大跨度小凈距隧道中夾巖爆破振動控制與損傷判別

李小剛， 周先齊， 楊杭澎， 付曉強， 俞 縉

(1. 中鐵十二局集團第四工程有限公司， 陜西 西安 710000； 2. 廈門理工學(xué)院， 福建 廈門 361021; 3. 華僑大學(xué) 福建省隧道與城市地下空間工程技術(shù)研究中心， 福建 廈門 361021)

0 引言

當(dāng)今城市公路分岔隧道正向跨度擴大化和分岔形式復(fù)雜化發(fā)展[1-2]，分岔段的中夾巖柱及圍巖穩(wěn)定是隧道施工期和服役期安全的重中之重。公路隧道由于斷面較大，普遍采用鉆爆法掘進，但在爆破掘進的同時必然會引起圍巖及支護結(jié)構(gòu)的損傷,加之大跨度小凈距隧道中夾巖柱受力狀態(tài)復(fù)雜，易受爆破振動影響。因此，分岔段的合理凈距、開挖方式、中夾巖損傷和爆破振動控制等方面的研究受到了國內(nèi)外廣泛關(guān)注[3-5]，開展中夾巖穩(wěn)定性研究對小凈距隧道建設(shè)至關(guān)重要。

文獻[6-8]分別以高鐵長城站、鶴上隧道和七沖村1號隧道為工程背景，研究了爆破地震波在小凈距隧道中的分布特征和傳播規(guī)律； 吳小萍等[9]通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測，分析了爆破作用對隧道洞口巖體的損傷影響范圍； 張國華等[10]結(jié)合大帽山大斷面隧道研究了推進式往復(fù)爆破荷載作用下圍巖的損傷范圍；曹峰等[11]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，研究了循環(huán)爆破下小凈距中夾巖體累積損傷演化規(guī)律。然而，以上文獻的研究大多為凈距大于3 m的小凈距隧道，對于3 m以下的超小凈距中夾巖振動規(guī)律與損傷控制尚無可靠的工程實踐經(jīng)驗，相關(guān)理論研究也無法很好地指導(dǎo)該類型隧道工程施工。

本文依托廈門海滄疏港通道工程項目A標(biāo)段分岔隧道工程，該隧道分岔段最小凈距僅為1.22 m，屬于罕見的超小凈距隧道，此外緊鄰分岔段的隧道最大開挖寬度達30.51 m，亦不多見。通過對該隧道分岔段進行現(xiàn)場聲波測速及爆破測振試驗，分析爆破振動對超小凈距中夾巖的影響及其傳播規(guī)律，優(yōu)化現(xiàn)場爆破方案，從而達到控制中夾巖爆破振速及損傷范圍的效果，以期為本工程小凈距隧道爆破施工提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，同時也為今后超小凈距分岔隧道的開挖施工及爆破參數(shù)調(diào)整優(yōu)化提供科學(xué)指導(dǎo)和經(jīng)驗借鑒。

1 海滄疏港通道分岔隧道工程背景

海滄疏港通道工程作為海滄路網(wǎng)“四縱六橫”中的一橫，為連接第二西通道與廈成高速的集疏運通道，對于促進廈門進出島客貨運的快速集疏散，完善海滄區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，加速海滄經(jīng)濟開發(fā)區(qū)建設(shè)，促進廈漳經(jīng)濟聯(lián)合，改善廈門灣港口與漳州及龍巖之間交通等具有重要意義。該項目道路等級為城市快速路，雙向6車道，設(shè)計速度80 km/h，其中蘆疏段為地下互通工程，包括疏港通道主線隧道、蘆澳路主線(1 597 m)和 4 個轉(zhuǎn)向隧道匝道，其平面示意圖見圖1。

圖1 海滄疏港通道工程平面示意圖

海滄疏港通道工程A標(biāo)段隧道主要穿越燕山晚期第2次侵入花崗巖地層，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，以中風(fēng)化為主，主要節(jié)理為N10～39°E/65～85°S，部分裂隙填充石英脈，巖體較完整，地下水為基巖裂隙水，主要賦存于花崗巖節(jié)理及裂隙中，隧道開挖采用二臺階法，開挖順序如圖2所示。為了減少大斷面爆破振動對中夾巖墻的不良影響，主洞開挖35 m后，再進行匝道分部開挖，匝道分部開挖進尺同主洞，始終保持在35～40 m，匝道開挖下臺階靠近中夾巖墻側(cè)先行開挖，左右側(cè)錯開至少2～3榀拱架，且后行匝道開挖必須在主洞錨桿施作注漿漿液固結(jié)及初期支護達到一定強度、變形穩(wěn)定后才能進行，開挖后及時架設(shè)鋼支撐，施作錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴混凝土。

