泥巖砂巖互層隧道光面爆破圍巖損傷試驗研究

張 林

(中鐵上海工程局第一工程有限公司，安徽蕪湖 241000)

隧道圍巖穩定性受節理分布情況和巖性特征影響較大，如果圍巖的節理發育且巖性復雜，通常隧道圍巖的自身穩定性較差[1-3]。山嶺隧道多采用鉆爆法施工，而在掘進爆破會對圍巖造成不可避免的損傷，這種損傷通常表現為爆生裂隙的擴張。爆生裂隙會進一步弱化圍巖的自身穩定性，在爆生裂隙與原生節理共同作用下，可能會引起局部掉塊、甚至垮塌等失穩現象，導致比較明顯的超挖現象。這不僅會影響隧道施工安全，還會增加噴射混凝土的用量，使得工程進度滯后，進而增加施工成本[4-7]。爆破作用下的隧道圍巖損傷范圍可以采用聲波探測技術，根據聲波在圍巖內傳播的規律進行判斷。隧道圍巖損傷范圍主要受掘進爆破參數和圍巖性質影響，而圍巖性質屬于客觀條件，因此針對特定的圍巖性質制定相對應的爆破參數可以有效的減小損傷范圍，充分發揮隧道圍巖的自穩能力，提高爆破成型效果，減少隧道超挖現象，從而加快施工速度，降低工程造價[8-12]。

1 工程概況

玉磨鐵路是指玉溪—普洱—景洪—磨憨的鐵路，是泛亞鐵路中線的重要組成部分，是云南省乃至中國通向老撾、緬甸、泰國、馬來西亞、新加坡的重要國際大通道的連接線，全長 507.4 km，為雙線電氣化鐵路，設計時速 160 km/h。會排山隧道位于普洱—普文站區間，進口里程 DK291+225，出口里程 DK298+700，全長 7 475 m，為單洞雙線隧道。會排山隧道隧址區屬于低中山地貌，地面高程 1 100～1 600 m，局部較陡，地形起伏較大，山間溝壑發育，丘坡上覆土層較薄，局部基巖裸露，植被極茂密。隧道穿越地層主要為白堊系下統南新組上段泥巖夾砂巖，下段石英砂巖、砂礫巖夾泥巖等。

2 圍巖損傷試驗

聲波探測是一種無損檢測技術，在工程質量檢測和地質勘察中都有廣泛都應用，測試儀器由聲波發射系統、接收換能器、聲波記錄系統、聲波分析系統組成。根據彈性波在固體介質中的傳播原理，圍巖的巖性、裂隙發育情況等地質條件都會引起聲波傳播規律發生變化，尤其是對聲波的傳播速度影響較為明顯。隧道掘進爆破產生的爆生裂隙也會影響聲波的傳播速度，根據聲波傳播速度的變化規律可以判斷出爆破施工造成的圍巖損傷范圍。

聲波探測采用雙孔測試法，雙孔測試法是在待測位置鉆兩個相互平行的探測孔，然后將聲波探頭分別放置在探測孔底部，同步將兩個探頭按相等的軸向距離向外抽出，依次記錄測試結果。針對會排山隧道試驗段進行多次測試，每次采用不同的掘進爆破參數，根據聲波測試結果判斷不同爆破參數作用下圍巖的損傷范圍，綜合考慮損傷范圍的測試結果和實際的爆破效果，最終確定適用于會排山隧道的掘進爆破參數。

2.1 試驗過程

會排山隧道試驗段屬于Ⅳ級圍巖，單循環進尺為3.0 m左右，試驗共進行5個循環，由于掘進爆破周邊孔的爆破參數是影響隧道圍巖損傷范圍的主要因素，因此5個循環采用不同的爆破參數，周邊孔均采用間隔裝藥結構，孔距為0.4～0.6 m，光爆層厚度0.5～0.75 m，單孔裝藥量為400～700 g，周邊孔布置如圖1所示，具體爆破參數見表1。

