基于損傷累積的大跨度隧道(硐庫)爆破振動傳播規律

楊小林， 朱思源， 褚懷保， 劉永勝， 任志強， 陳 真

(1.河南理工大學土木工程學院， 焦作 454000； 2.中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院， 廣州 511458)

隨著國家經濟建設的高速發展，基礎設施建設得到前所未有的發展機遇，大斷面和超大斷面地下工程大量涌現。爆破技術依然是地下工程施工的主要技術之一，但爆破危害效應不可避免，尤其是爆破振動對周圍巖體及建筑物產生的危害依然是中外學者關注的重點和難點[1-2]。此外，隨著爆破規模逐漸擴大以及爆破次數逐漸增多，所產生的振動危害效應隨之增大，對圍巖穩定性產生嚴重影響。

中國諸多專家對現場爆破振動波傳播規律及地下爆破開挖對地表振動造成的影響開展了大量的研究，并得到了許多重要的研究成果[3-5]。黃偉強等[6]利用薩道夫斯基經驗公式對現場實測爆破振動數據進行擬合分析，得到受不同地質條件影響的衰減系數。王玲霞[7]結合曲陽1號公路隧道項目，分析了現場爆破施工中測點振動速度傳播規律，得出當炸藥量一定時，隨著監測點與爆破中心距離的增大，地表振動峰值速度和主頻頻率持續衰減，且離爆炸區越近，峰值振速減小越快。褚懷保等[8]為研究重復爆破沖擊載荷作用下振動波傳播規律，對混凝土試塊進行了爆破試驗。結果表明爆破作用次數的增加會使試塊損傷累積持續增大，但距離的增加會對試塊損傷累積速率有很大程度的衰減，因此各測點峰值振速衰減速率逐漸減小。黃超等[9]結合某國道路基施工工程，設計了單孔和多孔爆破試驗，得到了爆炸振動波的傳播規律和影響振速的因素，并得到爆破最佳延期時間。總體而言，現階段中外主要以爆破振動速度作為爆破振動安全判據，對爆破振動監測研究主要依靠爆破經驗衰減公式，基于單次爆破分析較多，對于循環爆破作用下損傷累積效應對圍巖影響的情況考慮較少。

基于某大型地下硐庫工程，對現場爆破過程進行持續跟蹤監測，利用薩道夫斯基公式對得到的數據開展擬合分析，揭示損傷累積條件下振動波傳播與衰減規律，為多次頻繁爆破工程中振動安全標準制定和振動危害效應評判提供現場數據基礎。

1 爆破振動波形成機理

炮孔中的炸藥爆炸時會在極短的時間內產生膨脹的高溫高壓爆轟氣體對周圍巖體產生擠壓，并釋放大量能量。炸藥周邊的介質受到這一部分能量的影響形成波動現象，并以波的形式向四周進行傳播[10]。爆炸產生的爆轟波對炮孔周邊巖體造成嚴重破壞形成粉碎區，在這個過程中能量被大量消耗，從而快速衰減為應力波。應力波在介質內傳播，其攜帶能量逐漸消耗，最終衰減成為具有周期振動規律的地震波引起質點彈性運動[11-12]。應力波在傳播過程中促使介質內原裂縫的進一步擴展并產生新的裂隙，改變其內部應力場并劣化其力學性能[13]。如果對這種作用不加以防治，會對建筑結構本身和周圍環境造成很大影響，嚴重的甚至會導致結構倒塌造成經濟損失，同時很大程度上會造成不必要的人員傷亡。

《爆破安全規程》(GB 6722—2014)[14]規定：爆破施工引起地面上結構的晃動，以受保護對象所在位置的峰值振速以及主頻頻率共同作為判斷依據；大型巷道、地下隧道或新澆混凝土建筑則主要是以監測位置處質點峰值振速作為爆破振動效應的評判依據。炸藥爆炸引起的地面質點振動非常復雜，不同環境下測得的振動波形和頻譜變化特征顯示出，爆破地震波的頻率、持續時間、振動傳播與衰減規律等會隨著地質條件、炸藥當量、傳播距離等因素的改變而改變。目前主要依據薩道夫斯基公式作為爆破振動波傳播與衰減規律的理論基礎[15]。

