爆破對(duì)中夾巖柱穩(wěn)定性的影響

王夢(mèng)楠， 單仁亮， 張晉勛， 宋永威,*， 柴高俊， 吳永鑫, 樊祥喜

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司博士后工作站，北京 100088；3.中國(guó)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司，北京 100029)

隨著中國(guó)高速公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，先期建成路段已無(wú)法適應(yīng)目前大交通量的需求。中國(guó)東部、中部省份改擴(kuò)建項(xiàng)目即將全面展開(kāi)。山東省境內(nèi)多條高速公路已陸續(xù)開(kāi)展改擴(kuò)建，計(jì)劃在2020年底完成濟(jì)青、濱萊、京滬等約800 km高速公路改擴(kuò)建。隨著中、東部省份改擴(kuò)建項(xiàng)目展開(kāi)，相應(yīng)地出現(xiàn)了大量的深部、淺部巖石問(wèn)題。特別是巖石動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，爆破引起的既有隧道、初支、邊坡、巷道、地下硐室等振動(dòng)安全事故也隨之增多[1-4]。胡英國(guó)等[5]基于LS-DYNA二次開(kāi)發(fā)的累積損傷仿真技術(shù)，發(fā)現(xiàn)光面爆破的累積損傷大于預(yù)裂爆破累積損傷效應(yīng)，但預(yù)裂孔本身的損傷大于光爆孔，預(yù)裂爆破中，保留巖體幾乎只受預(yù)裂孔爆破的影響。董春亮等[6]為研究泥巖單軸壓縮本構(gòu)方程、損傷隨應(yīng)變的變化規(guī)律，采用液壓伺服三軸試驗(yàn)機(jī)及聲發(fā)射采集儀對(duì)其全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，引入能量耗散等因子，推導(dǎo)了泥巖損傷模型，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)兩種模型進(jìn)行了論證。吳靜等[7]采用概率統(tǒng)計(jì)分析法研究了Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則各因子的重要性。研究表明，擾動(dòng)系數(shù)對(duì)巖體的研究有很大的影響，其離散型較大，為此先對(duì)擾動(dòng)系數(shù)進(jìn)行了修正，并提出了新的強(qiáng)度準(zhǔn)則。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其合理性，其更能反映巖體的擾動(dòng)特性。祝文化等[8]重新定義了損傷，采用鉆孔窺視儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣，進(jìn)行了大量試驗(yàn)，并采用分形理論對(duì)爆破前后鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育狀態(tài)、裂紋數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，對(duì)巖體損傷進(jìn)行了評(píng)價(jià)。王世鳴[9]采用分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar, SHPB)試驗(yàn)系統(tǒng)及液壓伺服機(jī)研究了1、3、7、14、28 d混凝土的力學(xué)特性。劉亮等[10]基于多個(gè)工程項(xiàng)目對(duì)水電站多次循環(huán)爆破后的損傷進(jìn)行了研究，結(jié)合中外學(xué)者研究成果對(duì)巖石爆破破碎損傷閾值進(jìn)行了劃定。劉明貴等[11]基于實(shí)際工程深入研究了不同開(kāi)挖工法條件下循環(huán)爆破引起小凈距隧道中夾巖柱累積損傷變化規(guī)律。閆長(zhǎng)斌等[12]采用聲波測(cè)試儀對(duì)煤巷爆破振動(dòng)引起的圍巖聲速變化規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)爆破橫向影響范圍進(jìn)行了劃分。

以黑峪隧道改擴(kuò)建爆破施工為背景，先現(xiàn)場(chǎng)取樣，通過(guò)室內(nèi)SHPB試驗(yàn)研究了灰?guī)r產(chǎn)生裂紋、失去承載力的損傷閾值，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)振速、聲速監(jiān)測(cè)，研究了多次循環(huán)爆破后中夾巖柱各測(cè)點(diǎn)振速及聲波變化規(guī)律，對(duì)中夾巖柱的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 灰?guī)r動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)

