層狀巖體隧洞爆破引起的非對稱振動傳播規律研究

劉西森 于建新 魏海霞 吳衛東 姜 波

(1.河南理工大學土木工程學院,河南 焦作 454003;2.新疆兵團水利水電工程集團有限公司,新疆 烏魯木齊 830054;3.新疆第八師石河子市水利工程管理服務中心,新疆 石河子 832000)

Wei等[3]使用灰色關聯度分析法,對淺埋隧道中爆破振動的影響因素進行了研究,指出第一段藥量是影響爆破振動質點峰值速度的主要因素。Tian等[4]在分析超大斷面淺埋隧道爆破振動在地層中的傳播規律時,也指出爆破振動能量主要來自一次掏槽爆破。Guan等[5]研究了凈距、起爆藥量和管道形狀等因素對振動速度的影響,得出質點峰值速度隨掏槽孔裝藥量的增加和凈距的減小而增大的振動規律。楊建華等[6-7]針對深埋隧洞鉆爆開挖誘發的圍巖振動特性進行研究,得到了爆破荷載上升時間及開挖面尺寸對振動頻率的影響規律。吉凌等[8]對隧道開挖斷面不同位置的振動衰減規律進行研究,得到了三向振動速度在隧道斷面不同位置的傳播規律。鄧華鋒等[9-10]以導流洞地質為背景,結合“高差效應”分析了質點振動速度的方向效應,并對傳統爆破振動波衰減公式進行了修正。王超、汪平、馮陽陽等[11-13]基于數值模擬,并結合現場監測數據,得到了不同埋深的城市淺埋隧道爆破振動對臨近地表的衰減規律。范勇等[14]針對在深埋洞室的爆破開挖過程中,高地應力條件對于圍巖振動的影響進行研究,得出了地應力瞬態卸荷誘發振動的衰減規律。葉紅宇等[15]針對爆破振動在隧道支護襯砌混凝土上的危害累積效應,分析了振動能量隨距離和爆破次數的衰減規律。楊小林等[16]結合薩道夫斯基公式,分析了在隧洞多次爆破損傷累積效應下,爆破振動的傳播衰減規律。Chen等[17]以木寨嶺隧道實測振動數據為基礎,結合Sadov非線性回歸、傅立葉變換等方法,分析了爆破振動在軟弱巖體中的傳播規律。陸瑜等[18]通過有限元數值模擬,分析了層狀圍巖隧道圍巖和支護結構在爆破振動下振速的分布規律。Zheng等[19]通過數值計算得振動速度與現場進行對比,指出質點振動速度的疊加可能會因波的干擾而減小振動,或放大圍巖對爆破振動的響應。

綜上,國內外研究學者對隧洞爆破誘發的洞內振動傳播規律進行了大量研究,取得了一定的研究成果,但對于層狀巖體爆破誘發的非對稱振動特征的研究相對較少。本研究以奎屯河引水隧洞為工程背景,對現場爆破開挖引起的洞內振動速度進行監測,分析兩側拱腰、拱肩及拱頂的振動速度,提出非對稱系數的概念,詳細分析隧洞爆破開挖引起的洞內非對稱振動傳播規律,可為層狀巖體隧道爆破開挖振動控制及穩定性分析提供參考。

1 工程概況

新疆奎屯河引水工程總長11.2 km,隧洞工程區地勢南高北低,海拔500～4 800 m,受北天山緯向構造控制,地形具有分帶性。南部依連哈比爾尕山為構造剝蝕高山—中山區,北部準噶爾盆地南緣為構造剝蝕低山區和向北傾斜的沖洪積平原區。引水工程位于6.5級潛在震源區,圍巖主要為石炭系中統巴音溝組凝灰質砂巖,以中硬巖—堅硬巖、微風化為主,以Ⅲ類、Ⅳ類,Ⅴ類圍巖類型為主。

此次現場實驗以二標段1#支洞為背景,該標段隧洞全長3 420 m,設計縱坡0.1%,(樁號2+095～3+880)、1#支洞(3+880)、山區隧洞(3+880-5+515),在樁號 3+880處設置 1#施工支洞,1#施工支洞長325 m。引水隧洞洞身為城形洞,正常引水流量48.5 m3/s,冬季引水流量2.52 m3/s。1#支洞掌子面處圍巖條件為Ⅲ類,地層巖性為石炭系中統巴音溝組第三亞組(C2bc)凝灰巖,灰黑色,為中硬巖,巖體節理裂隙發育,完整性差,呈鑲嵌結構,洞室位于微風化—新鮮巖體中,上覆巖體厚度53～280 m。巖層向右微微傾斜,與地面接近垂直狀,與掌子面開挖方向成90°夾角,為順層節理,掌子面地質條件及節理發育情況如圖1所示。