圖2 分岔隧道施工開挖順序示意圖

現(xiàn)場試驗監(jiān)測點位于疏港通道右線，樁號YK2+640～+670，該標(biāo)段為花崗巖地層，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，以中等風(fēng)化程度為主,節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較完整，均為Ⅲ級圍巖，未存在斷層破碎帶等不良地質(zhì)構(gòu)造帶。隧道現(xiàn)場施工概況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場施工概況

2 中夾巖振速傳播特性研究

2.1 監(jiān)測方案

為研究在小凈距情況下，隧道爆破開挖對中夾巖柱的影響，在分岔段開口每隔10 m布設(shè)4臺TC-4850型三向振速監(jiān)測儀，此處中夾巖厚度為1.22 m。為了避免頻繁布線對測試數(shù)據(jù)的影響，采用自適應(yīng)集成監(jiān)測方法，定制大容量鋰電池組對儀器持續(xù)供電，將測振主機、連接導(dǎo)線和供電組等集成在定制防護箱內(nèi)，傳感器通過角鐵固定安裝在隧道墻部并放置在儀器防護箱右側(cè)，避免爆破飛石破壞，具體如圖4所示。測試時設(shè)置采樣頻率為8 kHz，采樣時長為5 s，以保證采集信號的有效性和完整度。

現(xiàn)場爆破采用光面爆破方式，炮孔直徑為42 mm，在掌子面中心偏下位置布置掏槽眼，輔助眼均勻布置于掏槽眼和周邊眼之間。輔助眼、周邊眼孔深l=1.5 m，掏槽眼深度較輔助眼和周邊眼深10%～20%，周邊眼底部外傾3°～5°，采用1～20段非電毫秒延期雷管爆破。

圖4 測振儀器布置(單位: m)

2.2 爆破方案優(yōu)化

在前期現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測分析中，發(fā)現(xiàn)在原始爆破方案下部分測振數(shù)據(jù)達到了38.90 cm/s(如圖5所示)，超過了GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》標(biāo)準，即交通隧道在不同頻率下，振速不應(yīng)大于20 cm/s。

圖5 前期爆破振動監(jiān)測最大數(shù)據(jù)

經(jīng)過現(xiàn)場勘察和分析，發(fā)現(xiàn)由于該隧道采用二臺階法施工，上臺階爆破開挖時自由面較為單一，藥包受到夾制作用較大，產(chǎn)生振動作用較明顯；下臺階在爆破施工時，由于上臺階已開挖臨空面較大，對中夾巖的影響較小。

為此對主線隧道臺階法炮孔進行優(yōu)化： 上部臺階右側(cè)靠近中夾巖柱的炮眼加密，炮孔間距由原來的500 mm調(diào)整為400 mm，并間隔減振空孔隔一裝一，左側(cè)炮孔參數(shù)不變。由于空孔的存在，為空孔與裝藥孔之間的巖體破碎提供了一個自由面，爆破時巖體由傳統(tǒng)的受應(yīng)力波破壞主導(dǎo)變?yōu)槭芾炱茐闹鲗?dǎo)，受破壞的巖體擠壓在空孔內(nèi)，有利于隧道輪廓成型，減少超挖欠挖。空孔的設(shè)置在減少裝藥量的同時提高了爆破效果，充分發(fā)揮了炸藥的性能；并且，增加的自由面使得后續(xù)裝藥孔爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波得到了削減，從而達到控制中夾巖振速的目的。

優(yōu)化后周邊裝藥孔由35個減少至27個，單孔裝藥量為0.5 kg，單段裝藥量為13.5 kg，采用MS19段雷管起爆； 輔助孔單孔裝藥量由1.2 kg減少至1 kg，單段裝藥量為18 kg，采用MS17段雷管起爆；共設(shè)置減振空孔6個，節(jié)省炸藥11.2 kg。優(yōu)化前匝道炮孔布置如圖6所示，受雷管段別限制，底孔采用MS20段雷管，因底孔主要起爆堆拋擲、便于出渣機械鏟裝部的作用，因此底孔段別對爆破效果的影響甚微。優(yōu)化后上部臺階布孔示意圖見圖7，周邊眼裝藥形式如圖8所示。