在山東省淄博市黑峪隧道中選取完整均質(zhì)大塊灰?guī)r，為減少工作量并降低試驗(yàn)誤差，大塊巖樣均采用中夾巖柱同一斷面的灰?guī)r，并采用DW2-170水鉆進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣。水鉆鉆頭內(nèi)徑為75 mm，外徑為83 mm及內(nèi)徑為50 mm，外徑為58 mm兩種鉆頭，共鉆取φ75 mm巖心10塊，然后在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室精細(xì)化加工至φ75 mm×50 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.1 SHPB試驗(yàn)原理

SHPB試驗(yàn)的基本原理是彈性應(yīng)力波在細(xì)長(zhǎng)桿中的傳播理論，如圖1所示。

圖1 SHPB原理Fig.1 SHPB schematic

圖1中：εi、εr、εt分別為入射桿和透射桿上測(cè)得的入射應(yīng)變波、反射應(yīng)變波及透射應(yīng)變波；σi、σr、σt分別為入射波應(yīng)力、反射波應(yīng)力及透射波應(yīng)力，MPa；vi、vr、vt分別為入射波、反射波及透射波中的質(zhì)點(diǎn)速度，m/s；L1、L2為入射桿應(yīng)變片和透射桿應(yīng)變片到實(shí)驗(yàn)端的距離，m。

平均應(yīng)力為

(1)

平均應(yīng)變率為

(2)

平均應(yīng)變?yōu)?/p>

(3)

式中：A、As為入射桿、試樣的橫截面積，m2；E為壓桿的彈性模量，MPa；F1、F2為試樣兩側(cè)的受力，N；ls為試樣的長(zhǎng)度，m；C為壓桿的彈性波速，m/s。

1.2 試驗(yàn)步驟

(1)試樣制作，測(cè)量灰?guī)r試件直徑及長(zhǎng)度。

(2)入射桿及透射桿上粘貼應(yīng)變片，校準(zhǔn)沖擊速度記錄儀。

(3)將子彈推至炮膛底部，放置試樣于入射桿與透射桿之間，擦凈試樣表面，并在試樣上下表面涂抹黃油確保試樣與兩桿緊密接觸。

(3)通過(guò)液氮調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)炮膛進(jìn)行加壓至需要數(shù)值，啟動(dòng)發(fā)射按鈕，保存入射桿應(yīng)變片、透射桿應(yīng)變片及速度采集儀數(shù)據(jù)。

(4)用RSM-SY5測(cè)試儀測(cè)巖樣的縱波速度。

(5)重復(fù)步驟(4)、(5)直至試樣破壞。

(6)試驗(yàn)完畢，關(guān)閉液氮開(kāi)關(guān)，關(guān)閉氮?dú)饪刂葡到y(tǒng)、速度采集儀等儀器。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為研究灰?guī)r在循環(huán)沖擊荷載作用下的損傷特性，對(duì)每次沖擊后灰?guī)r縱波速度進(jìn)行測(cè)試。為增加耦合效果，在測(cè)試斷面涂抹凡士林，并用RSM-SY5聲波測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)計(jì)聲波速度，代入式(4)，求得損傷因子D。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，結(jié)合式(1)～式(3)可得灰?guī)r試樣的本構(gòu)曲線，如圖2所示。

(4)

式(4)中：v′為爆破后波速，m/s；v為爆破前波速，m/s。

表1 循環(huán)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data of cyclic test

圖2 循環(huán)沖擊本構(gòu)曲線Fig.2 Cyclic impact constitutive curve

由表1及圖2可知：第1次沖擊荷載作用下，灰?guī)r試樣完整，峰值應(yīng)力為111.34 MPa，峰值應(yīng)變?yōu)?.002 94，聲速降低了194 m/s，損傷為0.074；第2次沖擊時(shí)，由于沖擊速度較大，峰值應(yīng)力大于第1次沖擊峰值壓力，聲速降低352 m/s，損傷為0.202；第3次沖擊時(shí)，灰?guī)r試樣產(chǎn)生裂紋，峰值應(yīng)力為95.61 MPa，峰值應(yīng)變?yōu)?.004 42，聲速降低1 070 m/s，損傷為0.531；第4次沖擊時(shí)，灰?guī)r試樣破壞?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)沖擊速度相近時(shí)，試樣峰值應(yīng)力及聲波速度隨著沖擊次數(shù)的增加而減小，而峰值應(yīng)變隨著沖擊次數(shù)的增加而增大。

