爆破作用下隧道围岩损伤红外热像分析

邹宝平, 罗战友, 王建秀, 王国涛, 胡力绳

(1. 中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083；2.浙江科技学院 土木与建筑工程学院， 杭州 310023；3.同济大学 地下建筑与工程系， 上海 200092；4.中铁二局集团有限公司, 成都 610031)



爆破作用下隧道围岩损伤红外热像分析

邹宝平1,2,3, 罗战友2, 王建秀3, 王国涛3, 胡力绳4

(1. 中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083；2.浙江科技学院 土木与建筑工程学院， 杭州 310023；3.同济大学 地下建筑与工程系， 上海 200092；4.中铁二局集团有限公司, 成都 610031)

隧道在爆破荷载作用下的温度变化会使围岩遭受温度应力集中效应，造成围岩结构损伤，使隧道光爆成型质量差，如何避免围岩缺陷对隧道光爆成型质量的影响亟待研究与解决。以成渝高铁某隧道工程为背景，基于红外热像原理，对隧道掌子面光爆红外热像进行实验设计，从不同部位的节理裂隙岩体的红外温度异常区域的温度分布、温度变化范围等方面对围岩缺陷进行判断，分析其分布规律。研究结果表明：掌子面岩石具有明显的高温条带与低温区域相间的辐射温度场，节理裂隙处红外温度较低，岩石突变处红外温度较高；掌子面岩石破裂过程中红外温度异常，主要表现为阶梯状交替升降温，并明显出现高温区和低温区。研究结果可为隧道光爆炮孔布置、装药参数设计、围岩稳定性评价提供一定的科学依据。

隧道； 光面爆破； 红外热像； 围岩损伤； 节理裂隙

1　引言

隧道在爆破荷载作用下围岩的断裂扩展过程非常复杂，当炸药爆炸后，爆炸冲击波或应力波迅速向外传播，炮孔周围的岩石因受到强烈的压缩而破碎，虽然获得了需要的隧道线型，但是却对隧道围岩造成扰动。由于炸药在极短的时间内爆炸，温度达2 000 ～5 000 ℃，当岩石破碎后又迅速降低，这种温度变化使围岩遭受爆破温度应力集中效应，从而造成围岩结构损伤，完整岩体损伤深度一般为0.5 m，软岩或节理裂隙发育的脆性岩体，损伤深度更大；加之岩体自身的非均匀性，当受到来自炸药爆炸的作用时，致使原有的裂隙张开、扩展，导致爆源附近的岩体结构及其物理性能劣化〔1〕。因此，隧道光爆时达不到理想的爆破效果，产生大量的超挖或欠挖，严重影响隧道光爆成型的质量。

国内外众多学者基于红外热像，利用单向加载、循环加载等方式对干燥和潮湿砂岩〔2〕、含圆孔岩石〔3〕、预制的单裂纹缺陷花岗岩〔4〕、不同渗水程度的岩石〔5〕、钻掘过程中的岩石〔6〕、花岗闪长岩和大理岩〔7〕等各种环境下的岩石进行了大量研究，同时对冲击倾向性煤体〔8〕、岩石摩擦与撞击〔9〕、拐折非连通断层〔10〕、岩爆诱发的深埋隧道围岩变形〔11〕、软岩巷道变形破坏〔12-15〕、含节理裂隙隧道开挖面〔16〕、矿石检测与评定〔17〕等进行了较为系统的研究，取得了大量的研究成果。但目前，基于红外热像对大断面隧道光爆造成的围岩结构损伤研究较少，且没有针对隧道掌子面围岩结构损伤程度对隧道光爆设计的参考，也没有对隧道光爆质量与围岩结构损伤程度的关系进行研究。

因此，本文以成渝高铁某隧道工程为背景，基于红外热像原理，分析隧道掌子面、节理裂隙等不同部位的红外温度异常区域的温度分布、温度变化范围，进而对围岩缺陷进行判断，分析其分布规律。

2　红外热像热传导理论

红外热像原理基于被测目标表面温度的分布图像，利用热传导在隧道围岩内部的差异，判断隧道围岩内部是否存在差异，进而判断隧道围岩的级别，分析隧道围岩内部差异程度与光爆质量的关系〔18〕。红外热像热传导理论主要包括温度场和温度场梯度、傅里叶定律、热传导微分方程。

稳态导热主要指导热的过程是在稳定的温度场中发生，反之，就是指瞬态导热，瞬态导热表达式为：

T=f(τ,x,y,z)

(1)

式中：τ为时间；x,y,z为坐标的位置。

温度梯度主要指温度增量和法向距离两者的比值，为向量，其解析式为：

(2)

式中：i，j，k为x，y，z坐标轴上的单位矢量。

导热情况下，热流密度和温度梯度的关系是正比关系， 用x、y、z表示的投影表达式为：

(3)

式中：mx，my，mz为x、y、z上的热流投影。

温度在物理的内部会存在差异，故热量的流动方向是由高温向低温部位流动，表达式为：

Q=ΔE+H

(4)

式中：Q为导入物体的热量；ΔE为物体内能的增加；H为物体对外做的功。

由能量守恒定律和傅里叶定律可知：

(5)