圖中數(shù)字1，3，5，7，…，19代表雷管段別；下同。

圖7 優(yōu)化后上部臺階布孔示意圖

左側(cè)，炮眼間距500 mm；右側(cè)，炮眼間距400 mm。

實踐表明，炸藥單耗是決定爆破后巖石塊度的重要影響因素，合理的巖石塊度對于減少單循環(huán)作業(yè)時間具有積極作用，也是評價爆破方案優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一。經(jīng)過現(xiàn)場試爆對比，炮孔優(yōu)化后由于炸藥單耗降低導(dǎo)致爆破后偶見大塊，但均可滿足鏟裝機械的出渣要求，爆破效果較為理想，說明上述參數(shù)優(yōu)化是合理且切實可行的。

2.3 中夾巖振速傳播規(guī)律分析

2.3.1 爆破振動速度分析

經(jīng)過后期現(xiàn)場監(jiān)測，海滄疏港通道分岔隧道的監(jiān)測振速已降低至國家標(biāo)準以內(nèi)，最大振速相較優(yōu)化前振速降低了67.4%，且在16次爆破后中夾巖振速已遠低于業(yè)主規(guī)定值(距掌子面30 m處振速小于5 cm/s)，如表1所示。

表1 部分爆破振動速度監(jiān)測數(shù)據(jù)

為了更好地分析中夾巖的振速傳播規(guī)律及影響因素，取距離掌子面12 m處振速波形圖進行研究，其爆破振速波形及三矢量合成速度結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

由圖9和圖10可知，由不同炮眼爆炸形成的應(yīng)力波雖然出現(xiàn)了一些波形重疊的情況，但是只有輕微疊加，可以判斷出不同類型炮孔爆破所對應(yīng)的質(zhì)點最大振速。測點最大振速由掏槽孔產(chǎn)生，原因在于掏槽孔自由面單一，巖體夾制作用顯著，且其相較于周邊孔和輔助孔裝藥量更為集中。掏槽孔槽腔形成后，為后續(xù)炮孔起爆提供了新的自由面，爆炸能量更多用于巖體移動而非破碎，故此時監(jiān)測到的振速略小。由此可見，影響中夾巖振動的因素主要為掏槽孔的裝藥量和爆心距。并且從圖10可以看出，合成速度振速峰值比3個方向的振速峰值都要大，為11.72 cm/s，這是由于同一段地震波在不同距離內(nèi)沿空間3個方向?qū)r石所造成的振動效應(yīng)影響有所差異。3個方向的矢量合成速度一般比單向的最大質(zhì)點峰值振動速度大，出現(xiàn)時刻也有所不同。因此，在考慮最大振速安全范圍時，不僅需要判別3個方向的分速度，也要對合成速度進行考察。

(a) x向

(b) y向

(c) z向

圖10 三矢量合成速度結(jié)果

2.3.2 數(shù)學(xué)回歸模型分析

大量實測數(shù)據(jù)表明： 采用微差爆破時，單段炮孔的最大裝藥量決定隧道開挖爆破質(zhì)點最大振速，與微差爆破的總裝藥量關(guān)系不大[12]。目前，國內(nèi)外研究爆破振動效應(yīng)及質(zhì)點峰值速度多數(shù)通過薩道夫斯基公式(簡稱薩氏公式)建立數(shù)學(xué)模型，來分析和預(yù)測隧道爆破振動傳播規(guī)律，具體公式如下：

v=K(Q1/3/R)α。

(1)

式中：v為質(zhì)點振動速度，cm/s;R為爆心距，m;Q為裝藥量，kg，由于本工程采用微差爆破即為單段最大裝藥量;K、α分別為與爆破條件、巖石介質(zhì)特征有關(guān)的場地系數(shù)、衰減系數(shù)。

研究表明，薩氏公式不適用于計算隧道近區(qū)的爆破振速，故應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對隧道遠、近區(qū)進行劃分。本文采用張在晨等[13]提出的以速度衰減曲線斜率k′的大小來區(qū)分隧道遠、近區(qū)。即當(dāng)k′<-5時，振動速度衰減較快，為隧道爆破振動近區(qū)；當(dāng)-5≤k′<-1時，振動速度衰減減緩，為隧道爆破振動中區(qū)；當(dāng)k′>-1時，振動速度衰減較慢，為隧道遠區(qū)。

根據(jù)經(jīng)驗公式擬合可得：

v=131.53(Q1/3/R)1.6324。

(2)

