富水巖溶區(qū)隧道循環(huán)爆破所致圍巖累積損傷的超聲檢測(cè)

王方立，姜 冰，曹 敏，樊毅華，常樹芳，趙 超

(1.中交路橋華南工程有限公司，中山 528403；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

隨著建設(shè)規(guī)模的增大，中國(guó)隧道建設(shè)逐漸向地質(zhì)條件極端復(fù)雜、巖溶區(qū)占地區(qū)總面積1/3以上的西部地區(qū)發(fā)展，施工中的突泥、突水、涌水等災(zāi)害的防控和處治一直是備受重視的難題。目前，鉆爆法仍然是隧道開挖最常用的方法之一，但在充水裂隙巖體附近，特別是臨近水體的隧道工程爆破開挖時(shí)，不可避免地會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致圍巖松動(dòng)，增加巖體孔隙度。圍巖在上部水體的水楔作用和爆破振動(dòng)耦合作用下，水體更容易進(jìn)入隧道開挖空間，導(dǎo)致隧道內(nèi)發(fā)生大量涌水和突水等災(zāi)害事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在隧道地質(zhì)災(zāi)害事故中，突水和突泥事故占比最高，約為45%[1]，造成了大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要對(duì)富水巖溶區(qū)隧道爆破開挖過(guò)程中的損傷累積效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

針對(duì)巖體的爆破損傷問(wèn)題，各國(guó)學(xué)者在理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、模擬試驗(yàn)等方面開展了大量的研究。在爆炸損傷模型研究方面，YANG等[2]假設(shè)巖石爆破過(guò)程中的脆性破壞是由拉伸應(yīng)變控制的，提出了一種與裂紋密度和應(yīng)變率有關(guān)的爆炸損傷本構(gòu)模型，解釋了爆炸應(yīng)力波引起的巖體損傷。在爆破作用的數(shù)值模擬方面，MA等[3]通過(guò)AUTODYN軟件研究了地下爆炸引起的沖擊波在巖體中的傳播過(guò)程，預(yù)測(cè)了地下巖體爆破中產(chǎn)生的破壞面積、損傷區(qū)和地面振動(dòng)。WANG等[4]運(yùn)用LS-DYNA軟件對(duì)爆破漏斗進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了爆破對(duì)巖石的破壞與拉伸損傷。在巖體損傷檢測(cè)方面，SAYERS等[5]通過(guò)聲波測(cè)試得出應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，提出通過(guò)波速值對(duì)巖體損傷程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)；MEGLIS等[6]對(duì)隧道內(nèi)的圍巖進(jìn)行了超聲波測(cè)試，研究了巖體微裂紋發(fā)育情況和區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)與損傷程度之間的關(guān)系；閆長(zhǎng)斌[7]在某巷道進(jìn)行了10次爆破試驗(yàn)，通過(guò)超聲波測(cè)量研究了爆炸荷載作用下工程巖體的累積損傷效應(yīng)，驗(yàn)證了損傷累積規(guī)律的非線性特征；KURTULU等[8]采用大理石試塊研究了節(jié)理數(shù)量和方向?qū)Τ暡▊鞑サ挠绊?，發(fā)現(xiàn)聲波速度隨節(jié)理密度的增加而降低，且在節(jié)理方向不一致的試塊中衰減率更大。綜上所述，巖體爆破損傷理論正在不斷地完善和發(fā)展，但大部分研究對(duì)象主要是常規(guī)地質(zhì)環(huán)境下的圍巖，對(duì)于富水巖溶地區(qū)裂隙巖體的爆破損傷問(wèn)題的研究較少。

為此，針對(duì)富水巖溶區(qū)巖體爆破施工過(guò)程，采用超聲檢測(cè)對(duì)多次爆破作用下圍巖的累積損傷演化規(guī)律進(jìn)行研究，以期為穿越富水巖溶區(qū)隧道的安全開挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析提供參考。

1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)采用跨孔測(cè)試法對(duì)隧道爆破前后的圍巖進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置一對(duì)平行探孔，在其中分別安置脈沖發(fā)射源和接收源，一定能量的高頻彈性脈沖波從發(fā)射源出發(fā)，經(jīng)過(guò)巖石介質(zhì)到達(dá)接收源。水作為發(fā)射源、接收源和巖石介質(zhì)之間的耦合劑，可以大幅降低脈沖波在空氣中傳播引起的試驗(yàn)誤差。傳播路徑中若存在裂隙、孔洞和軟弱層等波阻抗界面，脈沖波將會(huì)產(chǎn)生透射、反射等行為從而損失部分能量，延長(zhǎng)首波到達(dá)時(shí)間并形成復(fù)雜的聲場(chǎng)。當(dāng)巖石受到爆破等外部荷載擾動(dòng)時(shí)，波阻抗界面會(huì)發(fā)生大幅變化從而改變脈沖波的傳播，因此，根據(jù)探孔間超聲波的主要參數(shù)變化規(guī)律，可以判斷巖石受到荷載擾動(dòng)的損傷程度，跨孔聲波檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 跨孔聲波檢測(cè)原理示意

