多次爆破对大跨度硐室围岩的损伤累积及松动圈范围研究*

2022-03-31刘永胜朱思源杨小林褚怀保任志强严少洋

爆破 2022年1期

刘永胜，朱思源，杨小林，褚怀保，王昌，任志强，陈真，严少洋

(1.中铁隧道勘察设计研究院有限公司，广州 511458；2.中冶集团武汉勘察研究院有限公司，武汉 430080； 3.河南理工大学土木工程学院，焦作 454000)

随着国家经济的快速发展，基础设施建设得到史无前例的发展机会，大断面和超大断面地下工程大量涌现[1,2]。爆破技术因其成熟度高，成本低，周期快等优点，广泛应用于隧道开挖、矿井建设、地下硐室、水利工程等领域中[3-5]。在隧道开挖施工过程中，爆破作业不可避免的会对围岩产生损伤扰动，影响其稳定性。此外，隧道开挖后围岩原应力平衡状态被打破，在次生应力作用下岩体内部产生微小裂隙并向围岩深部发展，直至围岩应力达到新的平衡状态，此过程中围绕开挖空间产生的应力集中破碎区域称为松动圈[6]，松动圈半径及其变化规律的确定对隧道支护方案和参数设计起到了重要保障。现阶段对隧道松动圈的测试手段多以超声波探测、钻孔窥视和地震波探测为主。与其他测试方法相比，超声波探测法以及钻孔窥视法具有便携、明了、高效等优点。

国内诸多专家已经对现场围岩松动圈范围及扩展规律进行了大量研究，并得到了许多重要的研究成果[7-11]。刘刚等综述了强度准则法和数学模型法这两种松动圈理论计算方法[12]。马其华等结合实际工程[13]，采用单孔超声波测试法对隧道围岩松动圈范围进行了测试，并通过FLAC3D软件对松动圈范围进行了研究，证明了测试方法的实用性和优越性。杨艳国等为确定实际工程中煤巷的松动圈半径以及锚杆支护参数[14]，采用单孔声波法得到了煤巷松动圈半径，并通过数值计算优化了其锚杆支护参数。陈亚楠等通过单孔测试技术得到了围岩松动圈随爆破次数增加的变化范围[15]，得到了围岩松动圈的变化规律。总体而言，现阶段的研究多数是用超声波测试的方法对围岩松动圈的半径进行测定，且很少考虑多次爆破作用下，围岩损伤累积效应对松动圈半径变化的影响。

本文结合某地下大跨度硐室工程，采用单孔超声波测试以及钻孔窥视法对其松动圈半径进行监测，并分析多次爆破作用下硐室围岩的损伤变化规律，探讨损伤累积效应对硐室松动圈半径的影响。为多次频繁爆破工程中硐室松动圈变化规律的确定和损伤累积危害效应的评判提供现场数据基础。

1 松动圈测试原理

隧道、硐室、巷道等地下工程在爆破开挖后，围岩由原来的三向受力变为近似两向受力，原本的应力平衡状态被打破并造成围岩所受应力强度大幅度上升[16]。当围岩受到的集中应力小于岩体本身强度时，围岩不发生破坏并保持弹塑性状态维持自身稳定；当次生应力强度大于岩体自身强度时，围岩发生塑性破坏并产生裂隙，裂隙从围岩外部逐渐向内部延伸直至围岩重新达到应力平衡状态，次生应力会使围岩围绕开挖空间形成一个破裂带，这个破裂带即为围岩松动圈[13]，如图1所示。现阶段通常采用摩尔库伦准则推导得到的卡斯特纳方程作为判断轴对称圆形隧道松动圈范围的依据[17]。

图1 围岩松动圈示意图Fig. 1 Schematic diagram of broken rock zone in surrounding rock

(1)

式中：RP为塑性区半径；R0为隧道半径；p0为外荷载；C、φ、P为地层特征常数。

超声波在岩体内部传播的过程中，会因为介质的改变以及结构面的变化产生反射、折射等现象，使其速度发生改变。随着介质内部裂隙的不断发育，岩体密度逐渐降低，声阻抗不断增大，声波波速会逐渐减小。因此，当测量得到的声波波速高时说明岩体较为完整，没有受到破坏，当测得的波速有明显下降时表明所测位置处岩体质量较差，可能已受到破坏并产生裂隙。

单孔声波测试法通过利用一发双收探头在钻孔中发射超声波来达到监测钻孔孔壁围岩完整性的目的[18]，根据超声波波速的变化规律得到围岩内部裂隙的分布范围及规律，进而得到洞库围岩松动圈范围，单孔声波测试仪器在钻孔内的布置方式如图2所示。测试中需要通过水或黄油作为耦合剂，根据2个接收换能器的间距以及超声波纵波在2个接受换能器之间传播的时间间隔，得到超声波的纵波波速Vp，即

(2)