經(jīng)驗公式擬合結(jié)果如圖11所示。

圖11 經(jīng)驗公式擬合結(jié)果

由式(2)可知，巖石介質(zhì)特征衰減系數(shù)α介于中硬巖類的經(jīng)驗取值，場地系數(shù)K符合現(xiàn)場花崗巖地層的巖性特征，較為準確地反映了隧道掘進過程中的場地條件特征。 因此，采用薩式公式進行擬合，精度較高、相關(guān)性較好，揭示了爆破地震波在該地段的傳播特性。在后續(xù)隧道施工過程中可參考該公式對爆破振動參數(shù)進行預(yù)判。同時，須繼續(xù)加強中夾巖相關(guān)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果不斷調(diào)整和優(yōu)化爆破參數(shù)，保障隧道施工過程安全。

3 超大跨度隧道中夾巖損傷范圍監(jiān)測分析

大量工程實踐表明，大跨度小凈距隧道在爆破沖擊波和爆破地震波作用下，中夾巖體會產(chǎn)生明顯的損傷效應(yīng)，且通常是由于多頻次爆破損傷累積作用導(dǎo)致圍巖內(nèi)部各種細觀結(jié)構(gòu)缺陷，如微裂紋、微孔隙相互作用、擴展貫通引起的材料或結(jié)構(gòu)的劣化過程[14]。若僅以某次爆破引起的損傷對中夾巖穩(wěn)定情況進行全面的評定，顯然是有失偏頗的。因此，開展多次爆破作用下中夾巖體損傷研究對保持該小凈距隧道施工穩(wěn)定具有重大意義。此外，采用對拉錨桿加固對抑制中夾巖損傷擴展也發(fā)揮著一定積極作用，但由于其影響因素較復(fù)雜，本文未考慮中夾巖加固對振動損傷的影響。

3.1 聲波測試方案

測試采用ZBL-U5200非金屬超聲檢測儀和一發(fā)雙收探頭組成的聲波測試儀，測試時沿中夾巖側(cè)拱腰1.5 m，打設(shè)傾角10°、孔徑40 mm、深4 m的監(jiān)測孔，孔間距為5 m，具體鉆孔位置剖面和平面示意分別見圖12和圖13。

圖12 隧道鉆孔位置剖面圖

圖13 先行隧道鉆孔位置平面示意圖(單位： m)

測試時往測孔內(nèi)注滿水，將探頭放至孔底，監(jiān)測孔底處的聲波速度，隨后按一定間隔向孔口移動，并同步記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)此操作循環(huán)測至孔口。

3.2 測試結(jié)果分析

選擇YK2+640典型斷面里程處數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計結(jié)果如圖14所示。

由圖14可得,隧道拱腰深度為1.5～2.7 m時，巖體聲波速度普遍在5 000 m/s以上，說明此范圍內(nèi)圍巖受爆破影響較小，相對較完整。深度為0.5～1.5 m時圍巖聲波速度從5 000 m/s下降至3 000 m/s左右，如圖14(a)所示，此段聲波速度-沿孔深度關(guān)系曲線的斜率較大，反映出聲波速度急劇下降，說明此部分巖體受爆破荷載影響較大，應(yīng)力波在裂隙巖體中傳播，由于裂隙處存在多個反射面，從而在局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部過度破碎，圍巖完整性變差。

(a) 中夾巖聲波速度

(b) 側(cè)面聲波速度

側(cè)面巖體整體聲波速度高于中部巖體聲波速度，究其原因是爆破振動和施工擾動導(dǎo)致中夾巖柱發(fā)生整體振動，使得中夾巖柱損傷巖體產(chǎn)生相對運動，此時巖體會沿著初次爆破產(chǎn)生的主裂紋發(fā)生一定程度的擴展。前幾次爆破對巖體聲波速度的影響較為強烈，整體聲波速度跌落幅度較大，在后續(xù)測試中巖體聲波速度逐漸趨于穩(wěn)定，究其原因是隨著掘進施工的不斷進行，掌子面與測試斷面的距離加大，爆破振動和施工擾動對中夾巖影響越來越小，巖體中的主裂紋擴展趨于緩慢，故中夾巖及側(cè)面巖體聲波速度趨于穩(wěn)定。

