采用C40混凝土較合理，其受爆破振動損傷程度與C45混凝土的相差不大，但比C30和C35混凝土要小得多，所以，選取C40混凝土作為二襯結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性和適用性都較強。