小西庫(kù)隧道圍巖累積損傷演化研究

徐平甲

(中鐵十六局集團(tuán) 路橋工程有限公司,北京 101500)

對(duì)于鉆爆法施工隧道而言，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量不可避免地對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，因而關(guān)于圍巖損傷控制的研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)是評(píng)價(jià)巖體爆破損傷最為高效可靠的方法，聲波測(cè)試技術(shù)更是得到了學(xué)者們的廣泛認(rèn)可[1-3]。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者已經(jīng)對(duì)隧道圍巖損傷進(jìn)行了大量研究，并得到了許多重要的研究成果。王海龍等利用聲波測(cè)試技術(shù)研究了某鉆爆法施工隧道爆破開挖引起的初支混凝土損傷累積規(guī)律[4]。中國(guó)生等按照相似比理論建立1∶15實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M了隧道爆破開挖方式[5]，以同一測(cè)點(diǎn)處爆破前后巖體聲速變化評(píng)價(jià)隧道圍巖損傷程度。閆長(zhǎng)斌等在某地下工程圍巖中開展了10次小藥量爆破巖體損傷聲波測(cè)試研究[6]，結(jié)果表明巖體爆破損傷除了影響縱波速度之外，還會(huì)造成聲波能量衰減和頻譜特征的變化。邢東升等研究了巷道開挖過(guò)程中多次爆破動(dòng)荷載對(duì)巷道圍巖體的累積損傷[7]。曹峰等采用聲波測(cè)試技術(shù)和有限元的方法研究了循環(huán)爆破荷載作用對(duì)小凈距隧道中夾巖的影響[8]，結(jié)果表明最大損傷范圍出現(xiàn)在中夾巖的拱肩；相比單次爆破，循環(huán)多次爆破開挖造成的累積損傷范圍明顯增加，臨界損傷峰值質(zhì)點(diǎn)振速顯著降低。凌天龍結(jié)合隧道圍巖聲波測(cè)試試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法對(duì)八達(dá)嶺長(zhǎng)城站隧道爆破開挖引起的圍巖損傷及其累積效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究[9]。李衛(wèi)通過(guò)隧道現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)試發(fā)現(xiàn)距爆源0～0.6 m范圍內(nèi)圍巖破壞嚴(yán)重[10]，0.7～1.7 m范圍內(nèi)圍巖存在損傷擾動(dòng)區(qū)，1.7～4.7 m范圍內(nèi)圍巖基本保持完整狀態(tài)。不難發(fā)現(xiàn)，采用聲波測(cè)試技術(shù)研究爆破荷載作用下圍巖損傷得到了廣大學(xué)者的認(rèn)可，但對(duì)于同一隧道相同巖性不同等級(jí)的圍巖損傷演化規(guī)律非常少見(jiàn)，且未能充分提取聲波速度-孔深曲線信息，對(duì)此需要深入開展相關(guān)研究工作。

基于以上分析，筆者以小西庫(kù)鉆爆法施工隧道工程為依托，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析的方法分別研究了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)白云巖圍巖累積損傷演化規(guī)律，為多次爆破荷載作用下隧道圍巖安全穩(wěn)定提供一定的指導(dǎo)。

1 工程背景

密云區(qū)西統(tǒng)路(河北路-密關(guān)路)道路工程施工第一標(biāo)段位于北京市密云區(qū)西田各莊鎮(zhèn)和溪翁莊鎮(zhèn)，工程起點(diǎn)為河北路，終點(diǎn)為密關(guān)路，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為一級(jí)。小西庫(kù)隧道是該線路上的一條雙線分離式隧道，共計(jì)長(zhǎng)1247 m，其中右線557 m，左線690 m。隧道上部覆蓋層較薄，近30%為淺埋；圍巖質(zhì)量較差，以Ⅴ級(jí)風(fēng)化白云巖為主。隧道的斷面尺寸為寬14.1 m，凈高11 m。本隧道采用三臺(tái)階法開挖。