圖1 掌子面地質條件Fig.1 Geological conditions of working face

2 試驗方案

2.1 爆破方案

隧洞開挖施工采用“新奧法”施工工藝,全斷面掘進,不良地質洞段及時跟進安全支護。隧洞開挖采用楔型掏槽的光面爆破方法,人工手持YT-28手風鉆鑿孔,炸藥為2#巖石乳化炸藥,電子數碼雷管起爆,每段延遲為50 ms。實驗段隧洞開挖最大直徑6.0 m,高6.05 m,襯砌厚0.4 m,斷面面積32.4 m2,循環進尺3 m,炮孔總數為115個,總裝藥量126 kg,炸藥單耗1.235 kg/m3,爆破布置如圖2所示,爆破參數如表1所列。

表1 爆破參數Table 1 Blasting parameters

圖2 炮孔布置Fig.2 Arrangement of blastholes

2.2 監測方案

為分析爆破引起的洞內振動傳播規律,在爆破掌子面后方一定范圍內,沿隧洞縱向兩側邊墻位置處各布置3個測點,在隧洞環向的拱腰、拱頂布置3個測點,如圖3所示。其中,LA為縱向左側第1個測點,RA為縱向右側第1個測點,LM1為縱向左側第2個測點,RM1為縱向右側第2個測點,LB為縱向左側第3個測點,RB為縱向右側第3個測點,LM2為環向拱腰左側測點,RM2為環向拱腰右側測點,T為環向拱頂測點。掌子面樁號為4+064.8,第一測點距掌子面18.7m,環形測點布置斷面距掌子面根據測距儀實測為26 m,縱向測點第一個間距為7 m,第二個間距為3.5m,邊墻測點高1.5m,拱腰測點高3.5m,拱頂測點高6 m。

圖3 振動監測方案Fig.3 Scheme of vibration monitoring

在每個測點布置TC-4850振動監測儀和配套的三矢量傳感器。傳感器X方向指向振源中心,Y方向垂直隧道壁,Z方向為豎直方向,用石膏粉和成糊狀將傳感器固定在隧洞壁上,使傳感器與隧洞壁剛性接觸,并用膨脹螺絲加鐵片固定,防止脫落,外部安裝自制焊接的保護鐵盒,防止爆破飛石損壞儀器和傳感器,避免誤觸發,保證數據的準確性。

3.2 視頻反饋實驗操作過程，及時矯正實驗操作規范實驗教學過程中，有很多的實驗操作環節需要及時互動，特別是一些學生不規范操作需要及時反饋糾正，一些典型的實驗現象需要及時分享與分析，而智能手機既可以拍照、拍視頻，又可以利用無線網絡與電腦連接，可及時傳送到多媒體，實現及時互動與反饋。

3 監測結果分析

中國《爆破安全規程》(GB6722—2014)中以振動速度為主要控制標準,因此以振動速度為主要分析對象。爆破方案中,共分7個段別,實測曲線也顯示為7個典型波形,以拱頂測點為例,如圖4所示。各測點實測三向振動速度的峰值,如表2所列。

表2 各測點三向峰值振速Table 2 Three-direction peak vibration velocity of measuring points

圖4 拱頂測點實測三向振動波形Fig.4 Three-direction vibration waveform of vault monitoring point

3.1 環向測點數據分析

以1段掏槽孔、4段輔助孔、5段周邊孔、7段底板孔爆破引起的振動數據為例,分析隧洞全斷面爆破條件下,各爆破段引起隧洞環向測點的三向振速及傳播衰減特性,如圖5所示。

從圖5可以看出,隧洞兩側環向的振動規律在X方向的掏槽、輔助、周邊段為左側拱腰＞邊墻,右側邊墻大于拱腰,呈相反趨勢;底板段最大值在拱頂,兩側拱腰＞邊墻,呈相同趨勢。Y方向的最大振速都出現在隧洞的左側拱腰位置處,在掏槽、輔助、底板段振動規律為左側拱腰＞邊墻,右側邊墻大于拱腰,呈相反趨勢;在周邊段為兩側拱腰＞邊墻,呈相同趨勢。Z方向的質點峰值振速在掏槽、輔助、周邊段為拱頂最大,在底板段為拱頂振速最小,振動規律在四段別都為兩側邊墻＞拱腰,呈相同衰減趨勢。

圖5 隧洞環向測點典型段別三向振速對比Fig.5 Comparison of three-direction vibration velocity in typical section of tunnel ring measuring point