由圖14可以看出，在經(jīng)過爆破荷載作用后，圍巖聲波速度并不是單調(diào)下降，而是呈現(xiàn)波動式下降。這是因為當(dāng)掏槽眼炸藥爆炸后，爆破產(chǎn)生氣體在炮孔中發(fā)生等熵絕熱膨脹，周圍巖體在爆破荷載和應(yīng)力波的作用下產(chǎn)生切向拉應(yīng)力[15]，在拉應(yīng)力達到巖體的抗拉強度之后，巖體發(fā)生破裂。由于巖體表面的不規(guī)則性及初始裂縫的不均勻性，應(yīng)力波傳遞至巖體內(nèi)部的大小也有差異，故導(dǎo)致試驗測得的聲波速度也在一定范圍內(nèi)波動。另外，由于巖體內(nèi)存在結(jié)構(gòu)面，不同的結(jié)構(gòu)面以及不同的初始裂隙發(fā)育程度對應(yīng)力波及爆炸產(chǎn)生的膨脹氣壓也有一定的影響[16]，導(dǎo)致聲波速度波動式下降。

3.3 巖體損傷分析

基于超聲波測試法，同時根據(jù)爆破前后巖石彈性模量的變化[17]，前人給出了損傷變量D的表征方法，如式(3)所示。

(3)

式中E0、E為爆破前、后巖體的彈性模量。

由于采用光面爆破控制隧道開挖，周邊圍巖的力學(xué)參數(shù)在爆破前后不會發(fā)生本質(zhì)上的變化[18]，故假定爆破前后巖體的密度和泊松比近似相等，根據(jù)《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》，爆破前后巖體聲波速度變化率>10%時，即判定巖體發(fā)生損傷破壞[19]。所以，損傷變量

(4)

式中：C為爆破后巖體聲波速度；C0為爆破前巖體聲波速度；η為爆破前后巖體聲波速度變化率。

根據(jù)以上規(guī)范和前人的研究成果，取初次爆破前與多頻次爆破后巖體聲波速度變化的10%作為巖體損傷判據(jù)[20]，其對應(yīng)的損傷變量為D=0.19，本文取臨界損傷變量D=0.2為判斷巖體損傷的臨界損傷閾值。根據(jù)式(4)得出損傷變量D，結(jié)果見圖15。

圖15 YK2+640中夾巖累積損傷統(tǒng)計圖

由圖15可知： 隨著爆破的不斷進行，圍巖的累積損傷逐漸增大，測點斷面越靠近孔口損傷越嚴重，D值最大達到了0.88，說明此時圍巖損傷已經(jīng)臨近破壞，需加強中夾巖表層加固； 同時越接近中夾巖內(nèi)部，巖體的損傷程度越小。當(dāng)開挖掌子面逐漸遠離監(jiān)測斷面，測孔的損傷變量范圍并沒有不斷擴大，而維持在1.4～1.6 m，這是由于在爆破振動的作用下，巖體的骨架顆粒之間的錯位運動造成應(yīng)力波的衰減[21]，從而使內(nèi)部巖體受到地震波的影響較小。該段圍巖損傷范圍在1.5 m左右，基于此后續(xù)中夾巖支護可根據(jù)損傷變量范圍采用合理的支護形式。

4 結(jié)論與討論

綜合現(xiàn)場試驗及現(xiàn)場監(jiān)測，得出以下結(jié)論：

1)小凈距隧道爆破的裝藥量和自由面數(shù)量是影響中夾巖爆破振速的主要原因，通過控制中夾巖側(cè)的裝藥量與設(shè)置隔振空孔可以大幅度降低中夾巖的爆破振動效應(yīng)，優(yōu)化前后振速降低了67.4%，減少了爆破對中夾巖的損傷。

2)薩氏公式對預(yù)測大跨小凈距隧道中遠區(qū)中夾巖振動的規(guī)律較為準確，從而可準確把握隧道爆破振動波傳播規(guī)律和爆振次生災(zāi)害的影響范圍，制定相應(yīng)的應(yīng)對措施。

3)隧道鉆爆法施工產(chǎn)生的累積損傷，對中夾巖的穩(wěn)定會產(chǎn)生顯著影響，距離爆源越近，受到的損傷越嚴重，其損傷影響范圍為距圍巖表面1.5 m范圍內(nèi)，后續(xù)應(yīng)加強該范圍內(nèi)損傷監(jiān)測并進行支護方案優(yōu)化。

由于中夾巖加固形式及作用機制的復(fù)雜性，本文沒有考慮中夾巖加固對中夾巖損傷范圍的影響，后續(xù)可以結(jié)合中夾巖加固對中夾巖損傷影響進行進一步探究。