循环爆破作用下岩体的不同步累积损伤测试方法❋

2019-04-09赵春生费鸿禄

爆破器材 2019年2期

赵春生费鸿禄胡刚

①中铁十八局集团第二工程有限公司(河北唐山，064000)②辽宁工程技术大学爆破技术研究院(辽宁阜新，123000)

引言

钻爆法广泛应用于矿山煤炭开采、铁路隧道开挖、水利工程建设等领域[1]，在破碎和抛掷岩体的同时，不可避免地会对周围岩体产生扰动和破坏[2]，循环爆破累积作用是导致岩体损伤并最终失稳的主要原因[3]。

针对循环爆破载荷作用下岩体的累积损伤效应，国内外学者进行了大量研究[4-10]。杨国梁等[11]利用超声波测试技术对巷道侧壁的损伤规律进行研究，揭示了爆破振动下岩体的损伤累积规律，发现工作面推进到10～20 m时损伤度急剧增长；闫长斌[12]基于快速傅里叶变换探讨了声波在爆破损伤岩体中传播时的衰减特性，分析了声波主频等声学参数随爆破次数的变化特性；费鸿禄等[13]结合岩体声速和爆破振动测试数据的对比分析表明，多次爆破振动随岩体声速的降低呈指数关系衰减，并确定了边坡的损伤阈值；邢东升等[14]运用智能声波仪测试了巷道围岩在爆破振动作用下的累积损伤，结果发现，多次爆破振动的累积损伤作用仅增加围岩体的破碎程度，并未扩大损伤范围；中国生等[15]按照相似比理论建立1∶15的试验模型，通过模拟隧道爆破开挖方式，以同一测点处爆破前、后岩体声速变化评价隧道围岩损伤程度。以上研究全部依据声速变化分析岩体在循环爆破载荷下的累积损伤效应，但针对累积损伤测试方法适用性及精确度的研究却鲜有报道。

本文中，根据5次循环爆破载荷作用下不同测孔深度处的损伤效应规律，对比传统累积损伤测试方法，证明不同步累积损伤测试方法的合理性及准确性。

1 工程概况

新建铁路福州至平潭段新鼓山隧道穿越福州市鼓山风景区，进口位于福州市东山村东侧，距离东山村约400 m[4]，出口位于福州市东山村北侧的山坡上；隧道穿越的山岭近南北走向，中线左侧山峰陡峻，右侧为马尾城区，最大埋深为393 m；新鼓山隧道起讫里程DK5＋095～DK13＋294，全长8 199 m，具体平面图见图1。

图1 隧道平面图Fig.1 Tunnel plan

新鼓山隧道在Ⅲ级、Ⅳ级围岩处采用台阶法进行爆破掘进，使用2号岩石乳化炸药，药卷直径32 mm，1～15段毫秒导爆管雷管；炮孔施工采用气腿凿岩机，孔径为42 mm，孔深为2.0～2.5 m，且考虑10% ～15%的超深，具体炮眼布置如图2所示。

2 现场声波测试试验

采用NM-4A非金属超声检测分析仪在距离隧道掌子面5 m处进行声波测试试验；本次试验中共布置3个测孔，按照“┍”、“┑”、“┕”和“┙”形式分布，由于篇幅有限，仅根据“┙”布孔形式进行循环爆破作用下岩体累积损伤效应分析[16]，具体声波试验测孔布置如图3所示，所取平面为隧道侧壁。

图2 炮眼布置图Fig.2 Blasting holes layout

图3 声波试验测孔示意图Fig.3 Holes arrangement of acoustic test

声波试验测孔孔深为3.4 m，测孔1＃与测孔2＃、测孔2＃与测孔3＃间距为1.0 m，由此测孔1＃与测孔3＃间距约为1.4 m。其中，1＃-2＃剖面平行于掌子面；2＃-3＃剖面垂直于掌子面；1＃-3＃剖面与掌子面呈 45°夹角。依据《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—99)，满足声波测试试验要求[17]，测孔内应注满水，且测孔与隧道侧壁呈65°～75°夹角。

2.1 传统测试方法

声波测试技术是循环爆破载荷作用下岩体累积损伤效应分析最简便、经济的方法之一[18]，传统测试方案的步骤如下:

1)为了控制声波测试标准，消除初始损伤对循环爆破作用下岩体累积损伤效应分析的影响，需要增加首次爆破前声波测试；

2)选定相邻2个测孔，将声波发射器和接收器分别放入测孔的孔底；

3)测定测孔所在剖面区域的孔底声波速度，为了减少试验误差，声波测试数据不得少于3个，且取其平均值为最终声速；

4)沿孔深将声波发射器和接收器从孔底同步向上提升0.2 m，再进行步骤3)，直至孔口为止。

依据测孔孔深和提升间距，任意2个测孔剖面区域共进行16次声波测试，具体测试如图4所示。

图4 传统声波测试方法Fig.4 Old method of acoustic test

2.2 不同步声波测试方法

隧道掘进过程中，爆破载荷近似以球面波的形式向外传播，由于声波试验测点距离爆源较近，测孔剖面所在区域所受的损伤效应不应该简化为垂直于掌子面或平行于掌子面，而是以上方向损伤效应的叠加；由此，在传统声波测试方法的基础上，提出不同步声波测试技术。因为采用相同的测试仪器，且超声波发射为球形传播，所以忽略仪器方向性误差带来的影响。

