爆破作用下岩体累积损伤效应的声波测试

何 程

（中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136）

岩体的构造及其特征的探讨可以通过声波技术来实现，当声波穿过岩体介质时，会将其中的大量信息携带出来，透过这些信息，可以了解到关于岩体内部的结构及相关特征[1-2].

近年来，声波检测技术在爆破工程中应用广泛.苏洪[3]基于声波检测技术对围岩体在爆破过程的中损伤程度进行了分析.许梦飞等[4-5]基于声波检测手段对爆破后隧道开挖区围岩的渗流场分布进行了检测，并基于Hoek-Brown 强度准则建立了考虑爆破震动作用的损伤本构模型.刘闵龙等[6]通过声波检测技术对小净距隧道围岩爆破后的损伤进行了监测，分析了爆破作用对围岩的影响.有研究指出，声波检测可以更直观的反映岩体受到破坏时内部发生破裂的整个进程，更灵敏，特别是岩体结构变化和主频产生的波动[7].目前，声波检测技术已经作为岩体检测中最常用的技术手段，对岩体爆破损伤累积效应方面非常有意义[8].

综上分析可知，声波检测能够更为真实的了解爆破后岩体结构累计损伤效应，通过RSM-SY5 智能型声波监测仪对爆破后的隧道围岩累计损伤进行现场监测，从而对爆破后围岩损伤情况进行统计，为后续隧道施工提供可靠的技术支持.

1 声波在爆破损伤岩体中的衰减特性

1.1 岩体声波衰减机理

不同岩体的传播速度各不相同，声波由于受到介质特性的影响，加上传播距离、波数和频率的辐射，传播速度也会明显不同.声波会因为介质的不同存在较大差别，频率越高，其衰减程度越深.岩体对于声波的吸收性是很强的，故此声波透过岩体时，其受到的波动也非常明显.声波透过岩体介质时，会因为三个方面发生明显变动：①由于波阵面扩张导致空间发散，最终因距离拉大声波减弱，这种影响称之为几何扩散衰减；②岩体将波动的机械能转化成热能，影响了其传播，这种情况称为粘滞吸收衰减；③岩石内部本身存在的裂纹，缝隙等经过多次衍射、反射等，改变了原有波形方向导致表观衰减，也就是散射衰减.

1.2 考虑岩体爆破损伤的声波衰减系数

之前的研究中已有注意到岩体内部缺陷可能造成声波波形的变动，不过由于研究时混淆了岩体裂纹和本征间的关系，导致最终得出的数据存在漏洞.考虑到岩体初始缺陷和经过爆破后发生的损伤所导致的声波传播减弱的情况，可以通过演示本征衰减和岩石裂纹造成的衰减进行区分[6].笔者假设声波衰减系数是α，并且是由两个相对独立的部分构成的，那么：

式中，α0为岩石介质的声波衰减系数，D为损伤变量，D=0～1.通常情况下岩体会因为两种原因造成损伤，D=D0+ΔD，其中D0代表的是初始损伤值，也就是岩体本身就存在的缺陷，ΔD代表的是爆破损伤，也就是发生爆破后岩体内部构造出现的变化情况.

基于品质因子进行描述的声波衰减公式：

式中，νp为岩体中的声波传播速度，m/s.ω为岩体中声波的圆频率，Hz .可见，声波衰减系数α与品质因子Q呈反比.

初始损伤其实就是没有进行爆破前的原始数据，D=D0，则α=α0.相对的品质因子Q有最大值Qmax.发生爆破后，岩体内部构造出现大量裂纹，且有扩散可能，品质因子Q出现衰减，公式如下：

2 现场试验过程

2.1 布置现场测点

现场设置的声波测试孔和爆破孔均在隧道侧墙上面，布置图见图1.

图1 孔位布置图

使用YG90 型中深孔钻机统一钻孔，全部孔径均为60 mm，孔深均4.90 m.考虑到测试需要，所有钻孔均水平往下倾斜5°，钻孔均保持平行，共计1 个爆破孔和9个声波测试孔.实施阶段，发现7 号孔和第5 根钎杆掘进时，发生卡顿，而2 号孔出现流水，反映2 号孔与7 号孔底部是联通的，两种有出现局部破碎带，所以我们将2 号和7 号孔不纳入考虑.

2.2 测试仪器

此次测试所选择的仪器为RSM-SY5 智能型声波仪，具有的特征是：双通道，满足各种形式的触发需求和电平选择，使用的收发方式是分开的双孔增压式换能器，频谱功能简单，最小采样间隔是0.1 μs，频率是60 kHz，12 位A/D 转换，定点或浮点增益范围1～10 000.声波测试仪器的实物参照图，见图2.

图2 声波测试仪

2.3 测试过程

本次测试使用的是小药量爆破模拟实验的形式，共计进行十次操作，参数见表1.测试进行时，发射探头和接收探头保持水平一致，以一收一发的跨孔测试形式推进.开始实验前，先进行声波孔检查，掌握好岩体在实施爆破前的真实情况，为爆破累积损伤的研究工作提供了有价值的内容.进行检测的剖面线有5 条，分别进行了编号：1-5、1-6、3-6、4-5 和8-9.进行测试时，声波换能器可以从测试孔的底部以每次0.2 m向孔口移动，每一次测试完毕要详细记录测试数据，且下一次开始测试前，要认真记录好相关参数，其中包含数据校零、剖面编号、孔口位置和孔距等.