式中：Vp为岩体声波波速；S为两个换能器之间的距离；Δt为发射信号分别到2个接受换能器的时间差。

2 现场超声波及钻孔窥视监测

2.1 工程概况

试验现场大跨度硐室围岩以Ⅲ级为主。硐室整体为超大跨蛏壳型，底部跨度为40 m，边墙高度为6 m，拱顶高度为12 m，整体采用台阶法开挖。现场采用直孔掏槽、2号岩石乳化炸药分段延时毫秒微差爆破，起爆方式为导爆管雷管起爆。见图2。

图2 一发双收测试法仪器布置示意图Fig. 2 Schematic diagram of instrument installation using the single and double receiver test method

2.2 主要仪器设备

单孔声波测试法的测试仪器包括NM-4B非金属超声波检测分析仪和一发双收探头，如图3所示。

图3 超声波采集系统Fig. 3 Ultrasonic acquisition system

钻孔窥视仪器采用ZKXG100矿用钻孔成像轨迹仪，钻孔窥视仪主要由测试仪器、摄像头、电线三部分组成，如图4所示。窥视时将摄像头伸入钻孔中，对钻孔孔壁上的裂纹分布情况进行拍摄观测，可对孔深任意位置进行观测，便于更加直观的了解围岩松动圈半径的变化规律；同时该仪器也可转化为录像模式，对钻孔窥视的全过程进行记录。

图4 ZKXG100矿用钻孔成像轨迹仪Fig. 4 ZKXG100 mine borehole imaging trajectory instrument

2.3 现场测试钻孔的位置

为分析多次爆破作用下大跨度硐室松动圈分布及变化规律，本次现场试验在距离掌子面3 m位置处布置超声波测试钻孔以及窥视钻孔。在硐室拱顶和边墙处进行监测孔布置，钻孔直径均为40 mm，孔深为6 m，具体布置方案示意图如图5所示，并对不同位置的钻孔分别进行超声波测试和围岩内部窥视成像。

图5 钻孔布置示意图Fig. 5 Borehole layout diagram

3 围岩松动圈测试结果

3.1 超声波测试结果

本次现场试验共经历了5次开挖爆破，每次爆破进尺为2 m，具体爆破参数如表1所示。爆破前对钻孔进行超声波测试，了解超声波在围岩内的传播速度和围岩完整性，确定既有爆破开挖造成的围岩损伤范围和扰动情况，波速测试结果如表2所示。

表1 大跨度硐室爆破参数Table 1 Blasting parameters of large span chamber

表2 爆破前不同位置处声波速度测试结果Table 2 Test results of acoustic velocity at different positions before blasting

为研究多次爆破产生的损伤累积效应对围岩不同位置松动圈变化的影响，在每次爆破后对1、2号钻孔均进行了超声波测试，并对所测结果进行了统计，钻孔超声波波速测试结果如表3所示。

表3 不同钻孔超声波波速(单位：km/s)Table 3 Different borehole ultrasonic wave velocities(unit:km/s)

3.2 围岩损伤结果

大跨度硐室的爆破开挖不可避免的会对部分围岩造成一定程度的损伤。随着爆破次数的增加，其产生的损伤累积效应会对围岩的稳定性产生较大影响。为探究爆破损伤累积规律，由式(3)计算得到每次爆破后围岩的损伤累积值[19]。

D=1-(v/v0)2

(3)

式中：v为爆破后围岩的超声波波速，km/s；v0为爆破前围岩的超声波波速，km/s。根据《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》可知，当爆破前后波速降低率大于10% ，即认为岩体受到爆破损伤破坏，其对应的损伤变量D的阈值为0.19。即当损伤变量D<0.19时，认为岩体所受损伤极小或未受损伤。然而，当岩体损伤值处于0.19

表4 洞库不同位置围岩损伤值Table 4 Surrounding rock damage values at different locations of the cavern

3.3 钻孔窥视测试结果

钻孔窥视仪利用摄像技术对围岩内部情况进行跟踪监测，可更加直观的得到裂隙的发育情况，对松动圈半径做出准确判断。通过对钻孔3和4进行窥视观测，分别掌握硐室边墙处和拱顶处围岩内部裂隙的发展情况，部分观测结果如图6所示。

图6 孔深2.8 m和3.2 m处的钻孔窥视结果Fig. 6 Borehole camera results at hole depth of 2.8 m and 3.2 m

4 围岩松动圈测试结果分析

随爆破作用次数的增加，为得到硐室周围不同位置处超声波波速随钻孔深度的变化规律，根据表2和表3内相关数据可分别绘制1、2号钻孔超声波与钻孔深度关系曲线，如图7、8所示。

图7 1号钻孔超声波与钻孔深度关系图Fig. 7 Relationship between ultrasonic wave and borehole depth in borehole No.1

为得到硐室围岩不同位置处以及不同钻孔深度围岩损伤值随爆破次数增加的变化规律，根据表4中数据绘制洞库拱顶以及边墙处围岩损伤累积变化曲线，如图9、10所示。

图8 2号钻孔超声波与钻孔深度关系图Fig. 8 Relationship between ultrasonic wave and borehole depth in borehole No.2