2 測(cè)試方案

2.1 原理

單孔測(cè)試法。采用RSM-SY5型聲波儀及配套一發(fā)雙收式換能器進(jìn)行聲波測(cè)試，其原理如圖1所示。測(cè)試時(shí)，把發(fā)射換能器和接收換能器置于同一鉆孔中，發(fā)射機(jī)通過(guò)發(fā)射探頭F發(fā)射超聲波，經(jīng)水的耦合，到達(dá)孔壁并沿孔壁傳到兩接收探頭S1和S2，設(shè)其初至?xí)r間分別為t1和t2，這樣根據(jù)兩接收探頭的距離L就能算出測(cè)試點(diǎn)處的巖體縱波速度

(1)

圖 1 單孔測(cè)試原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of single hole test principle

2.2 鉆孔

根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件和施工環(huán)境，在隧道右線Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖中分別選擇1～2個(gè)測(cè)試斷面，將所有聲波測(cè)試孔均布置在距離上臺(tái)階掌子面后方9 m左右(考慮現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境)的中臺(tái)階底板以上1.2 m處右臂拱腰的位置。測(cè)試孔孔徑45 mm，孔深4.0 m，水平向下傾斜5°。具體布置形式如圖2所示。鉆孔孔徑均一，孔壁完整、光滑，孔內(nèi)無(wú)殘?jiān)?；鉆孔順直，一徑到底；鉆完孔后用高壓風(fēng)和清水沖洗干凈。

2.3 測(cè)試

①借助套桿將聲波測(cè)試探頭置于孔底，連接水管向測(cè)孔加水，當(dāng)看到水從測(cè)試孔中緩慢流出時(shí)開始進(jìn)行測(cè)試工作，測(cè)試過(guò)程中保證測(cè)試孔內(nèi)水呈溢出狀態(tài)，以保證孔內(nèi)換能器與巖壁通過(guò)水介質(zhì)充分耦合。②把探頭外拉10 cm，重復(fù)上邊的操作，完成后邊的測(cè)試，直到外邊的接受探頭到孔口為止。③每次測(cè)試時(shí)，每個(gè)測(cè)孔單獨(dú)創(chuàng)建一個(gè)文件夾來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。④在不影響施工隊(duì)工作的情況下進(jìn)行測(cè)試。

3 損傷變量

根據(jù)損傷力學(xué)關(guān)于損傷的描述，損傷定義為[11]

(2)

式中:E為爆破后巖體的彈性模量;E0為爆破前巖體的彈性模量。

根據(jù)彈性波理論，爆破前后巖體彈性模量可由式(3)和式(4)表示

(3)

(4)

式中:ρ0和ρ分別為爆破前后巖體的密度；μ0和μ分別為爆破前后巖體的泊松比；C0和C分別為爆破前后巖體的縱波波速。

圖 2 隧道聲波測(cè)試孔現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of acoustic test hole in tunnel

在采用光面爆破技術(shù)施工的隧道中，爆破前后保留巖體的性質(zhì)變化不大，一般認(rèn)為爆破前后巖體的密度和泊松比近似相等，即ρ0≈ρ，μ0≈μ，因此，聯(lián)立式(2)～(4)，可以得到

(5)

由式(5)可以看出，巖體的損傷變量D可以通過(guò)爆破前后巖體縱波波速的變化近似表示。故本文據(jù)此原理進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)縱波速度測(cè)試及圍巖損傷分析。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 Ⅲ級(jí)圍巖損傷演化規(guī)律分析