(6)

导热微分方程表达式为：

(7)

3　实验设计

3.1工程背景

实验选取成(都)渝(重庆)高铁某隧道工程，该工程测区属丘陵地貌，丘槽相间，地形波状起伏，地面高程304 ～424 m，相对高差20 ～120 m。该隧道位于华金山断裂以东的褶皱束，由一系列北东-北北东向近于平行的高背斜山脉组成。隧道平常期涌水量Q平=1.01×104m3/d，雨洪期最大涌水量Qmax=1.52×105m3/d。实验段里程为DK247+010 ～DK247+063，隧道的设计标准断面高11.08m，宽14.90m， 面积139.42m2(不考虑隧底影响)，周边孔、辅助孔、掏槽孔设计深度分别为4.0，4.5，5.0m，隧道洞身主要穿越<27-5>泥质砂岩(J2s)，其岩石物理力学指标见表1，掌子面上部为红褐、黑褐色砂岩，局部存在灰白色砂岩条带；下部为砖红色泥质粉砂岩夹泥岩，局部夹灰绿色粉砂质泥岩条带；局部标段掌子面底部出现青黑色中粗砂岩。上部砂岩与下部泥质粉砂岩之间存在明显灰绿色接触带，接触带中部存在明显褶曲现象，平均产状N25°E/SE∠11°，多有泉水出露。

表1　岩石力学参数

3.2实验设计方案

实验主要是利用FlukeTiR110型红外热像仪采集实验段隧道围岩的红外热像信息。实验设计的方案为：

(1)准备工作。针对隧道爆破施工作业粉尘多、光线昏暗、爆破动荷载扰动、潮湿等特点，同时为保证采集到准确的红外热像数据，首先利用1m×20cm保鲜膜(密封膜)将红外仪密封，密封部位主要包括红外相机镜头、LCD显示屏，避免隧道爆破灰尘影响量测精度，然后校核红外仪，调整因保鲜膜密封而引起的红外仪量测参数变化，包括辐射系数调整、透光率/透光度调整、现场温度校核。经过室内实验，密封膜透光率为89%，因隧道环境下受粉尘、爆破扰动，具体值以隧道现场环境下实验值为准。

(2)以温度计为主(量程-30° ～+50°，湿度0 ～100%)，红外热像仪量测为辅，对隧道现场的温度进行量测，量测位置包括隧道掌子面、距隧道掌子面2，5，8，11，14，17，20，23m位置，每一位置量测3次，最后取平均值作为隧道爆破现场环境温度值。

(3)量测部位选择，主要包括隧道掌子面、开挖进尺面、炮孔位、围岩突变处、节理裂隙部位。在对围岩进行扫描时，对被测物体用30m盘式皮尺进行量测，确定量测范围。

(4)红外量测。因为隧道爆破现场光线昏暗，利用红外仪进行扫描时，必须打开激光和照明灯/闪光灯，利用激光和LCD屏上的中心、左、右三个标记对被测物体进行定位，确定被测物体范围和位置，同时强光LED手电筒必须辅助照明。当被测物体定位后，对红外仪进行对焦，同时观测LCD屏上的中心点温度，待温度值基本稳定后，捕获图像，记录温度值和量测方位。

(5)利用SmartView3.2版软件对红外图像进行处理，主要是透光率矫正、水平和跨度的调节、红外图像融合、图像或温度数据导出等。

4　围岩损伤红外热像演化特征

选取实验段隧道共10个循环进尺面进行红外热像研究，共获取隧道掌子面不同部位的红外热像图近1 000张，受于篇幅，选取有代表性的第5、第6开挖循环进行研究，分析掌子面不同部位节理裂隙红外热像分布规律。第5开挖循环隧道掌子面上部节理裂隙红外热像对比如图1所示，红外温度分布曲线如图2所示。

图1　隧道掌子面上部节理裂隙岩体红外对比Fig.1　Comparison of the infrared images of joint cracks in the upper tunnel face

由图1可知，全红外图出现多条连续、斜列式的显著高温条带， 在高温条带之间的区域出现低温辐射，由于隧道掌子面围岩受爆炸荷载、岩石本身节理裂隙等众多因素影响，导致围岩局部结构的密实性不足、厚薄不均匀，因而使岩石节理裂隙部位和岩石破碎部位红外温度低，如点P0、P3、P4红外温度分别为22.7，23.5，22.3 ℃，岩石突变处红外温度较高，如点P1、P2红外温度分别为26.6，25.9 ℃，节理裂隙分界线处红外温差明显，高对比度颜色分明。

图2　隧道掌子面上部节理裂隙岩体红外温度分布Fig.2　Infrared temperature distribution of joint cracks in upper tunnel face

由图2对比可知，线L0、L1、L2、L3的平均红外温度分别为25.5，25.3，25，24.8 ℃，线L0、L1、L2、L3红外温度变化幅度较大，呈阶梯状交替升降温，明显出现高温区和低温区，高温区域温度变化幅度不大，在1.5 ℃左右，但低温区域降温幅度较大，线L0、L1、L2、L3降温幅度分别达到2.7，2.7，2.9，3.2 ℃，这表明爆破后的掌子面岩石存在两种温度效应〔7〕，即增温效应和降温效应。在高温区域，岩石密实性不足，均匀性下降，微破裂发育；在低温区域，岩石因拉伸使温度下降，为张性应变，节理裂隙非正常发育，岩体即将发生宏观破坏。

