爆破作用下隧道圍巖損傷紅外熱像分析

鄒寶平, 羅戰(zhàn)友, 王建秀, 王國濤, 胡力繩

(1. 中國礦業(yè)大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室， 北京 100083；2.浙江科技學院 土木與建筑工程學院， 杭州 310023；3.同濟大學 地下建筑與工程系， 上海 200092；4.中鐵二局集團有限公司, 成都 610031)

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爆破作用下隧道圍巖損傷紅外熱像分析

鄒寶平1,2,3, 羅戰(zhàn)友2, 王建秀3, 王國濤3, 胡力繩4

(1. 中國礦業(yè)大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室， 北京 100083；2.浙江科技學院 土木與建筑工程學院， 杭州 310023；3.同濟大學 地下建筑與工程系， 上海 200092；4.中鐵二局集團有限公司, 成都 610031)

隧道在爆破荷載作用下的溫度變化會使圍巖遭受溫度應力集中效應，造成圍巖結構損傷，使隧道光爆成型質量差，如何避免圍巖缺陷對隧道光爆成型質量的影響亟待研究與解決。以成渝高鐵某隧道工程為背景，基于紅外熱像原理，對隧道掌子面光爆紅外熱像進行實驗設計，從不同部位的節(jié)理裂隙巖體的紅外溫度異常區(qū)域的溫度分布、溫度變化范圍等方面對圍巖缺陷進行判斷，分析其分布規(guī)律。研究結果表明：掌子面巖石具有明顯的高溫條帶與低溫區(qū)域相間的輻射溫度場，節(jié)理裂隙處紅外溫度較低，巖石突變處紅外溫度較高；掌子面巖石破裂過程中紅外溫度異常，主要表現(xiàn)為階梯狀交替升降溫，并明顯出現(xiàn)高溫區(qū)和低溫區(qū)。研究結果可為隧道光爆炮孔布置、裝藥參數(shù)設計、圍巖穩(wěn)定性評價提供一定的科學依據(jù)。

隧道； 光面爆破； 紅外熱像； 圍巖損傷； 節(jié)理裂隙

1　引言

隧道在爆破荷載作用下圍巖的斷裂擴展過程非常復雜，當炸藥爆炸后，爆炸沖擊波或應力波迅速向外傳播，炮孔周圍的巖石因受到強烈的壓縮而破碎，雖然獲得了需要的隧道線型，但是卻對隧道圍巖造成擾動。由于炸藥在極短的時間內爆炸，溫度達2 000 ～5 000 ℃，當巖石破碎后又迅速降低，這種溫度變化使圍巖遭受爆破溫度應力集中效應，從而造成圍巖結構損傷，完整巖體損傷深度一般為0.5 m，軟巖或節(jié)理裂隙發(fā)育的脆性巖體，損傷深度更大；加之巖體自身的非均勻性，當受到來自炸藥爆炸的作用時，致使原有的裂隙張開、擴展，導致爆源附近的巖體結構及其物理性能劣化〔1〕。因此，隧道光爆時達不到理想的爆破效果，產生大量的超挖或欠挖，嚴重影響隧道光爆成型的質量。

國內外眾多學者基于紅外熱像，利用單向加載、循環(huán)加載等方式對干燥和潮濕砂巖〔2〕、含圓孔巖石〔3〕、預制的單裂紋缺陷花崗巖〔4〕、不同滲水程度的巖石〔5〕、鉆掘過程中的巖石〔6〕、花崗閃長巖和大理巖〔7〕等各種環(huán)境下的巖石進行了大量研究，同時對沖擊傾向性煤體〔8〕、巖石摩擦與撞擊〔9〕、拐折非連通斷層〔10〕、巖爆誘發(fā)的深埋隧道圍巖變形〔11〕、軟巖巷道變形破壞〔12-15〕、含節(jié)理裂隙隧道開挖面〔16〕、礦石檢測與評定〔17〕等進行了較為系統(tǒng)的研究，取得了大量的研究成果。但目前，基于紅外熱像對大斷面隧道光爆造成的圍巖結構損傷研究較少，且沒有針對隧道掌子面圍巖結構損傷程度對隧道光爆設計的參考，也沒有對隧道光爆質量與圍巖結構損傷程度的關系進行研究。