图9 边墙处围岩爆破损伤累积曲线Fig. 9 Cumulative curve of surrounding rock blasting damage at the side wall

(1)随着爆破次数的增加，围岩损伤累积不断增大其自身的物理力学性能也有不同程度的衰减，导致围岩的粘聚力系数C、内摩擦角都有一定的减小。根据式(1)计算可知Rp变大即表明松动圈半径随着爆破次数的增加逐渐增大。从图7可看出爆破前超声波波速在钻孔孔深2.4～2.8 m处有明显增大，表明在此深度范围内的围岩裂隙情况随着孔深的增加逐渐有所改善，因此爆破前硐室边墙处围岩松动圈半径为2.4 m。随着爆破次数的增加钻孔深度2.8 m位置处测得的超声波波速有明显下降，到3.2 m处超声波波速逐渐趋于稳定，说明随着爆破次数的增加，围岩内部裂纹逐渐发育至2.8 m附近。结合图6(a)钻孔窥视结果可以看到，在孔深2.8 m处孔壁围岩有较为明显的裂隙，因此硐室边墙处围岩松动圈从2.4 m增至2.8 m。

由图8可看出爆破前超声波波速在钻孔深度为2.8～3.2 m处有明显增大，说明拱顶处围岩松动圈范围为2.8 m，随着爆破次数的增加，围岩累积损伤逐渐增大，围岩内部裂隙逐渐增加，经过五次爆破作用后钻孔深度3.2 m处超声波波速由明显下降，到3.6 m处超声波波速逐渐稳定。结合图6(b)可知，硐室拱顶处围岩松动圈从2.8 m增至3.2 m。

(2)通过图7、8可以得出，硐室围岩在各次爆破后测得的超声波波速与前一次测得的波速相比有明显的降低，但随着爆破次数的增多，超声波波速降低的程度逐渐减小；此外，随着钻孔深度的增加，超声波波速有总体增大的趋势，说明围岩内部岩体完整性较好。在爆破过程中，炸药爆炸产生的冲击波对炮孔周围岩体产生严重破坏，冲击波快速衰减为应力波并作用于岩体，造成部分围岩产生裂隙或使原生裂隙扩展；此外爆破产生的爆轰气体也会作用于岩石裂隙产生气楔作用造成裂隙的进一步扩展，从而造成围岩损伤累积逐渐增大。

裂隙的扩展会使超声波在达到结构面时会产生反射、绕射、衍射等现象,对声波的传播距离造成一定程度的增长；此外超声波在通过裂隙时，由于会在不同介质中进行传递，因此其能量会有部分损耗，以上这些都会导致声速减小。从结果可看出，拱顶位置处超声波波速衰减较快，边墙处超声波波速衰减程度较小，说明爆破振动对硐室拱顶位置处影响较大。

图10 拱顶处围岩爆破损伤累积曲线Fig. 10 Cumulative curve of surrounding rock blasting damage at arch roof

(3)从图9、10可看出，钻孔孔深较浅且在松动圈半径范围内的围岩，及钻孔深度为2.4～3.2 m范围内的部分围岩损伤累积值较高；钻孔孔深较大且超出松动圈范围的围岩损伤累积值较小，普遍在0.1左右。

炮孔内药包爆炸时产生的应力波以及爆生气体对炮孔周边岩体造成宏观断裂损伤，对钻孔深度较浅部位的围岩产生较大程度影响，使其损伤累积值较大。爆炸应力波在硐室围岩内传播的过程中随着与爆源距离的增加能量被逐渐吸收，深部围岩受应力波影响快速减小，同时松动圈半径内的围岩存在较多裂纹和孔隙会使应力波进一步衰减，故钻孔孔深较大且超出松动圈半径的围岩其损伤较小。每次爆破作用后大跨度硐室围岩的受力平衡状态都会被打破，围岩应力会重新进行分布，使围岩松动圈半径内的岩体会进一步产生新的裂隙或使已有裂隙进一步扩展，直至达到新的受力平衡，这导致松动圈向围岩深部转移。

随着爆破次数的增加，围岩损伤累积呈单调递增的趋势，但增长速率逐渐降低，最后趋于稳定。在多次爆破载荷和应力波传播过程中，随着爆破次数的增加裂纹尖端的局部损伤累积引起岩体原有节理裂隙扩张、错动或贯通，使初始裂纹逐渐扩展形成细观裂隙；随着爆破次数逐渐增多，细观裂隙逐渐连接贯通形成宏观裂纹，对岩石原有结构面进行破坏，造成岩体损伤逐渐加大，其物理力学性能进一步劣化。随着爆破工作面与钻孔距离的逐渐增大，爆破振动效应对远区围岩的影响逐渐减小；同时由于裂隙的增加以及原有裂隙的进一步扩展，应力波在传播过程中会产生反射、透射等现象，造成其携带的能量严重衰减并阻碍其传播，因此测量位置处的围岩损伤累积增长速率逐渐降低。