隧洞二襯結(jié)構(gòu)施工爆破振動影響的實(shí)驗(yàn)分析探究

（吉安市公路局安福分局,江西 安福 343200）

0 引言

在隧洞工程建設(shè)中二襯砼結(jié)構(gòu)發(fā)揮著重要的支護(hù)作用，其施工質(zhì)量是該結(jié)構(gòu)以致隧洞整體系統(tǒng)安全實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。砼的抗拉強(qiáng)度相對比較低，拉伸極限值亦比較小，屬于一種脆性材料，在施工爆破狀態(tài)下，二襯結(jié)構(gòu)極易遭受損壞。砼的強(qiáng)度在早期通常都比較低，因此，新筑澆的二襯砼受爆破振動的破壞通常很大，尤其在0～3 d齡期。國內(nèi)近年就砼結(jié)構(gòu)受爆破振動的破壞程度開展了相當(dāng)數(shù)量的探究，但對不同強(qiáng)度的受振砼在不同爆心距、不同齡期的綜合狀態(tài)下的安全問題探究卻相對較少。對于二襯結(jié)構(gòu)存在影響的問題，在隧洞施工爆破中，通常較為復(fù)雜，在不同情況下爆破振動形成的影響亦有所不同。故很有必要依據(jù)二襯砼結(jié)構(gòu)特征，多方面綜合考慮各要素對砼結(jié)構(gòu)的影響。本研究對不同強(qiáng)度的4個自制砼試件在不同4個爆心距與不同4個齡期狀態(tài)下開展爆破振動實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過正交實(shí)驗(yàn)得出二襯砼結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)成果，以利于指導(dǎo)隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和組織安全高效的隧洞施工。

1 案例工程介紹

案例2號隧洞是位處我省南部地區(qū)，區(qū)域地層巖性單一，地質(zhì)相對簡單，無斷裂構(gòu)造貫通，基巖主要是頁巖。洞身涌水量不大，但在局部存在基巖裂縫水及松散地層孔隙水滲水，水質(zhì)對砼、鋼筋蝕損性相對不高。沒有特殊性巖土，不存在滑坡、崩塌、塌陷等不良地質(zhì)災(zāi)害。隧洞全長2 060.00 m，穿越Ⅲ（720 m）、Ⅳ（1110 m）及Ⅴ（230 m）級圍巖段。本次實(shí)驗(yàn)在Ⅳ級圍巖狀態(tài)下開展，選用鉆爆法破土作業(yè)，爆破所釋放的能量以波的形式直接傳導(dǎo)至周圍巖體。上臺階爆破是主要爆振源，共存在110炮孔，孔深4 m，單孔最大裝藥量是30 kg，爆破施工最小安全控制設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為5 cm/s。選用鉆爆法，爆破能量釋放大部分被以應(yīng)力波直接的傳導(dǎo)釋放至周圍巖體中。

2 試件及實(shí)驗(yàn)方案

2.1 試件制備

參照常規(guī)砼試件制備標(biāo)準(zhǔn)，試件呈立方體，集料顆徑≤40 mm，規(guī)格150×150×150（mm），各組制備3個。參考案例施工所選擇的砼配比，試件目標(biāo)強(qiáng)度C45、C40、C35及C30。為研究隧洞爆破中砼結(jié)構(gòu)所受振動載荷的影響，本次實(shí)驗(yàn)測量先用ZBL-U5 200非金屬超聲測量儀測量出所有砼試件的波速，然后選擇應(yīng)用DYE- 3 000壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)及RFP- 0 3型智能應(yīng)力測量儀，對養(yǎng)護(hù)28 d后不同強(qiáng)度、不同齡期砼的最大抗壓強(qiáng)度與載荷分別開展測量，并與未通過爆破振動的砼開展比對分析[1]。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計

表1 正交表格

選取典型實(shí)驗(yàn)點(diǎn)開展實(shí)驗(yàn)，依據(jù)現(xiàn)場情況，本實(shí)驗(yàn)共開展了16組實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計了3種影響要素分別是：爆心距、砼齡期及砼強(qiáng)度；設(shè)計4種砼強(qiáng)度分別為：C45、C40、C35及C30強(qiáng)度，48 h、36 h、24 h及12 h齡期下的砼，60 m、45 m、30 m及15 m的爆心距[2]。將相應(yīng)的強(qiáng)度與要素條件輸入所選的正交表格，即構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)方案，見表1具體所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程與測量