圖3是單次爆破藥量為185 kg，距離掌子面9～34 m時(shí)Ⅲ級(jí)白云巖損傷演化相關(guān)曲線。圖3(a)表明，1.8～3.7 m范圍內(nèi)巖體縱波速度較高，且一直穩(wěn)定在4200 m/s左右，說(shuō)明此范圍內(nèi)巖體相對(duì)完整，圍巖受爆破荷載影響較小，擬將此聲波速度作為Ⅲ級(jí)白云巖縱波速度；0.8～1.8 m范圍內(nèi)圍巖縱波速度從4200 m/s衰減至1000 m/s左右，且出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，說(shuō)明爆破荷載對(duì)此范圍內(nèi)的圍巖影響較大；0～0.8 m范圍內(nèi)聲波波形太弱，無(wú)法計(jì)算巖體縱波速度，這是由于該范圍內(nèi)巖體破碎導(dǎo)致聲波無(wú)法在巖體中傳播。

圖3(b)、(c)損傷值D是根據(jù)式(5)計(jì)算得到的，無(wú)法測(cè)得波型時(shí)損傷值取為1。據(jù)圖可知：隨著孔深的減小，圍巖損傷程度呈現(xiàn)變大的趨勢(shì)，且同一深度處圍巖損傷隨著爆破次數(shù)的增加而不斷累積；開挖輪廓面附近的巖體累積損傷更大，說(shuō)明該范圍內(nèi)的巖體更容易受爆破擾動(dòng)影響；每次爆破對(duì)各孔深處的圍巖擾動(dòng)影響總體較小，呈現(xiàn)緩慢累積的趨勢(shì)，且在第7次爆破后，巖體累積損傷不再增加，尤其是孔深超過(guò)1.8 m后規(guī)律更為明顯，這在曲線圖上表現(xiàn)為直線形式，與聲波波速圖相對(duì)應(yīng)。

圖 3 Ⅲ級(jí)圍巖損傷演化規(guī)律曲線Fig. 3 Damage evolution curve of grade Ⅲ surrounding rock

4.2 Ⅳ級(jí)圍巖損傷演化規(guī)律分析

圖4是單次爆破藥量為162 kg，距離掌子面 9～25 m時(shí)Ⅳ級(jí)風(fēng)化白云巖損傷演化相關(guān)曲線。圖4(a)表明，2.0～3.7 m范圍內(nèi)巖體縱波速度一直穩(wěn)定在3300 m/s左右，將此聲波速度作為Ⅳ級(jí)白云巖縱波速度；0.8～2.0m范圍內(nèi)圍巖縱波速度從3300 m/s降至1000 m/s左右，但下降速度要比Ⅲ級(jí)白云巖慢，且在下降過(guò)程中出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，說(shuō)明爆破荷載對(duì)此范圍內(nèi)的圍巖影響較大；0～0.8 m范圍分析同上。

據(jù)圖4(b)、(c)可知：Ⅳ級(jí)圍巖大約在第7次爆破后損傷不再增加；孔深為1.3 m時(shí)，第3～7次爆破對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，損傷值從0.12直線升到0.42；此外，隨著開挖的推進(jìn)，因爆破導(dǎo)致巖體損傷范圍并未變化，根據(jù)松動(dòng)圈理論，可將松動(dòng)圈厚度確定為2.0 m。

圖 4 Ⅳ級(jí)圍巖損傷演化規(guī)律曲線Fig. 4 Damage evolution curve of grade IV surrounding rock

4.3 Ⅴ級(jí)圍巖損傷演化規(guī)律分析

圖5是單次爆破藥量為144 kg，距離掌子面9～21 m時(shí)Ⅴ級(jí)風(fēng)化白云巖圍巖損傷演化相關(guān)曲線。由圖5(a)可知，2.3 m范圍外的巖體相對(duì)較為完整，但聲波波速較Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖顯然較低(低于3000 m/s)，這符合巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；爆破施工對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖的擾動(dòng)規(guī)律同Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖略有差異，越深處的巖體受擾動(dòng)越大，在第4次爆破后，由于巖體若面較多、孔隙率大，原生裂隙逐漸擴(kuò)展甚至貫通，圍巖縱波速度出現(xiàn)明顯的下降。

