爆破作用下巖體累積損傷效應(yīng)的聲波測(cè)試

何 程

（中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136）

巖體的構(gòu)造及其特征的探討可以通過聲波技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)聲波穿過巖體介質(zhì)時(shí)，會(huì)將其中的大量信息攜帶出來，透過這些信息，可以了解到關(guān)于巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及相關(guān)特征[1-2].

近年來，聲波檢測(cè)技術(shù)在爆破工程中應(yīng)用廣泛.蘇洪[3]基于聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)圍巖體在爆破過程的中損傷程度進(jìn)行了分析.許夢(mèng)飛等[4-5]基于聲波檢測(cè)手段對(duì)爆破后隧道開挖區(qū)圍巖的滲流場(chǎng)分布進(jìn)行了檢測(cè)，并基于Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則建立了考慮爆破震動(dòng)作用的損傷本構(gòu)模型.劉閔龍等[6]通過聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)小凈距隧道圍巖爆破后的損傷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了爆破作用對(duì)圍巖的影響.有研究指出，聲波檢測(cè)可以更直觀的反映巖體受到破壞時(shí)內(nèi)部發(fā)生破裂的整個(gè)進(jìn)程，更靈敏，特別是巖體結(jié)構(gòu)變化和主頻產(chǎn)生的波動(dòng)[7].目前，聲波檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)作為巖體檢測(cè)中最常用的技術(shù)手段，對(duì)巖體爆破損傷累積效應(yīng)方面非常有意義[8].

綜上分析可知，聲波檢測(cè)能夠更為真實(shí)的了解爆破后巖體結(jié)構(gòu)累計(jì)損傷效應(yīng)，通過RSM-SY5 智能型聲波監(jiān)測(cè)儀對(duì)爆破后的隧道圍巖累計(jì)損傷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，從而對(duì)爆破后圍巖損傷情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)隧道施工提供可靠的技術(shù)支持.

1 聲波在爆破損傷巖體中的衰減特性

1.1 巖體聲波衰減機(jī)理

不同巖體的傳播速度各不相同，聲波由于受到介質(zhì)特性的影響，加上傳播距離、波數(shù)和頻率的輻射，傳播速度也會(huì)明顯不同.聲波會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)的不同存在較大差別，頻率越高，其衰減程度越深.巖體對(duì)于聲波的吸收性是很強(qiáng)的，故此聲波透過巖體時(shí)，其受到的波動(dòng)也非常明顯.聲波透過巖體介質(zhì)時(shí)，會(huì)因?yàn)槿齻€(gè)方面發(fā)生明顯變動(dòng)：①由于波陣面擴(kuò)張導(dǎo)致空間發(fā)散，最終因距離拉大聲波減弱，這種影響稱之為幾何擴(kuò)散衰減；②巖體將波動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能，影響了其傳播，這種情況稱為粘滯吸收衰減；③巖石內(nèi)部本身存在的裂紋，縫隙等經(jīng)過多次衍射、反射等，改變了原有波形方向?qū)е卤碛^衰減，也就是散射衰減.

1.2 考慮巖體爆破損傷的聲波衰減系數(shù)

之前的研究中已有注意到巖體內(nèi)部缺陷可能造成聲波波形的變動(dòng)，不過由于研究時(shí)混淆了巖體裂紋和本征間的關(guān)系，導(dǎo)致最終得出的數(shù)據(jù)存在漏洞.考慮到巖體初始缺陷和經(jīng)過爆破后發(fā)生的損傷所導(dǎo)致的聲波傳播減弱的情況，可以通過演示本征衰減和巖石裂紋造成的衰減進(jìn)行區(qū)分[6].筆者假設(shè)聲波衰減系數(shù)是α，并且是由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分構(gòu)成的，那么：

式中，α0為巖石介質(zhì)的聲波衰減系數(shù)，D為損傷變量，D=0～1.通常情況下巖體會(huì)因?yàn)閮煞N原因造成損傷，D=D0+ΔD，其中D0代表的是初始損傷值，也就是巖體本身就存在的缺陷，ΔD代表的是爆破損傷，也就是發(fā)生爆破后巖體內(nèi)部構(gòu)造出現(xiàn)的變化情況.

基于品質(zhì)因子進(jìn)行描述的聲波衰減公式：

式中，νp為巖體中的聲波傳播速度，m/s.ω為巖體中聲波的圓頻率，Hz .可見，聲波衰減系數(shù)α與品質(zhì)因子Q呈反比.

初始損傷其實(shí)就是沒有進(jìn)行爆破前的原始數(shù)據(jù)，D=D0，則α=α0.相對(duì)的品質(zhì)因子Q有最大值Qmax.發(fā)生爆破后，巖體內(nèi)部構(gòu)造出現(xiàn)大量裂紋，且有擴(kuò)散可能，品質(zhì)因子Q出現(xiàn)衰減，公式如下：

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程

2.1 布置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的聲波測(cè)試孔和爆破孔均在隧道側(cè)墻上面，布置圖見圖1.