首先本次實(shí)驗(yàn)為保證實(shí)驗(yàn)變量單一，要在同一次爆破中開展。故需于爆破前48 h制成齡期是48 h的試件，爆破前36 h制成齡期是36 h的試件，其它齡期以此類推，間隔時間要保證等同。然后將制作好的砼試件依據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，由近及遠(yuǎn)置放在距爆破中心15 m、30 m、45 m及60 m 4個測點(diǎn)上。各個測點(diǎn)配置實(shí)驗(yàn)方案中等同的3個砼試件。最后將所有通過爆破振動的砼試件養(yǎng)護(hù)28 d以后開展超聲波測量與砼強(qiáng)度測量[3]。經(jīng)過正交實(shí)驗(yàn)得出重點(diǎn)影響要素與最佳組合，基于正交實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)成果把受振砼試件與未通過爆破振動的C45、C40、C35及C30砼試件開展比對，分析對二襯功效的影響和重點(diǎn)要素的變化規(guī)律。

采用ZBL-U5 200非金屬超聲測量儀中的超聲波檢測砼空洞及不密實(shí)區(qū)，以及測量砼的波速。原理系經(jīng)過脈沖波頻率、接受波的振幅及在砼中傳播時間等聲學(xué)參數(shù)變化，進(jìn)行分析砼的欠缺。本實(shí)驗(yàn)選用對測法，先調(diào)整儀器，把首波前沿基線的彎曲初始點(diǎn)，正對游標(biāo)脈沖前沿，然后開展測量，測量成果取等同3個砼試件的均值。

利用DYE- 3 000壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)及RFP- 0 3型智能應(yīng)力測量儀將未通過爆破振動的砼試件與通過爆破振動后的砼試件在標(biāo)養(yǎng)28 d后開展測量。利用DYE- 3 000壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)，先清理干凈砼試件的表面，查看外觀是否存在顯然欠缺，如無顯然欠缺，便在下壓板正中間放置砼試件，并按試件規(guī)格，轉(zhuǎn)動絲杠及手輪至上壓板于合適部位，最后啟動調(diào)控送油閥，控制好油速，穩(wěn)定開展加載實(shí)驗(yàn)，持續(xù)觀察直到砼試件壓碎，載荷開始降低時立刻關(guān)閉回油閥。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，記下RFP- 0 3型智能應(yīng)力測量儀上的速度與方值，并用智能應(yīng)力測量儀打印出本次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 正交實(shí)驗(yàn)成果及砼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化規(guī)律分析

3.1 正交實(shí)驗(yàn)成果分析

分析砼強(qiáng)度對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響，通過表1能夠發(fā)現(xiàn)、C30砼的影響反應(yīng)在1#～4#號實(shí)驗(yàn)中、C35砼的影響正反在5#～8#號實(shí)驗(yàn)中、C40砼的影響反應(yīng)在9#～12#號實(shí)驗(yàn)中、C45砼的影響反應(yīng)在13#～16#號實(shí)驗(yàn)中。依據(jù)正交表獲得砼強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)影響。

第1強(qiáng)度：

第2強(qiáng)度：

第3強(qiáng)度：

第4強(qiáng)度：

從4個強(qiáng)度指標(biāo)能夠發(fā)現(xiàn)，砼強(qiáng)度的強(qiáng)度變動對實(shí)驗(yàn)成果有影響，并且 KAC30＜KAC35＜KAC40＜KAC45，故確定C45為砼強(qiáng)度要素的較優(yōu)化強(qiáng)度。同理，能夠計算出24 h砼齡期，60 m爆心距分別是爆心距與砼齡期的較優(yōu)化強(qiáng)度。為了便于發(fā)現(xiàn)不同要素對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響，繪制趨勢圖時，用影響要素爆心距、砼齡期及砼強(qiáng)度分別系為橫坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)均值波速系縱坐標(biāo)[4]。如圖1具體所示。

圖1 波速-要素指標(biāo)關(guān)系

依據(jù)正交實(shí)驗(yàn)定義的表1的數(shù)據(jù)及各要素指標(biāo)趨勢，可計算實(shí)驗(yàn)成果的極差，成果如表2具體所示。

表2 實(shí)驗(yàn)成果極差分析

由此可知，本實(shí)驗(yàn)要素的主次順序?yàn)椋喉艔?qiáng)度＞爆心距＞砼齡期。即砼強(qiáng)度對實(shí)驗(yàn)的影響作用最，爆心距其次，而砼齡期相對于爆心距及砼強(qiáng)度對實(shí)驗(yàn)影響比較小。從正交實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫奖普駝訉啾浦行?0 m位置24 h齡期時的C45強(qiáng)度砼的影響最小。