表1 爆破参数表

3 测试结果与分析

3.1 多次爆破作用下声波波形变化规律

数次爆破的影响下，岩体疲劳损伤逐步叠加，内部出现大量裂纹，且不断扩散，声波在这种环境中的传播受到很大影响，正因如此，波屏中的声波波形数据发生剧烈变动.随着爆破次数的增加，这种波动反映出了一定的规律.根据这种情况分析岩体爆破积累损伤效应.

为了能够掌握住爆破次数的多寡是否会影响声波波形的变化，通过测试记录，分别取4.7 m 孔深处，剖面8-9 和剖面1-5 的测试波形进行对比分析，如图3 所示，典型声波波形测试情况，爆破前，岩体声波波形呈非对称纺锤形，当岩体受到冲击，岩体波形变化剧烈.爆破次数增加，声波波形变得不稳定.1-5 的波形变化趋势没有8-9 的波动趋势明显，出现这种情况的原因是由于8-9 剖面距离爆源较近，受爆破损伤影响程度更深，声波传播会因为介质损伤程度的加深，出现剧烈变动.从图例中可以较为直观的认识到，爆破次数的增加，介质会吸收声波能量，波形声腔衰减，甚至会有波峰数值增加的情况.和初始数据对比，前几次爆破后的声波波形变化并不大，但10 次爆破后，波形相差非常明显，将所有采集的数据进行相关性分析，进一步分析岩体爆破的损伤累积情况.

图3 4.7 m 孔深处不同剖面波形

3.2 多次爆破作用下最大振幅的变化规律

为找到声波最大振幅爆破次数增加的变化规律，笔者将通过声波测试进行分析，采取剖面8-9、1-5及3-6 为研究对象，以4.7 m 和4.5 m 孔深处，经过研究后取得上述的声波最大振幅，因爆破次数的增加，声波波形发生的变化，见图4.

图4 不同剖面最大振幅随爆破次数变化规律

根据最大振幅，可以了解到声波能量的变化趋势，而这种变化则反映了声波透过介质后的变化曲线.从图中可以看出，爆破次数的增加，会造成声波最大振幅的衰减，由此可见岩体会因为爆破损伤积累，内部产生裂纹，甚至不断扩散，从而引致声波能量减弱.随着爆破次数的增加，声波最大振幅变化趋势不明显，原因是剖面距爆源较远，几乎不受爆破的影响.随着爆破次数的增加对最大振幅的变化规律与声速的变化趋势做出对比，可以清晰的了解到，最大振幅比声速对爆破次数的敏感性要强烈.

3.3 波形相关性分析

声波波形会因为爆破次数的增加发生剧烈变动，这种规律是不稳定的，由于岩体内部受到爆破冲击，其构造发生变动，这种损伤是不可逆的，收集这种情况下的声波波形数据，将其导入到Matlab7.0 工具软件，并且记录下每一次爆破后的岩体声波波形数据，将每次得到的数据跟原始数据作比对，能够得到相关性系数，将所有的资料录入Origin 9.0 软件下成图.经过10 次测试之后，对8-9、1-5 及3-6 剖面的测试数据进行对比，可以直观的发现相关波形数据会因为爆破次数的增加产生变化，见图5.

图5 不同剖面相关系数随爆破次数变化规律

从图5 中能够发现，在爆破累积损伤影响下，随着爆破次数的增加，岩体声波波形相关系数会产生明显衰弱，相关系数为非线性下降曲线.尤其是8-9 剖面，在经历了10 次的爆破测试后，声波波形相关系数明显降低，甚至有跌破零到达负数的情况.数次的爆破，给介质内部造成很大负担，产生了裂纹等缺陷，声波传递受到了很大的阻碍.虽然在前几次的测试中，声波波形的相关系数变化并不如后几次测试中产生的波动大，但是十次后的波形相关系数基本降低到0.5 以下.通过图例5（c）能够发现，3-6 的测试情况要相对平和一些，尽管发生了几次爆破，但是造成的影响并不大，3-6 剖面对于爆破带来的影响，其损伤程度并不大，可以说是几乎没有受到较大冲击的.从而可以知道随着爆破次数的增加，岩体声波波形相关系数的变化规律跟最大振幅的变化趋势大致相同.

4 结论

针对爆破作用对隧道工程围岩的损伤劣化问题，笔者结合实际工程项目，对受爆破影响后的围岩进行声波监测，分析了损伤累积效应的诱发原因，具体结论如下：

（1）隧道围岩受爆破作用影响前，声波信号较强，振幅较大，随着爆破次数的逐渐增多，声波信号逐渐减弱，最大振幅逐渐减小；

（2）随着爆心距的逐渐减小，声波信号逐渐减弱，最大振幅逐渐减小；随着爆破次数的逐渐增多，围岩声波波形相关系数逐渐下降，且下降幅度逐渐减弱，整体呈非线性下降趋势.

（3）声波透过岩体时发生衰减现象的原因包括几何扩散衰减、粘滞吸爆破次数的递增，岩体内部构造发生改变，出现大量裂纹.

根据现有结论，将进一步对频谱探测在隧道等地下工程围岩损伤方面的应用进行研究，以期为地下工程施工检测提供更加准确的技术资料.