據(jù)圖5(b)、(c)可知：Ⅴ級(jí)圍巖損傷在整個(gè)孔深范圍內(nèi)分布比較均勻，最小累積損傷在1.7 m，最大累積損傷在2.3 m；第7次爆破后圍巖損傷不再增加，表明在此距離后爆破作用對(duì)測(cè)孔的損傷影響不大；第3～5次爆破對(duì)圖中各孔深損傷影響較為明顯，損傷值增幅較大。

圖 5 Ⅴ級(jí)圍巖損傷演化規(guī)律曲線Fig. 5 Damage evolution curve of grade V surrounding rock

4.4 隧道圍巖分區(qū)研究

從以上測(cè)試分析結(jié)果可以看出，孔內(nèi)聲波速度曲線具有明顯的區(qū)域特性。圖6為小西庫(kù)隧道Ⅲ級(jí)白云巖圍巖聲波速度分區(qū)特性圖，結(jié)合巖體質(zhì)量情況，將其劃分為3個(gè)區(qū)域：孔底處聲波速度較高且維持在一恒值附近，定義為未擾動(dòng)區(qū)(>1.8 m)；孔口處巖石較為破碎，聲波波形微弱，定義為破壞區(qū)(<0.8 m)；未擾動(dòng)區(qū)和破壞區(qū)之間聲波速度呈震蕩衰減狀態(tài)，該范圍內(nèi)巖體受爆破作用影響較大，定義為擾動(dòng)區(qū)。Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)白云巖圍巖聲波速度-孔深曲線也可以獲得相似結(jié)論。

圖 6 隧道圍巖聲波速度分區(qū)特性Fig. 6 Acoustic velocity zone characteristics of tunnel surrounding rock

5 結(jié)論

借助聲波測(cè)試技術(shù)，對(duì)西統(tǒng)路小西庫(kù)隧道爆破施工引起的白云巖圍巖累積損傷演化規(guī)律進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

(1)小西庫(kù)隧道Ⅲ級(jí)白云巖縱波速度在4200 m/s以上，Ⅳ級(jí)白云巖縱波速度約為3300 m/s，而Ⅴ級(jí)白云巖縱波速度低于3000 m/s。

(2)0～0.8 m孔深范圍內(nèi)的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)白云巖圍巖聲波波形很弱，無(wú)法計(jì)算出縱波速度；單條縱波速度-孔深曲線上，靠近孔口的縱波速度較低，孔底處縱波速度較高，且在下降階段會(huì)出現(xiàn)波形震蕩現(xiàn)象。

(3)單次爆破藥量為180 kg時(shí)，Ⅲ級(jí)白云巖圍巖最大損傷范圍為1.8 m，0.8～1.8 m范圍內(nèi)圍巖縱波速度從4200 m/s衰減至1000 m/s左右，在掌子面向前推進(jìn)24m后圍巖損傷趨于穩(wěn)定；單次爆破藥量為168 kg時(shí)，Ⅳ級(jí)白云巖圍巖最大損傷范圍為2.0 m，且0.9～2.0 m孔深范圍內(nèi)巖體聲波速度從3300 m/s下降至1000 m/s以下；單次爆破藥量為144 kg時(shí)，整孔范圍內(nèi)的Ⅴ級(jí)白云巖巖體均受爆破振動(dòng)影響，最小累積損傷出現(xiàn)在1.7 m，最大累積損傷在2.3 m，且越深處的巖體受擾動(dòng)越大，但第7次爆破后圍巖損傷不再增加。

(4)根據(jù)巖體聲波速度-孔深曲線并結(jié)合巖體完整程度，將小西庫(kù)隧道白云巖圍巖分為三個(gè)區(qū)域：破壞區(qū)(0.8 m以內(nèi))，擾動(dòng)區(qū)和未擾動(dòng)區(qū)(1.8 m以外)。因此，在大斷面隧道爆破施工時(shí)，應(yīng)充分考慮多次爆破荷載作用對(duì)圍巖的影響，確保圍巖整體穩(wěn)定。