黃經(jīng)偉,蔣志明,周 凱,張慶彬,彭 松,孫 周

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué), 湖南長(zhǎng)沙 410114;2.中鐵十八局集團(tuán)有限公司, 天津 300222)

平導(dǎo)開(kāi)挖空間對(duì)爆破振動(dòng)衰減規(guī)律的影響

黃經(jīng)偉1,蔣志明1,周 凱2,張慶彬1,彭 松1,孫 周1

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué), 湖南長(zhǎng)沙 410114;2.中鐵十八局集團(tuán)有限公司, 天津 300222)

以黔江－張家界－常德(黔張常)客運(yùn)專線桑植隧道為工程依托,在同一工況下,于不同空間位置布點(diǎn)測(cè)試圍巖質(zhì)點(diǎn)振速,分析與探討了爆破振動(dòng)衰減指數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明,單一方向振動(dòng)速度與振動(dòng)合速度相應(yīng)的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律存在偏差,后者的可靠性更好。由于測(cè)點(diǎn)空間位置的不同,不同的爆破能量傳播路徑導(dǎo)致了爆破地震衰減規(guī)律的明顯變化。針對(duì)不同空間點(diǎn)位爆破地震強(qiáng)度變化的特點(diǎn),探討了爆破振動(dòng)對(duì)溶洞與相鄰隧道周邊圍巖的損傷情況。

爆破振動(dòng);振動(dòng)速度矢量;衰減指數(shù);圍巖損傷

0 引 言

巖溶地質(zhì)情況頻繁出現(xiàn)在我國(guó)西南部地區(qū)隧道工程案例中,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及安全,并給后期運(yùn)營(yíng)留下隱患。實(shí)踐過(guò)程中爆破地震效應(yīng)已造成了溶洞或隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的安全事故。盡管亦有工程實(shí)例揭示,在爆破地震安全判據(jù)超出現(xiàn)有參考值[1]的情況下,并未對(duì)爆破施工環(huán)境中被保護(hù)對(duì)象構(gòu)成任何威脅。然而,為了確保工程的施工與運(yùn)營(yíng)安全,進(jìn)一步研究爆破累積損傷,進(jìn)而提出爆破地震效應(yīng)與圍巖等級(jí)相關(guān)的場(chǎng)地系數(shù)和衰減指數(shù)參考值仍然十分必要。基于爆破振動(dòng)引起的建(構(gòu))筑物或巖土體等的破壞,受到爆破過(guò)程的復(fù)雜性以及巖土介質(zhì)的多變性等因素的影響,爆破地震波傳播及衰減規(guī)律目前還無(wú)法從理論上給出統(tǒng)一公式。不同學(xué)者針對(duì)不同的問(wèn)題,進(jìn)行了大量卓有成效的研究,取得了很多有價(jià)值的成果和可借鑒的經(jīng)驗(yàn)[2-20]。

本文通過(guò)測(cè)試爆破后隧道正洞與平導(dǎo)側(cè)壁的質(zhì)點(diǎn)振速,分析桑植隧道巖溶區(qū)鉆爆施工爆破后的能量衰減規(guī)律,討論巖溶隧道中不同空間位置布點(diǎn)測(cè)試爆破能量衰減規(guī)律的影響,進(jìn)而研究爆破對(duì)圍巖的損傷情況。

1 工程背景

黔江至張家界至常德快速鐵路線路位于湘西北、鄂西南和渝東南交界地帶,隧道工程正交通過(guò)二戶溪背斜的核部及其右翼,巖層總體沿N－S走向,多為整合接觸,產(chǎn)狀變化不大,三疊系下統(tǒng)大冶群灰?guī)r層局部揉皺發(fā)育,構(gòu)造裂隙、節(jié)理發(fā)育較深。地下水儲(chǔ)水構(gòu)造主要由延伸長(zhǎng)大的構(gòu)造節(jié)理、順層節(jié)理、巖層接觸帶、節(jié)理密集帶組成。隧道通過(guò)巖溶中等－強(qiáng)烈發(fā)育地層,巖性復(fù)雜多變。施工過(guò)程中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探等對(duì)隧道洞身測(cè)試段DK150＋225～DK151＋550巖溶發(fā)育程度分析,該隧道測(cè)試地段巖性為灰?guī)r,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較完整,泊松比為0.24～0.28;動(dòng)態(tài)楊氏;模量為84～91GPa,屬于Ⅲ級(jí)圍巖。測(cè)試段施工過(guò)程中采用全斷面開(kāi)挖。由三臂臺(tái)車鑿巖鉆孔,進(jìn)行爆破開(kāi)挖。