因此，本文以成渝高鐵某隧道工程為背景，基于紅外熱像原理，分析隧道掌子面、節(jié)理裂隙等不同部位的紅外溫度異常區(qū)域的溫度分布、溫度變化范圍，進而對圍巖缺陷進行判斷，分析其分布規(guī)律。

2　紅外熱像熱傳導理論

紅外熱像原理基于被測目標表面溫度的分布圖像，利用熱傳導在隧道圍巖內部的差異，判斷隧道圍巖內部是否存在差異，進而判斷隧道圍巖的級別，分析隧道圍巖內部差異程度與光爆質量的關系〔18〕。紅外熱像熱傳導理論主要包括溫度場和溫度場梯度、傅里葉定律、熱傳導微分方程。

穩(wěn)態(tài)導熱主要指導熱的過程是在穩(wěn)定的溫度場中發(fā)生，反之，就是指瞬態(tài)導熱，瞬態(tài)導熱表達式為：

T=f(τ,x,y,z)

(1)

式中：τ為時間；x,y,z為坐標的位置。

溫度梯度主要指溫度增量和法向距離兩者的比值，為向量，其解析式為：

(2)

式中：i，j，k為x，y，z坐標軸上的單位矢量。

導熱情況下，熱流密度和溫度梯度的關系是正比關系， 用x、y、z表示的投影表達式為：

(3)

式中：mx，my，mz為x、y、z上的熱流投影。

溫度在物理的內部會存在差異，故熱量的流動方向是由高溫向低溫部位流動，表達式為：

Q=ΔE+H

(4)

式中：Q為導入物體的熱量；ΔE為物體內能的增加；H為物體對外做的功。

由能量守恒定律和傅里葉定律可知：

(5)

(6)

導熱微分方程表達式為：

(7)

3　實驗設計

3.1工程背景

實驗選取成(都)渝(重慶)高鐵某隧道工程，該工程測區(qū)屬丘陵地貌，丘槽相間，地形波狀起伏，地面高程304 ～424 m，相對高差20 ～120 m。該隧道位于華金山斷裂以東的褶皺束，由一系列北東-北北東向近于平行的高背斜山脈組成。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。實驗段里程為DK247+010 ～DK247+063，隧道的設計標準斷面高11.08m，寬14.90m， 面積139.42m2(不考慮隧底影響)，周邊孔、輔助孔、掏槽孔設計深度分別為4.0，4.5，5.0m，隧道洞身主要穿越<27-5>泥質砂巖(J2s)，其巖石物理力學指標見表1，掌子面上部為紅褐、黑褐色砂巖，局部存在灰白色砂巖條帶；下部為磚紅色泥質粉砂巖夾泥巖，局部夾灰綠色粉砂質泥巖條帶；局部標段掌子面底部出現(xiàn)青黑色中粗砂巖。上部砂巖與下部泥質粉砂巖之間存在明顯灰綠色接觸帶，接觸帶中部存在明顯褶曲現(xiàn)象，平均產狀N25°E/SE∠11°，多有泉水出露。

表1　巖石力學參數(shù)

3.2實驗設計方案

實驗主要是利用FlukeTiR110型紅外熱像儀采集實驗段隧道圍巖的紅外熱像信息。實驗設計的方案為：

(1)準備工作。針對隧道爆破施工作業(yè)粉塵多、光線昏暗、爆破動荷載擾動、潮濕等特點，同時為保證采集到準確的紅外熱像數(shù)據(jù)，首先利用1m×20cm保鮮膜(密封膜)將紅外儀密封，密封部位主要包括紅外相機鏡頭、LCD顯示屏，避免隧道爆破灰塵影響量測精度，然后校核紅外儀，調整因保鮮膜密封而引起的紅外儀量測參數(shù)變化，包括輻射系數(shù)調整、透光率/透光度調整、現(xiàn)場溫度校核。經過室內實驗，密封膜透光率為89%，因隧道環(huán)境下受粉塵、爆破擾動，具體值以隧道現(xiàn)場環(huán)境下實驗值為準。