有學者指出隧洞兩側測點Y方向的振速邊墻大于拱頂;拱頂測點Z方向質點峰值速度大于隧洞兩側[8];且隧洞對稱兩側測點質點峰值振速不同,但相差不大[18]。通過現場測試發現,洞內振動速度傳播受到節理的影響,兩側振速表現出一定的非對稱性。為分析隧洞兩側振動的非對稱特征,此處引入非對稱系數的概念,即隧洞兩側對稱位置測點同一方向振速最大值與最小值的比值。

利用式(1)計算得到環向邊墻、拱腰位置三向振速非對稱系數,如表3所列。

表3 環向位置非對稱系數Table 3 Asymmetric coefficient of circumferential position

從表3中可以看出,X方向的非對稱系數在1.2～1.8,非對稱特征明顯,邊墻位置左側振速是右側的1.5～1.6倍;拱腰位置在掏槽、輔助、周邊段為右側振速＞左側,振速相差1.6～1.8倍,在底板段左側振速是右側的1.2倍。Y方向非對稱系數在1.1～2.5,浮動區間大,邊墻位置掏槽段左側振速是右側的1.1倍,非對稱特征較為不明顯,在輔助、周邊、底板段左側振速是右側的1.3～1.6倍,非對稱特征較為明顯;拱腰位置的左側振速是右側振速的1.5～2.5倍,非對稱特征明顯。Z方向邊墻位置的非對稱系數在1.1～1.8,掏槽、周邊段表現為兩側振速相差1.1倍,非對稱特征較為不明顯,在輔助、底板段表現為左側振速是右側振速的1.6～1.8倍,非對稱特征明顯;拱腰位置非對稱系數穩定在1.5,掏槽段的左側振速大于右側振速,輔助、周邊、底板段右側振速大于左側振速。

非對稱振動特征的呈現,是由于振動在傳播過程中受到順層節理以及炮孔位置的影響。

(1)以掏槽段為例,由圖5結合節理角度和炮孔布置位置進行分析:掏槽孔分布在掌子面的中下部,爆破后振動傳播到掌子面輪廓的過程中,受到順層節理的削弱和振動波相互的抵消,而拱頂測點的質點振動接近垂直向上傳播,受到節理和振動波影響較小,原理如圖6所示,形成了在X-徑向和Y-切向上振動拱頂的質點峰值振速較大,甚至存在大于隧洞壁兩側質點峰值振速的現象;在Z-垂向的振動呈現為拱頂最大,兩側拱腰大于拱肩的趨勢,且非對稱的特征。

圖6 掏槽段振動傳播原理Fig.6 Principle of vibration propagation in cutting section

(2)輔助孔分布在掌子面上部,距離拱頂測點更近,爆破后振動傳播到掌子面輪廓的過程中,對于拱頂方向的傳播衰減較掏槽段更小,而對于隧洞兩側測點方向上的傳播衰減較掏槽段更大,所以在X方向和Z方向的數據上,拱頂測點的質點峰值振速都是最大的;Y方向的振動對于隧洞邊墻的影響更大,但因順層節理的存在,出現了拱頂質點峰值振速較大的現象。

(3)5段周邊孔為兩側周邊孔,隧洞兩側測點距爆源更近,爆破后振動傳播至掌子面輪廓的過程中,對于拱頂方向的振動傳播衰減較大,所以在X方向和Y方向的數據上,拱頂測點的質點峰值振速都是最小的,呈現了Y方向的振動對于隧洞邊墻的影響更大的特點;在Z方向上的振動,拱頂質點峰值振速仍是最大的,隧道兩側Z方向的振動傳播趨勢也相同。

(4)底板孔在隧道掌子面的最下部,爆源距拱頂測點的距離最遠,拱肩次之,拱腰最近。爆破后振動在傳播中,對于拱頂方向的水平振動和垂向振動受到順層節理和距離的影響較大,所以拱頂測點的質點峰值振速最小。X方向和Z方向上的振動規律均出現了隧洞兩側趨勢相同,但非對稱振動的特征,X方向上質點峰值振速呈現為拱頂＞拱肩＞拱腰;Z方向上質點峰值振速呈現為拱腰＞拱肩＞拱頂。

爆破振動的傳播受到節理和地層因素的影響,在隧洞環向斷面上順層節理使爆破引起的非對稱振動特征更加明顯。

3.2 縱向測點數據分析

同樣以1段掏槽孔、4段輔助孔、5段周邊孔、7段底板孔爆破引起的振動數據為例,分析隧洞全斷面爆破條件下,各爆破段引起隧洞縱向測點的三向振速及傳播衰減特性,如圖7所示。