基于本課題組建立的時(shí)效損傷模型[13]為

(5)

(6)

式中：E1、E2分別為損傷體D1及D2的彈性模量，GPa；α、m為韋伯分布對(duì)應(yīng)的參數(shù)；η為黏壺體黏性系數(shù)；K為彈簧系數(shù)。

采用式(5)對(duì)循環(huán)沖擊荷載條件下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，代入式(6)可得其理論損傷，擬合結(jié)果如表2、圖3所示。

表2 循環(huán)荷載條件下灰?guī)r擬合本構(gòu)參數(shù)Table 2 Constitutive parameters of limestone fitting under cyclic load condition

圖3 循環(huán)沖擊作用下灰?guī)r本構(gòu)擬合曲線Fig.3 Fitting curve of limestone under cyclic shock

由表2可知，相關(guān)系數(shù)都大于0.92，說(shuō)明擬合曲線與實(shí)測(cè)曲線具有良好的相關(guān)性，該時(shí)效損傷本構(gòu)模型具有良好的適用性。

由圖3可知，4次沖擊試驗(yàn)中，初始階段理論損傷基本為零，說(shuō)明在沖擊荷載作用下，灰?guī)r直接進(jìn)入線彈性階段。第1次沖擊時(shí)，灰?guī)r的理論損傷在應(yīng)變處于0.000 124時(shí)開(kāi)始增大，當(dāng)應(yīng)變處于0.000 124～0.00 164時(shí)，損傷增加緩慢，在應(yīng)變?yōu)?.001 64時(shí)，損傷只有0.001 03；應(yīng)變處于0.00164～0.002 5時(shí)，灰?guī)r理論損傷增速增大；當(dāng)接近峰值應(yīng)變時(shí)，灰?guī)r理論損傷迅速增大，直至應(yīng)力波作用結(jié)束，試樣理論損傷為0.225。第2、3、4次沖擊時(shí)，最大理論損傷分別為0.486、0.673及0.959。說(shuō)明隨著沖擊次數(shù)的增加，理論損傷在逐漸增大，且損傷增速也在提高?；?guī)r產(chǎn)生裂紋的理論損傷閾值介于0.486～0.673，破壞的理論損傷閾值大于0.673。結(jié)合表1試驗(yàn)損傷可知，灰?guī)r產(chǎn)生裂紋的試驗(yàn)損傷閾值介于0.202～0.531，破壞的試驗(yàn)損傷閾值大于0.531。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 振速監(jiān)測(cè)方案

黑峪隧道K17+718～K17+740段中夾巖柱(原隧道內(nèi)已填渣至此斷面)最厚約為6 m，洞口處為3.2 m。該段中夾巖柱隨著施工進(jìn)度逐漸減小為零，爆破施工對(duì)其影響不容忽視。本次振速監(jiān)測(cè)儀器采用TC-4850測(cè)振儀及三向振速傳感器系統(tǒng)，其中，振速傳感器x方向?yàn)樗淼肋M(jìn)深方向，y方向垂直于隧道軸線沿水平方向，z方向垂直于隧道軸線豎直向上。根據(jù)振動(dòng)波傳播原理，迎爆面振動(dòng)最大，在原隧道高1.6 m處設(shè)置振速傳感器，由于原隧道進(jìn)深K17+743處已進(jìn)行了碎石填埋，最深處傳感器在K17+741斷面，距新建隧道掌子面9 m，然后依次往原隧道出口方向每5 m安裝振速傳感器，共5個(gè)傳感器。詳細(xì)方案如圖4所示。

圖4 原隧道振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案Fig.4 Vibration monitoring scheme of tunnel