V=K(Q1/3/R)α=Kρα

(1)

式(1)中：V為質點振動速度，cm/s,；Q為裝藥量，kg；R為從測點到爆破振動中心的距離，m；K為與爆破場地條件有關的場地系數；α為衰減系數；ρ=Q1/3/R為比例藥量。

α、K可根據現場爆破施工得到的裝藥當量、測點峰值振速及到爆破中心距離等數據利用最小二乘法求解獲得。將式(1)兩邊取對數，得

lnV=lnK+αlnρ

(2)

設y=lnV,a=α,x=lnρ,b=lnK,根據最小二乘法理論可得

(3)

由式(3)求得a、b唯一解，再通過變量代換，得

(4)

2 現場爆破振動監測

2.1 工程概況

試驗現場隧道(硐庫)圍巖等級評價以Ⅱ～Ⅲ級為主。隧道(硐庫)整體為超大跨蟶殼型，底部跨度為30 m,邊墻高度為3 m，拱頂高度為12 m，隧道截面示意圖如圖1所示，整體采用臺階法開挖。現場采用直孔掏槽、分段延時的光面爆破方式，炸藥為二號巖石乳化炸藥，導爆管雷管起爆。

圖1 隧道截面示意圖

2.2 爆破振動測試儀器

試驗現場使用的設備為成都中科研發的TC-4850爆破振動采集儀。該儀器的振動測試量程從0.001～35.4 cm/s，頻響范圍從0～1 000 Hz，其量程能充分滿足爆破振動測試的需求并且能包含工程爆破所涉及的所有頻段，可以充分保障現場爆破試驗測得數據的準確性與可靠性。

2.3 現場爆破測點的布置

現場試驗對隧道(硐庫)部分爆破施工過程進行振動波監測，具體爆破參數如表1所示。測點P1布置在隧道頂部距離隧道底部40 m位置處，采用三向振動數據傳感器進行振動測試，如圖2(a)所示；測點P2、P3、P4、P5、P6分別布置在隧道(硐庫)底部平面距離掌子面相對距離為30、40、60、70、80 m，采用單向(垂向)振動數據傳感器進行振動測試，如圖2(b)所示。布置測點時，先將測點安置位置處理干凈，在傳感器底部用石膏作為耦合劑把傳感器與地面巖石相固定，再將傳感器與測試儀器相連接，對爆破振動進行監測。

表1 隧道(硐庫)爆破參數

圖2 測點位置示意圖

3 爆破振動監測結果與分析

3.1 爆破振動監測試驗結果

對隧道爆破進行連續監測，記錄測點P1～P6的爆破振動波形、速度以及頻率，現場爆破振動波形圖如圖3所示，振動速度如表2、表3所示，振動主頻如表4所示。利用Blasting vibration analysis軟件對每次爆破振動的垂向峰值振速進行擬合回歸分析，得到隧道底部的振動衰減系數α、場地系數K，如表2所示。

圖3 現場爆破振動波形

表2 隧道底部測點峰值振速監測結果

表3 隧道頂部測點1峰值振速監測結果

表4 隧道底部測點爆破振動主頻監測結果

3.2 爆破振動監測結果分析

為研究現場大跨度隧道(硐庫)底部爆破振動波傳播與衰減規律，在Oringe中對表2數據進行擬合分析，繪制各次爆破作用后隧道(硐庫)底部測點其峰值振速隨距離變化的關系曲線，如圖4所示。為研究多次爆破作用對隧道(硐庫)頂部固定點振動波傳播規律的影響，根據表3內數據繪制測點1的3個不同分量振動速度與爆破次數增加的關系曲線，如圖5所示。由于測點1徑向和垂直方向測得的振動速度相差很小，為方便與隧道(硐庫)底部測點峰值振動變化規律相對比，對測點統一采用垂直方向的爆破峰值振速進行分析。

為研究爆破次數對現場大跨度隧道(硐庫)底部測點爆破振速變化規律的影響，根據表2現場監測得到的數據在Oringe中進行擬合分析，繪制隧道(硐庫)底部測點峰值振速隨爆破次數增加的變化曲線，如圖6所示。并繪制振動衰減系數α、K隨爆破作用次數遞增的變化規律曲線，如圖7所示。

