累積效應下初支混凝土爆破損傷規律研究

王海龍，李 帥, 趙 巖

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點試驗室，河北 張家口 075000 ；2.河北寒冷地區交通基礎設施工程技術創新中心，河北 張家口 075000；3.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

鉆爆法施工中，在循環爆破作業下，初支混凝土往往要在達到終凝強度前承受循環的爆破荷載的沖擊。這必然會引起初支混凝土內部產生劣化，導致其宏觀力學性能降低[1-2]，減弱支護結構的支承能力，進而威脅到隧道內施工人員的人身安全。因此對初支混凝土在循環爆破作用下的損傷規律的研究很有必要。

聲波測試作為一個無損的測試方法，具有操作簡便性、成果易判讀等優點，因此，學者們越來越多使用此方法研究爆破損傷效應。夏文俊等[3]基于不同爆破方式下爆前爆后巖體聲波速度的對比檢測數據以及壩基巖體鉆孔內預埋速度傳感器的振動測試結果，建立壩基巖體損傷程度與質點峰值振速的對應關系，提出與聲波速度降低率相關的質點峰值振速安全閾值; Yong Fang等[4]利用超聲波檢測對豎井周圍的爆破損傷區(BDZ)進行了測試，并將其納入收斂約束法(CCM)和三維數值分析中，以評估BDZ對圍巖襯砌的影響；單仁亮等[5]研究發現，距掌子面的距離與噴射混凝土累積損傷之間存在退化的非線性關系。

現有研究成果主要集中在圍巖的爆破損傷效應[6-10]，而對初支混凝土的爆破累積損傷研究相對較少[11-12]。為研究初支混凝土的爆破累積損傷，本文引入等效距離和等效藥量的概念，通過優化爆破損傷公式研究初支混凝土考慮累積效應的爆破損傷規律。

1 工程監測

1.1 工程背景

本文以某鐵路隧道正洞爆破工程為背景，正洞洞身主要穿越早遠古代變質巖系紅旗營子群斜長片麻巖等，弱風化，節理裂隙發育，巖體較完整圍巖穩定性一般～較差，初期支護采用C25噴射混凝土。本文使用的爆破振動信號和噴射混凝土的聲波數據均由此隧道正洞小里程鉆爆法施工產生。

1.2 監測方案

爆破振動信號的采集使用M20型爆破測振儀，同時采集x、y、z方向上的爆破振動速度，并對所測數據進行初步分析并提取質點峰值振速(PPV)，數據采集過程中使用不銹鋼夾片將傳感器固定于隧道內線路行進方向右側約1.5 m高度處，傳感器y方向指向隧道掘進方向，x方向指向隧道徑向，z方向垂直于xy平面上。聲波波速的采集使用RSM-SY5(T)非金屬聲波檢測儀采集現場爆破施工前后爆破振速監測點旁所設觀測點的聲波數據，測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置Fig.1 Layout of measuring points

2 振速衰減規律

考慮到分段爆破同一段位的多個炮孔與振動傳感器的距離不相同，各段位炮孔裝填炸藥量也不同，為此使用等效藥量和等效距離代替最大段位藥量和爆心距[13]：

(1)

(2)

式中：R′為等效距離；Q′為等效藥量；qi為同段第i個炮孔裝藥量；ri為同段第i個炮孔距離傳感器的距離。

各測點PPV及對應的爆破參數如表1所示，通過式(1)和式(2)即可得到基于薩道夫斯基公式的振速衰減公式：

(3)

分別由薩道夫斯基公式和式(3)對表1數據進行擬合，可得到PPV值的預測公式：

(4)

(5)

式(4)和式(5)預測的PPV值與實測數據對比如表2所示，除個別測點外，式(5)預測值的相對誤差皆小于式(4)。

表1 各測點PPV及對應的爆破參數

表2 預測數據與實測數據對比

3 爆破損傷規律

初支混凝土在循環爆破作用下宏觀力學性質的劣化，可表現在聲波速度的降低[14-16]，現場采集的聲波數據如表3所示。

表3 各測點聲波監測數據

在計算圍巖累積損傷時，工程上常使用同部位爆破前后圍巖聲波速度變化率η來衡量損傷度D，即

(6)

式中：v0和v分別為爆破前、后的圍巖聲波速度。

隧道初期支護混凝土在循環爆破荷載作用下，其力學性能的不斷劣化，可用公式表示為

(7)

式中：E0為爆破前圍巖的彈性模量。

根據彈性力學相關知識，爆破前巖體聲波縱波波速為

(8)

式中：E為圍巖的彈性模量；ρ為圍巖密度；μ為泊松比。

聯立式(6)～式(8)，可得

(9)

則損傷增量可表示為

(10)

式中：ΔDi為第i次(i=1,…,n)爆破后初支混凝土損傷增量；vi為第i次爆破作用后初支混凝土的聲波速度。

故第n次爆破作用后，初支混凝土的累積損傷度可表示為

(11)

式中：D0為初支混凝土的初始損傷，本文中假設初始損傷D0取值為0。

爆破前后損傷增量ΔD和累積損傷D如表4所示，除1號測點外，經過5次爆破后累積損傷D均大于或等于0.19，達到臨界破壞值[17]，可以認為爆破作用對初支混凝土產生了損傷。

表4 爆破前后損傷增量和累計損傷

分析表3和表4數據即可得到初支混凝土累積損傷規律(見圖2)，隨著爆破次數增加，累積損傷也在變大，但損傷增量卻在逐漸減少，與損傷增量圖像相應的是爆破累積損傷呈斜率逐漸減小的非線性增長，主要原因在于距離爆破中心距離越來越遠，爆破作用影響逐步減弱。損傷增量與等效距離的關系與PPV隨等效距離增加的衰減規律具有相似性(見圖3)。經Shapior-wilk檢驗，PPV和損傷增量均符合正態分布，且Pearson相關性系數均大于0.97，顯著性檢驗結果顯示PPV和損傷增量具有較為顯著的線性相關性(見表5)。通過使用損傷增量數據對PPV衰減公式進行擬合，擬合后的r2均大于0.9，擬合結果如下

(12)

圖2 爆破損傷與損傷增量的變化規律Fig.2 Variation law of blasting damage and damage increment

圖3 損傷增量和PPV隨等效距離變化的關系Fig.3 The relationship between damage increment and PPV with equivalent distance

表5 損傷增量和PPV相關性檢驗

4 結論

1)用等效藥量和等效距離代替最大段位藥量和爆心距得到的PPV衰減公式與傳統的薩道夫斯基經驗公式相比，PPV值的預測結果更加接近實測值。

2)根據彈性力學相關知識推導了爆破損傷增量的公式， 5個測點爆破損傷增量的計算結果表明，距爆源較近的4個測點在5次爆破后均達到了爆破損傷限值0.19，可以認為爆破作用對初支混凝土產生了不利影響。

3)爆破累積損傷隨爆破次數呈非線性增加的規律，但損傷增量隨爆破次數增加呈現逐漸減小的趨勢，損傷增量隨等效距離變化的關系與PPV衰減規律相似且損傷增量和PPV具有較為顯著的線性相關性。