圖1 孔位布置圖

使用YG90 型中深孔鉆機(jī)統(tǒng)一鉆孔，全部孔徑均為60 mm，孔深均4.90 m.考慮到測(cè)試需要，所有鉆孔均水平往下傾斜5°，鉆孔均保持平行，共計(jì)1 個(gè)爆破孔和9個(gè)聲波測(cè)試孔.實(shí)施階段，發(fā)現(xiàn)7 號(hào)孔和第5 根釬桿掘進(jìn)時(shí)，發(fā)生卡頓，而2 號(hào)孔出現(xiàn)流水，反映2 號(hào)孔與7 號(hào)孔底部是聯(lián)通的，兩種有出現(xiàn)局部破碎帶，所以我們將2 號(hào)和7 號(hào)孔不納入考慮.

2.2 測(cè)試儀器

此次測(cè)試所選擇的儀器為RSM-SY5 智能型聲波儀，具有的特征是：雙通道，滿足各種形式的觸發(fā)需求和電平選擇，使用的收發(fā)方式是分開的雙孔增壓式換能器，頻譜功能簡(jiǎn)單，最小采樣間隔是0.1 μs，頻率是60 kHz，12 位A/D 轉(zhuǎn)換，定點(diǎn)或浮點(diǎn)增益范圍1～10 000.聲波測(cè)試儀器的實(shí)物參照?qǐng)D，見圖2.

圖2 聲波測(cè)試儀

2.3 測(cè)試過程

本次測(cè)試使用的是小藥量爆破模擬實(shí)驗(yàn)的形式，共計(jì)進(jìn)行十次操作，參數(shù)見表1.測(cè)試進(jìn)行時(shí)，發(fā)射探頭和接收探頭保持水平一致，以一收一發(fā)的跨孔測(cè)試形式推進(jìn).開始實(shí)驗(yàn)前，先進(jìn)行聲波孔檢查，掌握好巖體在實(shí)施爆破前的真實(shí)情況，為爆破累積損傷的研究工作提供了有價(jià)值的內(nèi)容.進(jìn)行檢測(cè)的剖面線有5 條，分別進(jìn)行了編號(hào)：1-5、1-6、3-6、4-5 和8-9.進(jìn)行測(cè)試時(shí)，聲波換能器可以從測(cè)試孔的底部以每次0.2 m向孔口移動(dòng)，每一次測(cè)試完畢要詳細(xì)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，且下一次開始測(cè)試前，要認(rèn)真記錄好相關(guān)參數(shù)，其中包含數(shù)據(jù)校零、剖面編號(hào)、孔口位置和孔距等.

表1 爆破參數(shù)表

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 多次爆破作用下聲波波形變化規(guī)律

數(shù)次爆破的影響下，巖體疲勞損傷逐步疊加，內(nèi)部出現(xiàn)大量裂紋，且不斷擴(kuò)散，聲波在這種環(huán)境中的傳播受到很大影響，正因如此，波屏中的聲波波形數(shù)據(jù)發(fā)生劇烈變動(dòng).隨著爆破次數(shù)的增加，這種波動(dòng)反映出了一定的規(guī)律.根據(jù)這種情況分析巖體爆破積累損傷效應(yīng).

為了能夠掌握住爆破次數(shù)的多寡是否會(huì)影響聲波波形的變化，通過測(cè)試記錄，分別取4.7 m 孔深處，剖面8-9 和剖面1-5 的測(cè)試波形進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3 所示，典型聲波波形測(cè)試情況，爆破前，巖體聲波波形呈非對(duì)稱紡錘形，當(dāng)巖體受到?jīng)_擊，巖體波形變化劇烈.爆破次數(shù)增加，聲波波形變得不穩(wěn)定.1-5 的波形變化趨勢(shì)沒有8-9 的波動(dòng)趨勢(shì)明顯，出現(xiàn)這種情況的原因是由于8-9 剖面距離爆源較近，受爆破損傷影響程度更深，聲波傳播會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)損傷程度的加深，出現(xiàn)劇烈變動(dòng).從圖例中可以較為直觀的認(rèn)識(shí)到，爆破次數(shù)的增加，介質(zhì)會(huì)吸收聲波能量，波形聲腔衰減，甚至?xí)胁ǚ鍞?shù)值增加的情況.和初始數(shù)據(jù)對(duì)比，前幾次爆破后的聲波波形變化并不大，但10 次爆破后，波形相差非常明顯，將所有采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，進(jìn)一步分析巖體爆破的損傷累積情況.

圖3 4.7 m 孔深處不同剖面波形

3.2 多次爆破作用下最大振幅的變化規(guī)律

為找到聲波最大振幅爆破次數(shù)增加的變化規(guī)律，筆者將通過聲波測(cè)試進(jìn)行分析，采取剖面8-9、1-5及3-6 為研究對(duì)象，以4.7 m 和4.5 m 孔深處，經(jīng)過研究后取得上述的聲波最大振幅，因爆破次數(shù)的增加，聲波波形發(fā)生的變化，見圖4.