從圖7中可以看出,X方向的振動曲線在4段別整體上呈現為左側測點振速大于右側振速,且隨爆源距增加而振速減小,振動衰減的趨勢,但兩段衰減幅度不同,第一個測點間距是第二個測點間距的2倍,第一段的振速衰減幅度大于第二段。Y方向和Z方向的振動曲線在4段別整體上呈現為左側測點振速大于右側振速,但在第一測點和第二測點間的振動曲線,呈現為隨距離增加,振速減小;在第三測點出現振速增大,第二段振動曲線振動上升的現象,且振動在掏槽、輔助、周邊段上升幅度較底板段更大。

圖7 隧洞兩側縱向測點典型段別三向振速對比Fig.7 Comparison of three-direction vibration velocity in typical section of tunnel longitudinal measuring point

利用式(1)計算得到縱向邊墻各位置三向振速非對稱系數,如表4所列。

表4 邊墻位置非對稱系數Table 4 Asymmetric coefficient of sidewall position

從表4中可以看出,X方向的非對稱系數在1.2～2.9,振速曲線相差較大,非對稱特征明顯。Y方向的非對稱系數在1.1～3.4,第一測點在掏槽、周邊、底板段的兩側振速相差1.5～3.4倍,非對稱特征明顯,在輔助段為1.1倍,非對稱特征較不明顯;第二、三測點在掏槽、周邊段的兩側振速相差1.1倍,第二段振速曲線較為接近,非對稱特征較不明顯,在輔助、底板段的振速比為1.3～1.8,非對稱特征較明顯。Z方向的非對稱系數在1.1～2.4,第一、三測點兩側振速相差1.3～2.4倍,非對稱特征明顯;第二測點在掏槽、周邊段的兩側振速相差1.1倍,非對稱特征不明顯,在輔助、底板段的振速比為1.7～1.8,非對稱特征較明顯。

振速增大的現象是由于在隧洞繼續開挖后形成空洞,空洞放大效應對測點位置的振動造成了影響。由圖7結合空洞效應進行分析:在第一、第二測點間,測點間距較大時,三方向振動曲線衰減趨勢明顯。在第二、第三測點間,測點間距較小時,X方向的振動曲線衰減趨勢依舊明顯,受空洞效應的影響較小;Y方向及Z方向的振動曲線呈上升趨勢,且Y方向的上升幅度更大,所以受空洞效應的影響程度為Y方向＞Z方向＞X方向。由表3可以得出,第二、第三測點受到空洞效應后,三向4段別前后位置非對稱系數平均漲幅分別為X方向0.52、Y方向0.05、Z方向0.48,可以看出受到空洞效應影響程度越大,非對稱特征越不明顯。這是由于空洞放大效應均出現了振速變大的現象,呈現出振動上升趨勢,縮小了兩側測點振動峰值的差距,使非對稱特征不明顯。

在隧洞縱向的傳播過程中,即使是隧洞兩側距離掌子面相同距離的位置,其振動峰值及衰減規律也不相同。在隧洞縱向兩側的振動傳播及非對稱振動特征,不僅受到節理的影響,還受到距掌子面的距離、測點間距及空洞效應的影響。

4 結 論

通過對隧洞爆破掌子面后方縱向及環向測點的實測振動數據分析,得到了順層爆破開挖下洞內兩側的非對稱傳播特征,得到了以下結論:

(1)順層節理使隧洞爆破非對稱振動特征更加明顯。X方向和Y方向的振動受到順層節理的影響較大,會出現隧道兩側振動趨勢不相同的非對稱振動,非對稱系數浮動程度也較大,X方向的非對稱系數在1.2～2.9,Y方向的非對稱系數在1.1～3.4;Z方向的振動傳播受順層節理影響較弱,整體趨勢明顯,且在隧道兩側相同,但質點峰值振速大小不同,非對稱系數在1.1～2.4。

(2)在隧洞兩側邊墻的縱向振動傳播中,受到空洞放大效應的影響,但受到空洞效應的影響越強,非對稱振動特征越不明顯。三向受到空洞效應影響程度為Y方向＞Z方向＞X方向,Y方向受到空洞效應影響最強,非對稱系數大多在1.1～1.5之間;Z方向振動受影響程度次之,非對稱系數在1.1～2.4之間;X方向振動基本不受空洞效應的影響,其非對稱特征最明顯,非對稱系數大多在1.5～2.9之間。

(3)距掌子面的距離對隧洞測點質點峰值振速有影響,結合本次研究條件,距離小于26m且測點間距較大時,振速衰減較大;距離在26～30 m時,振速衰減較小。