2.2 聲波測(cè)試監(jiān)測(cè)方案

聲波測(cè)試采用RSM-SY5聲波測(cè)試儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但換能器采用縱波發(fā)射器及縱波接收器，以方便進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖5、圖6所示。黑峪隧道K17+718～K17+740段為新建段，在K17+736斷面處，中夾巖柱最厚為6 m，初始打孔位置為原隧道進(jìn)深8 m、高1.6 m處，此處中夾巖柱厚度為4.2 m，此處兩聲波測(cè)試孔打設(shè)深度為3 m，孔間距為0.5 m。由于聲波測(cè)試系統(tǒng)需要水耦合，所以打設(shè)測(cè)試孔時(shí)將其傾角設(shè)為16°，在進(jìn)深18 m處，中夾巖柱達(dá)最大厚度6 m，此處測(cè)試孔深4 m，進(jìn)深23 m處中夾巖柱為4.6 m，此處測(cè)試孔深3 m，孔徑均為0.04 m。監(jiān)測(cè)時(shí)，用水管將每對(duì)測(cè)試孔注滿水，將縱波換能器推至孔底，然后再注滿水，此時(shí)進(jìn)行第1次測(cè)量，測(cè)量完畢后將換能器提出0.2 m，再次測(cè)量，如此循環(huán)至孔口處結(jié)束第1對(duì)孔聲波測(cè)試，然后依次對(duì)另兩對(duì)孔進(jìn)行測(cè)試。

圖5 聲波測(cè)試方案Fig.5 Acoustic test scenarios

圖6 聲波測(cè)試儀及測(cè)試原理Fig.6 Acoustic test instruments and test principles

3 振速衰減規(guī)律

統(tǒng)計(jì)4次爆破的振速、藥量、爆心距、炮孔布置、最大段藥量，對(duì)傳統(tǒng)爆破振速衰減公式進(jìn)行驗(yàn)證，如表3及圖7所示。

表3 振速監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 3 Vibration speed monitoring results

圖7 傳統(tǒng)擬合曲線Fig.7 Traditional fitting curves

傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式擬合結(jié)果為

(7)

式(7)中：V傳統(tǒng)為各測(cè)點(diǎn)振速，cm/s；Q為最大段藥量，kg；R為爆心距，m。

由式(7)可知兩者的擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.9，說(shuō)明傳統(tǒng)公式對(duì)于本工程振速衰減預(yù)測(cè)具有良好的適用性。

由表3及圖7可知，以第1次爆破振速變化規(guī)律為例，距離掌子面距離為9 m的測(cè)點(diǎn)最大振速為7.193 cm/s，距掌子面距離為14 m的測(cè)點(diǎn)振速為4.209 cm/s，距掌子面距離為19、24、29 m測(cè)點(diǎn)振速分別為2.343、1.057、0.738 cm/s，說(shuō)明對(duì)于第1次爆破，與掌子面距離越大，振速衰減速度逐漸減小。綜上，在距掌子面9～15 m范圍內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)振速急劇減小，大于15 m時(shí)，振速衰減趨于平緩。與掌子面距離大于25 m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)振速基本接近甚至小于1 cm/s。

4 中夾巖柱累積損傷

根據(jù)監(jiān)測(cè)方案對(duì)中夾巖柱3組聲測(cè)孔進(jìn)行聲波測(cè)試，聲波為縱波，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果代入式(4)中可得其累積損傷D，如表4～表6所示。

表4 K17+741斷面不同深度損傷Table 4 K17+741 section different depth damage

表5 K17+736斷面不同深度損傷Table 5 K17+736 section different depth damage

表6 K17+726斷面不同深度損傷Table 6 K17+726 section different depth damage

為更好地研究爆破引起各測(cè)點(diǎn)累積損傷隨爆破次數(shù)的變化規(guī)律，更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)中夾巖柱的安全性，對(duì)K17+741、K17+736、K17+726斷面不同深度損傷進(jìn)行繪圖，如圖8所示。