(2)以溫度計為主(量程-30° ～+50°，濕度0 ～100%)，紅外熱像儀量測為輔，對隧道現(xiàn)場的溫度進行量測，量測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，每一位置量測3次，最后取平均值作為隧道爆破現(xiàn)場環(huán)境溫度值。

(3)量測部位選擇，主要包括隧道掌子面、開挖進尺面、炮孔位、圍巖突變處、節(jié)理裂隙部位。在對圍巖進行掃描時，對被測物體用30m盤式皮尺進行量測，確定量測范圍。

(4)紅外量測。因為隧道爆破現(xiàn)場光線昏暗，利用紅外儀進行掃描時，必須打開激光和照明燈/閃光燈，利用激光和LCD屏上的中心、左、右三個標記對被測物體進行定位，確定被測物體范圍和位置，同時強光LED手電筒必須輔助照明。當被測物體定位后，對紅外儀進行對焦，同時觀測LCD屏上的中心點溫度，待溫度值基本穩(wěn)定后，捕獲圖像，記錄溫度值和量測方位。

(5)利用SmartView3.2版軟件對紅外圖像進行處理，主要是透光率矯正、水平和跨度的調節(jié)、紅外圖像融合、圖像或溫度數(shù)據(jù)導出等。

4　圍巖損傷紅外熱像演化特征

選取實驗段隧道共10個循環(huán)進尺面進行紅外熱像研究，共獲取隧道掌子面不同部位的紅外熱像圖近1 000張，受于篇幅，選取有代表性的第5、第6開挖循環(huán)進行研究，分析掌子面不同部位節(jié)理裂隙紅外熱像分布規(guī)律。第5開挖循環(huán)隧道掌子面上部節(jié)理裂隙紅外熱像對比如圖1所示，紅外溫度分布曲線如圖2所示。

圖1　隧道掌子面上部節(jié)理裂隙巖體紅外對比Fig.1　Comparison of the infrared images of joint cracks in the upper tunnel face

由圖1可知，全紅外圖出現(xiàn)多條連續(xù)、斜列式的顯著高溫條帶， 在高溫條帶之間的區(qū)域出現(xiàn)低溫輻射，由于隧道掌子面圍巖受爆炸荷載、巖石本身節(jié)理裂隙等眾多因素影響，導致圍巖局部結構的密實性不足、厚薄不均勻，因而使巖石節(jié)理裂隙部位和巖石破碎部位紅外溫度低，如點P0、P3、P4紅外溫度分別為22.7，23.5，22.3 ℃，巖石突變處紅外溫度較高，如點P1、P2紅外溫度分別為26.6，25.9 ℃，節(jié)理裂隙分界線處紅外溫差明顯，高對比度顏色分明。

圖2　隧道掌子面上部節(jié)理裂隙巖體紅外溫度分布Fig.2　Infrared temperature distribution of joint cracks in upper tunnel face

由圖2對比可知，線L0、L1、L2、L3的平均紅外溫度分別為25.5，25.3，25，24.8 ℃，線L0、L1、L2、L3紅外溫度變化幅度較大，呈階梯狀交替升降溫，明顯出現(xiàn)高溫區(qū)和低溫區(qū)，高溫區(qū)域溫度變化幅度不大，在1.5 ℃左右，但低溫區(qū)域降溫幅度較大，線L0、L1、L2、L3降溫幅度分別達到2.7，2.7，2.9，3.2 ℃，這表明爆破后的掌子面巖石存在兩種溫度效應〔7〕，即增溫效應和降溫效應。在高溫區(qū)域，巖石密實性不足，均勻性下降，微破裂發(fā)育；在低溫區(qū)域，巖石因拉伸使溫度下降，為張性應變，節(jié)理裂隙非正常發(fā)育，巖體即將發(fā)生宏觀破壞。