巖體的超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要由發(fā)射換能器、接收換能器、聲波測(cè)試儀、個(gè)人終端以及其他輔助設(shè)備組成。試驗(yàn)中用來(lái)檢測(cè)隧道圍巖聲波信息的主要儀器為RS-ST06D(T)型非金屬超聲檢測(cè)儀，其主要技術(shù)參數(shù)為：① 擁有四個(gè)獨(dú)立可控自發(fā)自收通道；② 最小采樣間隔為0.1 μs；③ 采樣長(zhǎng)度為500～1 000個(gè)采樣點(diǎn)；④ 增益范圍為1～8 000倍；⑤ 采用信號(hào)觸發(fā)；⑥ 可進(jìn)行獨(dú)立可控自動(dòng)采樣；⑦ 可控頻帶寬度為5 kHz～250 kHz。巖體超聲檢測(cè)換能實(shí)物如圖2所示。

圖2 巖體超聲檢測(cè)換能器實(shí)物

巖石爆破損傷屬于動(dòng)態(tài)損傷，根據(jù)一維彈性波理論，當(dāng)聲波在巖石中傳播時(shí)，脈沖波波速與彈性模量之間存在如下關(guān)系

E/E＇=ρc2/ρ＇c＇2

(1)

式中：E和E＇分別為受擾動(dòng)前后巖石的彈性模量；c和c＇分別為受擾動(dòng)前后巖石內(nèi)的聲波波速；ρ和ρ＇分別為擾動(dòng)前后巖石密度。

當(dāng)介質(zhì)為硬巖時(shí)，巖石在爆破擾動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的變形較為微弱，可以認(rèn)為硬巖爆破損傷屬于小變形問(wèn)題，因此可以假設(shè)硬巖介質(zhì)在受爆破擾動(dòng)前后的密度變化不大，則有

E/E＇=c2/c＇2

(2)

介質(zhì)彈性模量的變化與介質(zhì)內(nèi)聲速平方的變化成正相關(guān)，從而可以定義損傷變量D與波速之間的關(guān)系為

D=1-(c/c＇)2

(3)

當(dāng)D=0時(shí)，表明巖體無(wú)損傷；當(dāng)0

Df=1-(cf/c＇)2

(4)

式中：Df為損傷度臨界值；cf為損傷臨界值對(duì)應(yīng)的聲波波速。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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)爆破前后巖石聲波波速下降率達(dá)到15%時(shí)，可以判斷巖石受爆破荷載擾動(dòng)而產(chǎn)生了破裂。此時(shí)，根據(jù)上述公式，破裂區(qū)巖石的損傷變量和聲波波速滿足以下關(guān)系

D≥Df=0.28

(5)

c≤cf=0.85c＇

(6)

式(5)～(6)可作為工程應(yīng)用中通過(guò)聲波試驗(yàn)來(lái)判斷巖石受到荷載擾動(dòng)程度的依據(jù)。

此外，聲波能量在介質(zhì)中呈球面波的形式不斷擴(kuò)散，隨巖體介質(zhì)的不斷劣化以及傳播距離的增加，聲波能量密度也會(huì)逐漸降低，表現(xiàn)為聲波幅度的衰減，因此聲波最大振幅的變化也可作為判斷巖體損傷情況的依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)位于貴州省玉石高速某隧道，該隧道所處山脈受大堯寨向斜構(gòu)造影響，呈南北向展布。隧道洞口為碎屑巖構(gòu)造剝蝕低山地貌區(qū)，隧道中部為碳酸鹽巖構(gòu)造溶蝕中山地貌區(qū)，剖面上沿隧道走向呈現(xiàn)兩山夾一槽的地形。兩側(cè)山脊中間為一呈串珠狀展布的由巖溶洼地組成的巖溶槽谷，隧道從西向東幾乎橫穿該地貌區(qū)的山脊和山谷。隧道地理位置及其災(zāi)害情況如圖3所示。