圖1 周邊孔布置示意

為了檢測每循環爆破對圍巖的損傷范圍，在爆破對應的隧道邊墻設置探測孔，各探測孔按離掌子面由遠至近依次編號為1#、2#……16#，各探測孔與掌子面平行，孔間水平距離約為1.0 m，孔深約為2.0 m，探測孔與水平方向的夾角20～25 °，孔徑42 mm，聲波探測孔剖面布置如圖2所示，平面布置如圖3所示。聲波探測孔鉆設完成后，為避免在測試過程中卡住探頭需要先將孔內的巖渣清除。測試前應根據探測孔的孔深、孔間距和角度等參數輸入測試儀器，調整儀器參數。然后將聲測探頭連接至儀器，并將儀器探頭的提升方式設置為手動。將聲測探頭緩緩置于探測孔底部，采集時探頭每次提升距離約10 cm，在提升過程中應注意兩個探頭提升的同步性。當兩個探頭提升至探測孔口位置時，取出探頭，測試過程結束。現場測試情況見圖4。

表1 周邊孔爆破參數

圖2 聲波探測孔剖面布置示意

圖3 聲波探測孔平面布置示意

圖4 聲波測試現場

2.2 試驗結果與分析

在會排山隧道右側邊墻共設置16個聲波探測孔，針對5個循環共測得聲波數據15組，聲測探頭在孔內每次提升的距離約為10 cm，由于存在聲波探測孔深度的鉆設誤差，每組的有效數據有16～18個，具體波速測試數據如表2所示，單位為km/s。

針對會排山隧道試驗段的圍巖損傷測試共做了5個循環，每個循環測得3組波速數據，根據數據繪制出5個循環的波速隨探測孔深度變化曲線，分別如圖5～圖8所示。

圖5 第1循環波速隨探測孔深度變化曲線

圖6 第2循環波速隨聲測孔深度變化曲線

圖7 第3循環波速隨聲波孔深度變化曲線

圖8 第4循環波速隨聲波孔深度變化曲線

圖9 第5循環波速隨聲波孔深度變化曲線

由會排山隧道圍巖聲波測試結果和波速隨聲波孔深度變化曲線可以看出:

波速沿探測孔深度方向和相同深度不同組別的波速均存在一些變化，說明泥巖砂巖互層的隧道圍巖均勻性較差。

波速隨測點距孔口距離的增加總體趨勢為逐步增加，當距離較近時，波速值較小，當距離增加到一定程度時，波速趨于穩定并接近原巖波速，表明在隧道開挖輪廓附近的圍巖在掘進爆破的作用下會產生一定程度的損傷，圍巖損傷范圍即波速明顯低于原巖波速的范圍。

根據5個循環波速隨聲波孔深度變化曲線圖中可以基本判斷出每循環的圍巖損傷范圍，第1循環為0.3～0.35 m，第2循環為0.4～0.45 m，第3循環為0.3～0.4 m，第4循環為0.45～0.5 m，第5循環為0.6～0.65 m。

表2 聲波測試數據 km/s

對比第1、2循環和第3、4循環的波速變化曲線，當周邊孔布置參數相同時，增加單孔裝藥量，則圍巖損傷范圍變大。因此，降低單孔裝藥量對控制圍巖損傷范圍有利。

對比第2、3循環的波速變化曲線可知，當單孔裝藥量相同時，加大周邊孔間距，可以降低損傷范圍。

第3循環中周邊孔孔底位置的損傷范圍略大，此外第4、5循環損傷范圍內的波速值也存在一定的波動。說明對于泥巖砂巖互層的隧道圍巖，增加周邊孔間距，圍巖的原生節理可能會對損傷范圍產生影響。

對比第4、5循環的波速變化曲線，在孔距和單孔裝藥量相同的情況下，提高光爆層厚度也會導致損傷范圍的擴大，分析其原因可能是光爆層厚度變大增強了周邊孔爆破的夾制作用，使得周邊孔爆生裂隙向隧道圍巖內擴張的趨勢有所提高。

3 結 論

根據針對會排山隧道試驗段中周邊孔爆破參數不同的5個循環聲波探測結果與分析，可以得出以下主要結論。

泥巖砂巖互層的隧道圍巖均勻性較差，隧道周邊孔爆破會造成圍巖的損傷，損傷范圍與周邊孔的爆破參數有關，當周邊孔布置參數相同時，圍巖損傷范圍隨單孔裝藥量的增加而變大。孔距和單孔裝藥量相同的情況下，損傷范圍隨光爆層厚度的增加而變大。

確定泥巖砂巖互層隧道周邊孔爆破參數時，應采用較低的單孔裝藥量，較小的周邊孔間距和光爆層厚度，可以減少掘進爆破對隧道圍巖的損傷范圍，改善爆破的成型效果，減少超欠挖現象。