3.2 砼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化規(guī)律分析

依據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)成果，得出爆破振動對砼二襯結(jié)構(gòu)影響的重點(diǎn)影響要素為砼強(qiáng)度。選用壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)測得受振砼試件在不同爆心距、不同齡期的極限載荷與抗壓強(qiáng)度并與未通過爆破振動的砼開展比對分析。

依據(jù)砼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，可按以下公式計算砼試件的抗壓強(qiáng)度：

公式中：P是砼立方體試件抗壓強(qiáng)度系MPa；F是砼試件承受的極限載荷系N；A為試件的承壓面積系mm2。本實(shí)驗(yàn)制作了標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，其邊長是150 mm，應(yīng)用壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)能測量出各砼試件的極限載荷，經(jīng)過計算得到抗壓強(qiáng)度，見表3具體所示。表中選用爆心距分別在60 m及15 m，齡期是24 h的砼試件。還設(shè)計了未通過爆破振動的C45、C40、C35及C30砼試件作為對比參照組。

表3 抗壓強(qiáng)度

由表3數(shù)據(jù)可知，制作的所有砼試件與目標(biāo)強(qiáng)度砼相比均要比目標(biāo)強(qiáng)度低。等同目標(biāo)強(qiáng)度狀態(tài)下距爆破中心60 m及15 m的受振砼試件與未通過爆破振動的砼試件相比，受振砼試件都比未通過爆破振動的砼試件的強(qiáng)度低。定義砼強(qiáng)度折減比β：

公式中：σ2系為爆破受振后的砼試件的強(qiáng)度，MPa；σ1系為未通過爆破振動的砼試件的強(qiáng)度，MPa；β系為砼強(qiáng)度折減比。由計算可知在等同齡期，爆心距15 m的狀態(tài)下，C45、C40、C35 及 C30 的砼強(qiáng)度折減比β4、β3、β2及β1分別為0.1097、0.1316、0.1676及0.2114；在等同齡期，爆心距60 m的狀態(tài)下C45、C40、C35及C30的砼強(qiáng)度折減比β8、β7、β6及β5分 別 為 0.0209、0.0219、0.0312 及 0.0409。由強(qiáng)度折減比得出，伴隨砼強(qiáng)度的加強(qiáng)受爆破振動影響將逐步降低，但是爆心距60 m位置C40砼比C45砼只高了0.1%的強(qiáng)度折減比。等同目標(biāo)強(qiáng)度下15 m位置的砼試件受振影響程度遠(yuǎn)高出60 m位置的砼試件受振影響程度。

4 結(jié)論

（1）于Ⅳ級圍巖臺階法工作狀態(tài)下，對于隧洞爆破開挖，影響二襯質(zhì)量的重點(diǎn)要素為砼強(qiáng)度，爆破振動的影響程度隨砼強(qiáng)度的增高而減小。掌子面與二襯之間的距離與筑澆二襯的時間亦影響二襯質(zhì)量。爆破振動的影響程度隨距爆破中心越遠(yuǎn)將越小；爆破振動在砼齡期是24 h時影響比較小。對此在施工時應(yīng)該引發(fā)足夠重視。

（2）隧洞二襯施工中，科學(xué)制作受爆破振動計劃，施工操作合理安排，此是有效降低二襯施工受爆破振動出現(xiàn)不利影響的關(guān)鍵。本研究經(jīng)過研究，總結(jié)于Ⅳ級圍巖臺階法工作狀態(tài)下，距爆破中心60 m位置的24 h齡期時C45強(qiáng)度砼受爆破影響最小。故能夠以此為基礎(chǔ)探究其它工況下的最佳方案。

（3）于Ⅳ級圍巖臺階法工作狀態(tài)下，爆心距15 m位置的C45、C40、C35及C30的砼強(qiáng)度折減比系為11.0%、13.2%、16.8%及21.1%，遠(yuǎn)高出爆心距60 m位置的C45、C40、C35及C30的砼強(qiáng)度折減比2.1%、2.2%、3.1%及4.1%。故施工二襯結(jié)構(gòu)在與掌子面距離很近時，二襯結(jié)構(gòu)選用高強(qiáng)度砼十分重要，將確保對隧洞不良地段的施工具備有效性，同時亦增加整體隧洞作業(yè)的安全性。

（4）通過隧洞爆破振動后的砼試件比未通過爆破振動的砼試件的強(qiáng)度都有所減少。爆心距60 m位置的C40砼與C45砼強(qiáng)度折減比只低了0.1%。但是選取C45砼實(shí)際工程的成本將加增，因此，作為二襯結(jié)構(gòu)選取C40砼經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。