圖3 隧道地理位置及其災(zāi)害情況

隧址區(qū)碳酸鹽巖發(fā)育，在特殊的地形和地質(zhì)構(gòu)造的作用下，巖溶作用強(qiáng)烈，地下水豐富。巖層中的節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層完整性較差，給隧道施工帶來(lái)了較大安全隱患。在隧道入口YK21+125處，施工期間出現(xiàn)了涌水點(diǎn)，其流量和水質(zhì)隨天氣情況變化；在ZK21+220處發(fā)生有突泥災(zāi)害，伴隨砂礫、卵石、黏土和小股流水，并揭露出大型溶洞。

該試驗(yàn)通過(guò)測(cè)試隧道掌子面爆破開挖作用下的圍巖聲波曲線變化，反映爆破對(duì)圍巖的累積損傷作用。測(cè)區(qū)圍巖以灰?guī)r為主，圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)。隧道掌子面單次開挖2.5 m，單次爆破總藥量為204 kg。測(cè)試孔布置在距離隧道掌子面8 m的邊墻上，共鉆設(shè)2個(gè)平行的聲波測(cè)試孔A和B，其孔徑為50 mm，孔深為2 m，孔距為1 m，孔口連線平行于下臺(tái)階頂面且垂直于掌子面，孔身向下傾斜5°。在測(cè)孔后方的邊墻上布置了兩個(gè)振動(dòng)傳感器，相距10 m，振動(dòng)傳感器與爆破測(cè)振儀連接以測(cè)量掌子面爆破開挖時(shí)圍巖處產(chǎn)生的振動(dòng)信息，測(cè)孔位置如圖4所示，測(cè)孔和測(cè)振現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖4 測(cè)孔位置示意

圖5 測(cè)孔和測(cè)振現(xiàn)場(chǎng)

現(xiàn)場(chǎng)圍巖爆破累積損傷的超聲檢測(cè)步驟如下。

(1) 初次檢測(cè)前，在邊墻上標(biāo)記聲波測(cè)試孔位置，然后打孔。

(2) 測(cè)孔成型后，進(jìn)行超聲檢測(cè)，將該測(cè)試值作為爆破前圍巖的初始值。

(3) 每次測(cè)試前，先將發(fā)射換能器和接收換能器分別插到測(cè)孔A、B的孔底，然后持續(xù)向測(cè)孔注水作為耦合劑，調(diào)整儀器參數(shù)。

(4) 檢測(cè)時(shí)，將兩個(gè)聲波換能器平行地從孔底逐漸向孔口移動(dòng)。通過(guò)計(jì)數(shù)滑輪測(cè)量移動(dòng)距離，每移動(dòng)0.1 m，超聲檢測(cè)儀會(huì)記錄一個(gè)波形數(shù)據(jù)，換能器移動(dòng)到孔口時(shí)停止測(cè)試，保存數(shù)據(jù)。重復(fù)該過(guò)程3次，提取相應(yīng)的聲速和振幅，取其平均值作為檢測(cè)的最終值。

(5) 最后，保存每次掌子面爆破后測(cè)振儀采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)，以待分析。

3 結(jié)果分析

測(cè)孔成型后，通過(guò)超聲檢測(cè)可得到多次爆破作用后圍巖的聲速和振幅信息。共測(cè)試8次，包括圍巖的初始聲波測(cè)試和7次掌子面爆破后的聲波測(cè)試。因?yàn)榭卓谔幍乃詈喜煌耆?，測(cè)試數(shù)據(jù)誤差較大，所以0～0.4 m深度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)不作為參考，以0.4 m為起始深度進(jìn)行分析。多次爆破作用下圍巖聲波波速變化曲線與聲波幅度變化曲線如圖6，7所示。

圖6 多次爆破作用下圍巖聲速變化曲線

圖7 多次爆破作用下圍巖聲波幅度變化曲線

根據(jù)圖6，7可得到以下測(cè)區(qū)隧道圍巖的爆破累積損傷規(guī)律。

(1) 在孔深0.4 ～1.2 m處，隧道圍巖的聲速和最大振幅均隨孔深增大而增大；在孔深1.2～2 m處，聲速和最大振幅變化基本穩(wěn)定，并且基本不隨爆破次數(shù)增加而變化，可以認(rèn)為1.2 m為該隧道爆破影響的臨界深度，該深度范圍內(nèi)為彈性振動(dòng)區(qū)，圍巖不受循環(huán)爆破累積損傷的影響。