第6循環(huán)隧道掌子面右側節(jié)理裂隙紅外熱像對比如圖3所示，紅外溫度分布曲線如圖4所示。

圖3　隧道掌子面右側節(jié)理裂隙巖體紅外對比Fig.3　Comparison of infrared images of joint cracks in right tunnel face

由圖3對比可知，全紅外圖具有明顯的高溫條帶與低溫區(qū)域相間的輻射溫度場，較好地反映了巖石不同部位的紅外溫度，節(jié)理裂隙處紅外溫度較低，如點P0、P1、P2、P3、P4、P5的紅外溫度分別為23.8，23.6，23.8，23.7，23.5，23.9 ℃，巖石突變處紅外溫度較高，如點P6、P7、P8、P9、P10、P11的紅外溫度分別為24.6，25.0，25.1，25.4，25.0，25.0 ℃，這種高溫條帶與低溫區(qū)域相間的帶狀條帶體現(xiàn)了巖石破裂前紅外溫度輻射的異常現(xiàn)象。

圖4　隧道掌子面右側節(jié)理裂隙巖體紅外溫度分布Fig.4　Infrared temperature distribution of joint cracks in right tunnel face

由圖4對比可知，線L0、L1、L2、L3的平均紅外溫度變化幅度不大，分別是24.3，24.4，24.7，24.7 ℃，線L0、L1、L2、L3在巖石破裂整個過程中紅外溫度變化幅度較大，平均在2.1 ℃左右，主要呈階梯狀交替升降溫，明顯出現(xiàn)高溫區(qū)和低溫區(qū)，高溫區(qū)域溫度變化幅度不大，在0.8 ℃左右，但相比高溫區(qū)，低溫區(qū)域降溫幅度較大，線L0、L1、L2、L3降溫幅度分別為1.1，1.1，1.3，1.3 ℃，表明巖石表面的紅外熱像出現(xiàn)空間分異現(xiàn)象，致使高溫區(qū)與低溫區(qū)相間，其對應位置即為巖石破裂損傷位置。

5　結論

(1)掌子面巖石具有明顯的高溫條帶與低溫區(qū)域相間的輻射溫度場，節(jié)理裂隙處紅外溫度較低，巖石突變處紅外溫度較高，高溫條帶與低溫區(qū)域相間的帶狀條帶體現(xiàn)了巖石破裂前紅外溫度輻射的異常現(xiàn)象，這種臨破裂前的紅外溫度輻射異常現(xiàn)象是巖石破裂失穩(wěn)的重要前兆，將會對隧道圍巖的整體穩(wěn)定性產生重要影響。

(2)掌子面巖石破裂過程中紅外溫度異常主要表現(xiàn)為階梯狀交替升降溫，并明顯出現(xiàn)高溫區(qū)和低溫區(qū)，存在增溫效應和降溫效應，致使圍巖的承載能力差，不利于多次爆破條件下隧道爆破質量的控制。

(3)紅外熱像儀能大范圍、快速、連續(xù)地對隧道光爆掌子面圍巖內部的缺陷進行檢測，并能定性判斷隧道掌子面圍巖內部缺陷的位置，可為隧道光爆炮孔布置、裝藥參數(shù)設計、圍巖穩(wěn)定性評價提供一定的科學依據(jù)，避免圍巖缺陷對隧道光爆成型質量的影響，但由于光爆現(xiàn)場實驗條件限制以及巖石本身天然缺陷、爆破后掌子面巖石破裂情況不同，基于紅外熱像的掌子面巖石的損傷范圍、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

國家自然科學基金(41572299);浙江省公益技術應用研究計劃(2016C33033);浙江科技學院科研基金(F702104E03);浙江科技學院學科交叉預研專項(2015JC04Y);中鐵二局股份有限公司課題(201218)

鄒寶平(1982-)，男，博士、講師，主要從事隧道工程、巖土與地質工程方面的教學與研究工作。E-mail： zoubp@zust.edu.cn

TD235.4+7

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.001