由圖4可知，受到爆破作用后各測點的振動速度均隨著與爆破中心距離的增加不斷減小，靠近爆破中心的P2～P4測點峰值振速衰減較快，從圖4可看出其斜率較大，距離爆破中心較遠的P4～P6測點峰值振速衰減較為緩慢，從圖4可以看出，其斜率較小。炮孔附近巖體在爆轟波的作用下產生嚴重破壞，形成粉碎圈并消耗大量能量，使沖擊波快速衰減為應力波。介質的振動是由應力波在傳播過程中對其擾動形成的，因此測點振動速度的大小間接反映了巖體中應力波的大小。應力波在巖石介質中的傳播是一種能量傳遞的過程，在應力波從爆源向地面傳播的過程中波振面隨距離的增加逐漸增大，且由于介質的內阻尼吸收作用，其能量以及振動幅值不斷衰減。且由式(1)可知，在條件一定的情況下，質點的振動速度隨著距離的增大程指數規律衰減。

圖4 隧道底部爆破振動速度與測點距離關系

圖5 隧道頂部測點、隧道底部測點爆破振動速度與爆破次數關系

圖6 場地系數、衰減系數與爆破次數關系

圖7 隧道底部測點爆破振動頻率與測點距離、爆破次數關系

結合圖5可知，各測點爆破振動速度均隨著爆破作用次數的增加總體呈衰減趨勢。由圖5(a)可知，隧道(硐庫)頂部測點3個方向的爆破振動速度隨著爆破次數的增加均有不同程度的衰減；從總體上看，Y方向測點振動速度比X方向和Z方向的測點振動速度小，且衰減速度較快；測點X方向振動速度比Z方向振動速度略小，且衰減較慢。由圖5(b)看出，隧道(硐庫)底部各測點峰值振速衰減曲線隨著距離的增加逐漸平緩；測點2、測點3距離爆破中心較近，隨著爆破次數的增加其振動速度分別從2.752 cm/s衰減到1.384 cm/s以及從1.635 cm/s衰減到0.995 cm/s，衰減幅度較大；測點P5和測點P6距離爆破中心較遠，隨著爆破次數的增加其振動速度分別從0.741 cm/s衰減到0.398 cm/s，從0.689 cm/s衰減到0.314 cm/s，衰減幅度較小。

炮孔內藥包爆炸時產生的爆轟波以及爆生氣體對炮孔周邊巖體造成宏觀斷裂損傷，爆生氣體壓力以及膨脹做功使巖石質點以向外擴張的方式運動，導致巖石整體受到切向拉力的作用，當作用力比巖石抗拉強度大時，巖石將沿徑向產生裂隙對結構造成損傷破壞。爆炸應力波在隧道圍巖內傳播的過程中能量被逐漸吸收，隨著與爆破中心距離的增加急速衰減，故與爆破中心距離越遠的圍巖受應力波影響越小其損傷逐漸降低。在周期性爆破載荷和應力波傳播過程中，隨著爆破次數的增加裂紋尖端的局部損傷累計引起巖體原有節理裂隙張開、錯動或延伸，使初始裂紋逐漸擴展形成細觀裂隙；隨著爆破次數逐漸增多，細觀裂隙逐漸連接貫通形成宏觀裂紋，對巖石原有結構面進行破壞，造成巖體損傷逐漸加大，其物理力學性能進一步劣化，表面質點振動速度緩慢降低。距離爆破中心較遠的巖體受振動波影響較小，其內部固有裂隙幾乎不發生擴展,但由于受到應力集中的影響，裂紋端部介質顆粒在振動波作用后局部會產生相對位置的變化和移動，這種不可逆的微量結構變形會隨著爆破次數的增加逐漸積累，造成裂隙尖端產生局部損傷。

當爆破振動波穿過巖體新增或本身固有裂隙時會產生波的反射以及繞裂隙缺陷衍射，造成其能量減小，使傳播速度及振幅降低，衰減系數(α)不斷增大，所監測質點的振動速度隨著爆破次數的增加不斷降低。隨著與爆源距離的增加，炸藥爆破對遠處圍巖的損傷作用越來越小，應力波在巖體內傳播的過程中能量不易被消耗，因此，隨著爆破次數的增加，隧道(硐庫)底部測點振動速度衰減速率與到爆源的距離成反相關。由于現場條件復雜，在距離爆源較遠的位置已對隧道圍巖進行了混凝土初噴以及錨桿支護，對圍巖的整體性有小幅度提高，會對爆破地震波的傳播造成一定的影響，使個別點的振動速度相較于前一次爆破有增大的情況。