(2) 第6次爆破后，爆源距測(cè)孔23.0 m，相比第5次爆破后的圍巖聲速-深度關(guān)系曲線，第6次爆破后的關(guān)系曲線基本不變；同樣，第6次爆破往后聲波最大振幅變化不大，可認(rèn)為第6次和第7次爆破作用對(duì)測(cè)點(diǎn)處圍巖的影響較小。因此，當(dāng)掌子面爆破藥量保持不變時(shí)，距爆源23 m以內(nèi)為該隧道爆破作用的影響范圍。

(3) 在圍巖深度0.4～1.2 m的區(qū)域內(nèi)，相同深度處的圍巖聲速和振幅會(huì)隨著爆破累積作用而降低。雖然單次爆破損傷程度較低，不會(huì)出現(xiàn)破壞，但損傷弱化效應(yīng)會(huì)不斷累積，最終可能導(dǎo)致巖體剝落甚至圍巖的整體性失穩(wěn)。

為了進(jìn)一步分析隧道圍巖的損傷累積規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，采用式(3)計(jì)算圍巖損傷度并與相應(yīng)的聲波最大振幅進(jìn)行對(duì)比，得到的不同深度處圍巖累積損傷度與爆破次數(shù)的關(guān)系如圖8所示，最大振幅與爆破次數(shù)的關(guān)系如圖9所示。

圖8 不同深度處圍巖損傷度與爆破次數(shù)的關(guān)系

圖9 不同深度處最大振幅與爆破次數(shù)的關(guān)系

在臨界范圍以內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)隨著爆破次數(shù)增加，損傷度不斷增大，聲波最大振幅呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。其中，越靠近孔口的測(cè)點(diǎn)，損傷累積速率越快，損傷度增長(zhǎng)幅值更大，巖石最終損傷程度也更大。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5389—2007，當(dāng)巖體聲速降低率超過(guò)10%，即損傷度超過(guò)0.19時(shí)，可以判斷為巖體出現(xiàn)損傷破壞。而該試驗(yàn)中最大損傷度為0.132，出現(xiàn)在孔深0.4 m處，可以認(rèn)為該測(cè)試區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)整體性破壞，但損傷程度接近閾值，說(shuō)明在多次爆破作用下，巖體完整性降低。若在富水巖溶環(huán)境中，隧道容易因爆破累積損傷而引發(fā)突涌水及圍巖失穩(wěn)事故。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中通過(guò)測(cè)振儀監(jiān)測(cè)隧道圍巖的振動(dòng)速度，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步分析掌子面爆破開挖對(duì)邊墻的擾動(dòng)作用，隧道左洞圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值振速隨爆破次數(shù)的變化曲線如圖10所示。

圖10 隧道左洞圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值振速隨爆破次數(shù)的變化曲線

測(cè)得的圍巖質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度為9.981 m/s。隨著隧道不斷向前開挖，爆源與測(cè)點(diǎn)之間的距離以單次進(jìn)尺2.5 m循環(huán)增加。在單次爆破藥量不變的情況下，隨爆源距離的增加，爆破作用對(duì)巖體的影響會(huì)逐漸減弱。與聲波速度和聲波最大振幅的變化相同，在第5次爆破后，測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)速度變化不大，說(shuō)明在該距離下掌子面爆破作用對(duì)圍巖產(chǎn)生的影響已經(jīng)比較微弱。

4 結(jié)論

闡述了隧道爆破開挖時(shí)圍巖產(chǎn)生損傷的機(jī)理，依托貴州某富水巖溶公路隧道，開展了多次爆破作用下的圍巖累積損傷測(cè)試，對(duì)超聲檢測(cè)結(jié)果和振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論。

(1) 跨孔聲波檢測(cè)法能有效地檢測(cè)出圍巖的劣化程度，根據(jù)聲速和聲波最大振幅的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)隧道圍巖在不同孔深處受爆破的影響程度不同，孔深越淺所受影響程度越大，1.2 m為該隧道爆破影響的深度臨界值，距爆源23 m內(nèi)為該隧道爆破作用的影響范圍。

(2) 隨著爆破次數(shù)增加，隧道圍巖產(chǎn)生了明顯的累積損傷，越靠近孔口的測(cè)點(diǎn)，損傷累積速率越快，巖石最終損傷程度也越大。多次爆破作用下圍巖的損傷弱化效應(yīng)會(huì)不斷累積，最終有出現(xiàn)圍巖整體性失穩(wěn)的可能性。

(3) 圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值振速與爆源距離呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，測(cè)點(diǎn)離爆源越遠(yuǎn)，爆破所產(chǎn)生的振動(dòng)速度越小，可以通過(guò)振速來(lái)評(píng)判單次爆破作用下圍巖受掌子面爆破開挖的影響程度。