不同步声波测试方法步骤如下:

1)～3)同传统声波测试方法；

4)沿孔深将声波接收器向上提升0.2 m，声波发射器位置保持不变，测量声波波速；

5)声波发射器向上提升0.2 m，同声波接收器位置水平，此时声速测量同传统声波测试方法；

重复步骤4)～步骤5)，直至孔口为止；具体测试示意图如图5所示(不同提升间距或提升顺序能够改变测试示意图)。

3 岩体损伤效应分析

3.1 孔深与声速规律分析

按照以上的测试方案，针对测孔所在区域共进行了5组循环爆破载荷作用下声波测试试验，所得声速与孔深的关系曲线如图6所示。

图5 不同步声波测试方法Fig.5 Asynchronous method of acoustic test

图6 声速与孔深的关系Fig.6 Relationship between acoustic velocity and hole depth

通过分析特定剖面不同爆破次数的孔深与声速曲线，可以得出:

1)在孔口段区域，声速与孔深呈现正相关关系，但当孔深达到某一特定数值时，随着孔深的增加，声速却不再增长，而是呈现小幅度震荡性的平稳变化。

2)从 1＃-2＃剖面声速-孔深曲线的可知，当孔深达到1.6～1.8 m时，声速不再随孔深增加而增加；1＃-3＃剖面在孔深为 1.4 ～1.6 m 时出现拐点，2＃-3＃剖面的拐点为1.6～1.7 m。

3)随着循环爆破次数的增加，声速呈现下降趋势，但在孔深拐点处之后，声速不再因爆破次数的变化而变化。

3.2 岩体损伤规律分析

循环爆破载荷作用下，岩体损伤度D与声速降低率η之间的关系[19]为

式中:Ei为此次爆破前岩体的弹性模量，GPa；Ei＋1为此次爆破后岩体的等效弹性模量，GPa；vi为此次爆破前岩体的声速，m/s；vi＋1为此次爆破后岩体的声速，m/s。

按照式(1)可以计算测孔特定剖面岩体在爆破载荷后的损伤度；根据上述分析，当孔深达到拐点1.6 m之后，声速趋于特定数值，也就是损伤度趋于特定数值，由此可以得出，循环爆破载荷作用不会对大于1.6 m孔深处的岩体造成损伤破坏。

因此，重点研究孔口至孔深拐点处岩体的损伤效应，由于篇幅有限，仅依据孔深1 m处的损伤度进行分析。图7为孔深1 m处特定剖面岩体损伤度与爆破次数的关系曲线。

图7 1 m孔深处岩体损伤度与爆破次数的关系Fig.7 Relationship between damage degree and blasting times in depth of 1m

通过分析图7可以得出:在同一次爆破载荷作用后，2＃-3＃剖面岩体的损伤度明显大于 1＃-2＃、1＃-3＃剖面岩体的损伤度，说明爆破载荷对垂直于掌子面岩体的损伤破坏程度最为严重，进一步说明爆破载荷对岩体的损伤呈现各向异性；1～3次爆破作用下损伤度曲线的斜率明显大于3～5次爆破作用后的损伤度曲线斜率，由此说明随着爆破次数的增加，同等炸药能量的爆破作用对岩体的损伤程度在减弱。

4 不同步累积损伤测试方法

式中:v0为循环爆破前岩体的声速，m/s；vn为第n次爆破载荷作用后岩体的声速，m/s。

为了便于分析岩体在循环爆破载荷作用下的累积损伤效应，将自变量孔深改为距孔底距离，并且按照式(2)，对2＃-3＃剖面由传统测试方法(旧方法)与不同步声波测试方法(新方法)所得的声速进行计算，所得岩体累积损伤[20]如表1所示。

为了进行传统累积损伤测试方法与不同步累积损伤测试方法的对比分析，5次爆破作用后岩体的累积损伤如图8所示。由于篇幅有限，仅分析孔深1.0 m(距孔底距离2.4 m)岩体累积损伤与爆破次数的规律，具体如图9所示。

通过表1及图8可以得出:岩体在5次循环爆破作用后，岩体累积损伤随距孔底距离的增加呈现递增的趋势，且2种累积损伤测试方法变化趋势相同，但是不同步测试方法所得的岩体累积损伤明显大于传统测试方法所得的累积损伤，说明采用不同步累积损伤测试方法可以提高测试精度，获得更加准确的岩体累积损伤效应，优化隧道施工安全评价标准。

通过表1及图9可以发现:随着爆破次数的增加，声速会呈现递减趋势，但累积损伤依然会呈现递增趋势；并且不同步累积损伤测试方法所得曲线更加光滑，说明拟合曲线可信度较高，可以更加精准地预测累积损伤效应。

鉴于以上的研究内容:测孔孔口至孔深拐点1.6 m处岩体会承受爆破载荷的损伤作用，并且2＃-3＃剖面所受的损伤破坏程度最为严重；由此按照不同步声波测试方法对孔深0～1.6 m的2＃-3＃剖面进行循环爆破载荷的声波数据测试。

岩体在循环爆破载荷作用下的累积损伤Da的计算公式为