從圖6可以看出，隧道底部測點衰減系數(α)與場地系數(K)隨著爆破作用次數的增加分別程增長與衰減規律。α、K可以分別反映振動波傳播過程中的地質與場地情況，兩者均可通過利用式(1)對爆破試驗得到的測點峰值振速、測點與爆源的距離、裝藥量等參數進行最小二乘法求解得到。巖體的物理力學性質隨著爆破次數的增加其劣化程度逐漸增大，造成K隨著爆破次數的增加呈逐漸減小的趨勢。測點到爆破中心的距離較遠，決定α變化規律主要是由中、遠區測點的爆破振動速度與衰減規律決定，且現場施工會對隧道底部圍巖造成一定的損傷，使α隨著爆破次數的增加存在增大速率加快的趨勢，但總體增大的速度較為緩慢。

根據表4數據繪制爆破振動頻率分別與距離以及爆破次數的關系圖，如圖7所示。由圖7可知，測點到爆源的距離以及爆破作用次數都會對爆破振動主頻的變化產生嚴重影響，隨著兩者的增大、增加，爆破振動主頻呈衰減趨勢，尤其是隨著距離的增加衰減情況更加顯著。靠近爆源處測點頻率相對較高，隨著距離的增加，測點頻率逐漸降低，這是因為巖石介質存在阻尼作用，對于高頻而言更容易被吸收。炸藥爆炸引起的地震波是一種含有各種頻率的寬頻帶波，且振動主頻受裝藥當量、傳播介質及傳播過程中地質條件等許多因素的影響。在爆破次數以及測點到爆破中心距離的共同作用下，振動主頻逐漸從118.519 Hz衰減到35.556 Hz，頻域跨越幅度較大，頻散現象較為顯著。此外隨著爆破次數的增加，圍巖損傷累計效應使其原生裂紋擴展，并產生新的裂紋，對原有結構面造成破壞。這種被破壞的結構面會對爆破振動主頻的傳播產生進一步的影響，使爆破地震波中的高頻部分被逐漸吸收，爆破頻率中的低頻部分占比逐漸增大。因此，隨著爆破作用次數的增加，圍巖損傷累積逐漸增大，對主頻中的高頻部分吸收作用明顯，爆破振動主頻逐漸降低。

4 結論

(1)在單次爆破作用下，隧道內測點振動速度隨著與爆破中心距離的增加而呈指數衰減，且衰減速率逐漸降低；在多次爆破作用下，隧道底部監測位置的爆破振動速度隨著爆破次數的增加逐漸減小，振速衰減速率隨著與爆破中心距離的增加逐漸降低。隧道頂部監測位置3個方向的振動速度均隨著爆破次數的增加而逐漸降低，但衰減速度各有不同，切向速度衰減最快，徑向衰減速度略小于垂向衰減速度。

(2)利用薩道夫斯基公式回歸得到隧道底部振動衰減系數α、場地系數K，隨著爆破次數的增加其值分別增大和減小，α緩慢增長，但增長速率逐步增大，K快速衰減。這是由于爆破次數的增加使圍巖損傷累積逐漸增大，造成地質條件部分劣化，引起α、K變化。

(3)測點爆破振動主頻與峰值振速在變化規律方面具有較好的一致性。由于巖石介質的阻尼作用，主頻中的高頻部分隨著與爆破中心距離的增加被不斷吸收；同時隨著爆破次數的增加，圍巖損傷程度持續增大，導致振動主頻逐漸減小。

(4)爆破次數的增加會逐漸增大圍巖的損傷程度，使爆破振速以及主頻衰減加劇，受保護對象處測得的振速峰值會很小，因此不能簡單地判斷被保護對象是安全的。建議今后制定安全標準以及振動危害安全評價要考慮多次爆破引起的損傷累積效應對振動波傳播與衰減的影響。