圖8 各斷面不同深度累積損傷Fig.8 Cumulative damage at different depths of each section

由圖8可知：K17+741斷面與掌子面距離為9 m，距離掌子面最近，第1次爆破時(shí)引起損傷約為0.04，兩次爆破引起累積損傷約為0.055，4次爆破結(jié)束，引起最大累積損傷為0.078 3；而另外兩斷面損傷更小，K17+726、K17+736兩斷面最大累積損傷分別為0.029 7、0.004 7遠(yuǎn)小于損傷閾值0.19，也說(shuō)明與掌子面距離越遠(yuǎn)，損傷越小，K17+741以外的中夾巖柱相對(duì)安全。

由圖8還可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于K17+741斷面，由于距掌子面較近，僅為9 m，隨著孔深的增加，測(cè)點(diǎn)與爆源越近，損傷呈整體上升趨勢(shì)。而對(duì)于K17+736、K17+726斷面，爆破振動(dòng)對(duì)這兩監(jiān)測(cè)斷面影響較小，隨深度的損傷變化不明顯。

為進(jìn)一步研究各測(cè)點(diǎn)損傷與爆心距、裝藥量等的相關(guān)聯(lián)系，簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)4次爆破、3斷面不同深度損傷求平均值，并求得各斷面平均損傷增量，爆心距簡(jiǎn)化為監(jiān)測(cè)斷面距掌子面的距離，裝藥量為最大段藥量，如表7及圖9所示。

表7 平均爆破損傷監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 7 Monitoring results of average blasting damage

圖9 損傷增量隨距離變化曲線Fig.9 Variation curve of damage increment with distance

兩者擬合公式分別為

ΔD=30.536d-3.041，R2=0.988

(8)

ΔD=85.724d-3.395，R2=0.958

(9)

式中:ΔD為損傷增量；d為測(cè)點(diǎn)與掌子面距離，m。

由圖9可知，當(dāng)最大段裝藥量均為24 kg時(shí)，隨著與掌子面距離的增加，損傷增量在0～20 m范圍內(nèi)衰減較快，在20～24 m范圍內(nèi)衰減趨于平緩；當(dāng)裝藥量為21 kg時(shí)，各監(jiān)測(cè)斷面與掌子面距離較大，均大于15 m，損傷增量較小。在15～25 m，裝藥量越大，引起的損傷增量相對(duì)越大，但不明顯。在藥量相近時(shí)，距離對(duì)損傷增量的影響相對(duì)較大。

假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)損傷變化規(guī)律服從冪函數(shù)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖10所示。

擬合公式為

(10)

振速擬合結(jié)果為

(11)

圖10 損傷增量隨變化規(guī)律Fig.10 Damage increment with variation law

圖11 振速與損傷增量擬合曲線Fig.11 Vibration velocity and damage increment fitting curve

ΔD=2.162v2.616，R2=0.968

(12)

由式(12)可知，擬合系數(shù)為0.968，說(shuō)明損傷增量與振速具有良好的冪函數(shù)相關(guān)性。

5 結(jié)論

結(jié)合室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)K17+718～ K17+741區(qū)間中夾巖柱的振速衰減及損傷變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論。

(1)灰?guī)r隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加，其損傷逐漸增大，灰?guī)r產(chǎn)生裂紋的試驗(yàn)損傷閾值介于0.202～0.531，理論損傷閾值介于0.486～0.673；灰?guī)r失去承載力的試驗(yàn)損傷閾值大于0.531，理論損傷閾值大于0.673。

(2)測(cè)點(diǎn)與掌子面距離越近，振速越大，與掌子面距離最近的1號(hào)測(cè)點(diǎn)最大振速為7.193 cm/s，根據(jù)相關(guān)規(guī)范可知其在安全允許振速范圍內(nèi)。

(3)第1次爆破引起距離掌子面9 m處監(jiān)測(cè)斷面損傷增量最大為0.038 4，4次累積損傷為0.078，損傷增量隨著爆破次數(shù)的增加越來(lái)越小，第4次爆破引起損傷增量?jī)H為0.001 2，說(shuō)明爆破對(duì)9 m及以外中夾巖柱影響較小。