圖4 不同剖面最大振幅隨爆破次數(shù)變化規(guī)律

根據(jù)最大振幅，可以了解到聲波能量的變化趨勢(shì)，而這種變化則反映了聲波透過介質(zhì)后的變化曲線.從圖中可以看出，爆破次數(shù)的增加，會(huì)造成聲波最大振幅的衰減，由此可見巖體會(huì)因?yàn)楸茡p傷積累，內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，甚至不斷擴(kuò)散，從而引致聲波能量減弱.隨著爆破次數(shù)的增加，聲波最大振幅變化趨勢(shì)不明顯，原因是剖面距爆源較遠(yuǎn)，幾乎不受爆破的影響.隨著爆破次數(shù)的增加對(duì)最大振幅的變化規(guī)律與聲速的變化趨勢(shì)做出對(duì)比，可以清晰的了解到，最大振幅比聲速對(duì)爆破次數(shù)的敏感性要強(qiáng)烈.

3.3 波形相關(guān)性分析

聲波波形會(huì)因?yàn)楸拼螖?shù)的增加發(fā)生劇烈變動(dòng)，這種規(guī)律是不穩(wěn)定的，由于巖體內(nèi)部受到爆破沖擊，其構(gòu)造發(fā)生變動(dòng)，這種損傷是不可逆的，收集這種情況下的聲波波形數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入到Matlab7.0 工具軟件，并且記錄下每一次爆破后的巖體聲波波形數(shù)據(jù)，將每次得到的數(shù)據(jù)跟原始數(shù)據(jù)作比對(duì)，能夠得到相關(guān)性系數(shù)，將所有的資料錄入Origin 9.0 軟件下成圖.經(jīng)過10 次測(cè)試之后，對(duì)8-9、1-5 及3-6 剖面的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以直觀的發(fā)現(xiàn)相關(guān)波形數(shù)據(jù)會(huì)因?yàn)楸拼螖?shù)的增加產(chǎn)生變化，見圖5.

圖5 不同剖面相關(guān)系數(shù)隨爆破次數(shù)變化規(guī)律

從圖5 中能夠發(fā)現(xiàn)，在爆破累積損傷影響下，隨著爆破次數(shù)的增加，巖體聲波波形相關(guān)系數(shù)會(huì)產(chǎn)生明顯衰弱，相關(guān)系數(shù)為非線性下降曲線.尤其是8-9 剖面，在經(jīng)歷了10 次的爆破測(cè)試后，聲波波形相關(guān)系數(shù)明顯降低，甚至有跌破零到達(dá)負(fù)數(shù)的情況.數(shù)次的爆破，給介質(zhì)內(nèi)部造成很大負(fù)擔(dān)，產(chǎn)生了裂紋等缺陷，聲波傳遞受到了很大的阻礙.雖然在前幾次的測(cè)試中，聲波波形的相關(guān)系數(shù)變化并不如后幾次測(cè)試中產(chǎn)生的波動(dòng)大，但是十次后的波形相關(guān)系數(shù)基本降低到0.5 以下.通過圖例5（c）能夠發(fā)現(xiàn)，3-6 的測(cè)試情況要相對(duì)平和一些，盡管發(fā)生了幾次爆破，但是造成的影響并不大，3-6 剖面對(duì)于爆破帶來的影響，其損傷程度并不大，可以說是幾乎沒有受到較大沖擊的.從而可以知道隨著爆破次數(shù)的增加，巖體聲波波形相關(guān)系數(shù)的變化規(guī)律跟最大振幅的變化趨勢(shì)大致相同.

4 結(jié)論

針對(duì)爆破作用對(duì)隧道工程圍巖的損傷劣化問題，筆者結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，對(duì)受爆破影響后的圍巖進(jìn)行聲波監(jiān)測(cè)，分析了損傷累積效應(yīng)的誘發(fā)原因，具體結(jié)論如下：

（1）隧道圍巖受爆破作用影響前，聲波信號(hào)較強(qiáng)，振幅較大，隨著爆破次數(shù)的逐漸增多，聲波信號(hào)逐漸減弱，最大振幅逐漸減小；

（2）隨著爆心距的逐漸減小，聲波信號(hào)逐漸減弱，最大振幅逐漸減??；隨著爆破次數(shù)的逐漸增多，圍巖聲波波形相關(guān)系數(shù)逐漸下降，且下降幅度逐漸減弱，整體呈非線性下降趨勢(shì).

（3）聲波透過巖體時(shí)發(fā)生衰減現(xiàn)象的原因包括幾何擴(kuò)散衰減、粘滯吸爆破次數(shù)的遞增，巖體內(nèi)部構(gòu)造發(fā)生改變，出現(xiàn)大量裂紋.

根據(jù)現(xiàn)有結(jié)論，將進(jìn)一步對(duì)頻譜探測(cè)在隧道等地下工程圍巖損傷方面的應(yīng)用進(jìn)行研究，以期為地下工程施工檢測(cè)提供更加準(zhǔn)確的技術(shù)資料.