第6循环隧道掌子面右侧节理裂隙红外热像对比如图3所示，红外温度分布曲线如图4所示。

图3　隧道掌子面右侧节理裂隙岩体红外对比Fig.3　Comparison of infrared images of joint cracks in right tunnel face

由图3对比可知，全红外图具有明显的高温条带与低温区域相间的辐射温度场，较好地反映了岩石不同部位的红外温度，节理裂隙处红外温度较低，如点P0、P1、P2、P3、P4、P5的红外温度分别为23.8，23.6，23.8，23.7，23.5，23.9 ℃，岩石突变处红外温度较高，如点P6、P7、P8、P9、P10、P11的红外温度分别为24.6，25.0，25.1，25.4，25.0，25.0 ℃，这种高温条带与低温区域相间的带状条带体现了岩石破裂前红外温度辐射的异常现象。

图4　隧道掌子面右侧节理裂隙岩体红外温度分布Fig.4　Infrared temperature distribution of joint cracks in right tunnel face

由图4对比可知，线L0、L1、L2、L3的平均红外温度变化幅度不大，分别是24.3，24.4，24.7，24.7 ℃，线L0、L1、L2、L3在岩石破裂整个过程中红外温度变化幅度较大，平均在2.1 ℃左右，主要呈阶梯状交替升降温，明显出现高温区和低温区，高温区域温度变化幅度不大，在0.8 ℃左右，但相比高温区，低温区域降温幅度较大，线L0、L1、L2、L3降温幅度分别为1.1，1.1，1.3，1.3 ℃，表明岩石表面的红外热像出现空间分异现象，致使高温区与低温区相间，其对应位置即为岩石破裂损伤位置。

5　结论

(1)掌子面岩石具有明显的高温条带与低温区域相间的辐射温度场，节理裂隙处红外温度较低，岩石突变处红外温度较高，高温条带与低温区域相间的带状条带体现了岩石破裂前红外温度辐射的异常现象，这种临破裂前的红外温度辐射异常现象是岩石破裂失稳的重要前兆，将会对隧道围岩的整体稳定性产生重要影响。

(2)掌子面岩石破裂过程中红外温度异常主要表现为阶梯状交替升降温，并明显出现高温区和低温区，存在增温效应和降温效应，致使围岩的承载能力差，不利于多次爆破条件下隧道爆破质量的控制。

(3)红外热像仪能大范围、快速、连续地对隧道光爆掌子面围岩内部的缺陷进行检测，并能定性判断隧道掌子面围岩内部缺陷的位置，可为隧道光爆炮孔布置、装药参数设计、围岩稳定性评价提供一定的科学依据，避免围岩缺陷对隧道光爆成型质量的影响，但由于光爆现场实验条件限制以及岩石本身天然缺陷、爆破后掌子面岩石破裂情况不同，基于红外热像的掌子面岩石的损伤范围、深度的定量研究有待深入。

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Infrared thermography analysis of tunnel surrounding rock damage under blasting

ZOU Bao-ping1, 2, 3, LUO Zhan-you2, WANG Jian-xiu3, WANG Guo-tao3, HU Li-sheng4

(1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Techno-logy (Beijing), Beijing 100083, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China; 3. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;4. China Railway No.2 Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China)

The tunnel surrounding rock was subjected to temperature stress concentration effects under the impact of explosion and the rock damage and poor quality of tunnel blasting shaping would be made. How to avoid defects of surrounding rock on the tunnel blasting shaping quality needed to be researched and solved. With the background of the tunnel of Chengdu-Chongqing high-speed railway, the infrared thermography experimental design was applied for the tunnel face based on infrared thermography theory. The infrared experimental abnormal regions of the temperature distribution and the temperature variation range of the tunnel face from different joint fissures were judged to explore the regularities of infrared temperature. The research result showed that tunnel face rock had radiation temperature field with high and low temperature abnormality area. The bottom of the infrared temperature in tunnel face was lower and the central part was higher. The infrared temperature of tunnel face rock showed up anomaly as temperature raised and fell alternately during rock fracture, and there was obvious high and low temperature zone. It could provide certain information for drilling-and-charging design parameters and evaluation of the stability of surrounding rock.

Tunnel; Smooth blasting; Infrared thermography; Rock damage; Joint fissure

1006-7051(2016)04-0001-06

2016-05-09

国家自然科学基金(41572299);浙江省公益技术应用研究计划(2016C33033);浙江科技学院科研基金(F702104E03);浙江科技学院学科交叉预研专项(2015JC04Y);中铁二局股份有限公司课题(201218)

邹宝平(1982-)，男，博士、讲师，主要从事隧道工程、岩土与地质工程方面的教学与研究工作。E-mail： zoubp@zust.edu.cn

TD235.4+7

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.001