2 測(cè)振方案設(shè)計(jì)

測(cè)試儀器選用四川中科動(dòng)態(tài)儀器有限公司研發(fā)的IDTS3850便攜式測(cè)振儀。在隧道掘進(jìn)爆破開(kāi)挖時(shí)將測(cè)振傳感器固定在已初期噴射混凝土支護(hù)后的隧道掘進(jìn)方向右側(cè)平導(dǎo)側(cè)邊墻上采集數(shù)據(jù),距離路面高1.0m。各測(cè)點(diǎn)的傳感器均由水平方向兩個(gè)傳感器與豎直方向一個(gè)傳感器組成,3個(gè)傳感器分別采集X、Y、Z3個(gè)方向上的振動(dòng)速度分量。其中:X為平行掌子面的水平方向(測(cè)取水平橫向速度Vτm);Y為垂直掌子面的水平方向(測(cè)取水平縱向速度Vrm);Z為豎向(測(cè)取豎向方向速度Vem)。

依據(jù)傳感器與爆源的相對(duì)空間位置分為3種測(cè)點(diǎn)布置方案:方案一,將儀器安放在隧道主洞掌子面后方(見(jiàn)圖1(a))。主要研究主洞開(kāi)挖對(duì)后方圍巖振動(dòng)的影響;方案二,將測(cè)點(diǎn)與儀器布設(shè)在沿隧道掘進(jìn)方向的平導(dǎo)右側(cè)(見(jiàn)圖1(b));方案三,將測(cè)點(diǎn)與儀器布設(shè)在沿隧道掘進(jìn)方向的平導(dǎo)左側(cè)(見(jiàn)圖1(c));方案二和方案三主要研究主洞開(kāi)挖對(duì)平導(dǎo)圍巖的影響。

圖1 爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

3 測(cè)振數(shù)據(jù)及分析

采用上述3種測(cè)點(diǎn)布置方案,分別進(jìn)行多次3方向振速數(shù)據(jù)采集,測(cè)試成果見(jiàn)表1、表2與表3。同一測(cè)點(diǎn)3方向振動(dòng)波形見(jiàn)圖2。

3.1 方案一爆破振動(dòng)衰減規(guī)律分析

采用薩道夫修正公式分別對(duì)水平橫向速度(Vτm)、水平縱向速度(Vrm)、豎向方向速度(Vem)以及3個(gè)方向速度的矢量合速度進(jìn)行擬合。

(1)水平橫向速度(Vτm)擬合所得參數(shù)K＝121.530;α＝1.166,即有:

(2)水平縱向速度(Vrm)擬合所得參數(shù)K＝356.747;α＝1.553,即有:

(3)豎向速度(Vem)擬合所得參數(shù)K＝219.141;α＝1.339,即有:

(4)合速度(V合)擬合所得參數(shù)K＝213.307; α＝1.136,即有:

表1 方案一測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 方案三測(cè)試數(shù)據(jù)

圖2 同一測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向爆破振動(dòng)速度

通過(guò)以上分析可得:爆心距與水平橫向速度、水平縱向速度、豎向方向速度以及合速度的線性關(guān)系見(jiàn)圖3。

采用薩道夫公式對(duì)數(shù)據(jù)擬合后的對(duì)比結(jié)果表明:質(zhì)點(diǎn)振速在3個(gè)單一方向所得的衰減指數(shù)(K、α)關(guān)系存在較大差異,并且與規(guī)范參考值同樣存在偏差。單一方向擬合所得參數(shù)離散性較大,而合速度擬合所得衰減指數(shù)更穩(wěn)定、更具有整體評(píng)估效果,更貼近實(shí)際綜合情況。

圖3表明,3個(gè)單一方向的振速變化趨勢(shì)接近,但是水平縱向振速過(guò)于分散。擬合出的衰減參數(shù)相互之間偏差較大。

圖3 爆心距與振速關(guān)系

3.2 方案一與方案三振動(dòng)合速度對(duì)比分析

通過(guò)方案一與方案三合速度衰減規(guī)律的對(duì)比,分析爆炸地震波在毗鄰連續(xù)巖層中能量傳播的衰減規(guī)律。

由方案三質(zhì)點(diǎn)振速數(shù)據(jù)擬合得參數(shù)K＝100.520;α＝1.225,故有:

據(jù)式(4)式(5)可得方案一與方案三質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)合速度與爆心距之間的關(guān)系(見(jiàn)圖4)。

由方案一與方案三擬合所得衰減指數(shù)α以及圖4可知:隧道正洞右側(cè)壁質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)合速度衰減速率明顯小于平行導(dǎo)洞左側(cè)壁質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)合速度衰減速率,該現(xiàn)象表明正洞與平行導(dǎo)洞之間的中夾巖所消耗的爆破震動(dòng)能量更多,亦即對(duì)中夾巖平行導(dǎo)洞左側(cè)部圍巖的損傷程度更顯著。當(dāng)隧道周邊存在隱伏溶洞等空間時(shí),迎爆側(cè)振動(dòng)合速度衰減規(guī)律與圍巖損傷程度可參照衡量。

圖4 方案一與三振動(dòng)合速度與爆心距的關(guān)系

3.3 方案二與方案三振動(dòng)合速度對(duì)比分析

方案二與方案三對(duì)應(yīng)于平行導(dǎo)洞迎爆側(cè)及其對(duì)側(cè)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)試,亦即方案二測(cè)試時(shí)存在氣－固介質(zhì)轉(zhuǎn)換與爆炸地震波繞射問(wèn)題,研究其振動(dòng)合速度變化情況對(duì)研究非填充型溶洞的爆炸地震波衰減具有一定的指導(dǎo)意義。

由方案二質(zhì)點(diǎn)振速數(shù)據(jù)擬合得參數(shù)K＝315.495;α＝1.225,即有:

由方案三質(zhì)點(diǎn)振速數(shù)據(jù)擬合得參數(shù)K＝100.520;α＝1.225,即有:

對(duì)方案二和方案三所得振動(dòng)合速度與比例藥量同時(shí)取對(duì)數(shù)進(jìn)行線性擬合,其關(guān)系見(jiàn)圖5。

由圖5可知:平行導(dǎo)洞左、右兩側(cè)在同一爆破條件下,衰減指數(shù)α基本持平,但場(chǎng)地系數(shù)K差別很大。這導(dǎo)致平行導(dǎo)洞右側(cè)在爆心距相近的情況下出現(xiàn)振動(dòng)合速度衰減規(guī)律明顯差異的現(xiàn)象,究其原因主要是由于爆破地震波能量傳播路徑發(fā)生改變,平行導(dǎo)洞左側(cè)(迎爆側(cè))自由面接收的地震波為透射波,而右側(cè)(非迎爆側(cè))接收的則為繞射波。

圖5 方案二與方案三(1/3lgQ－lgR)—lgV關(guān)系

3.4 已開(kāi)挖區(qū)與未開(kāi)挖區(qū)振動(dòng)合速度對(duì)比分析

在方案三的基礎(chǔ)上,將測(cè)點(diǎn)以爆心為界對(duì)稱布置(見(jiàn)圖6),測(cè)得在同一爆破條件下已開(kāi)挖區(qū)和未開(kāi)挖區(qū)的振動(dòng)數(shù)據(jù),據(jù)此分析爆心前方及其后側(cè)的爆破地震衰減規(guī)律。

(1)對(duì)未開(kāi)挖區(qū)收集到的測(cè)振數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出其衰減參數(shù)K＝181.796和α＝1.130,則有:

(2)對(duì)已開(kāi)挖區(qū)收集到的測(cè)振數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出其衰減參數(shù)K＝315.495和α＝1.225,則有:

未開(kāi)挖區(qū)與已開(kāi)挖區(qū)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)合速度與爆心距之間關(guān)系如圖7所示。由圖7可知:隨著爆心距的加大,平行導(dǎo)洞中對(duì)應(yīng)于已開(kāi)挖區(qū)與未開(kāi)挖區(qū)的振動(dòng)合速度衰減速率相近。但在同一爆心距下,已開(kāi)挖區(qū)振動(dòng)合速度明顯低于未開(kāi)挖區(qū),且爆心距越小,其差異越大。

該現(xiàn)象表明:爆心前方的地震波在連續(xù)巖體中傳播時(shí),其能量損耗相對(duì)較小,在遇到溶洞等隱伏空間自由面時(shí)表現(xiàn)為更大的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,其所造成的損傷亦更大。而爆心后方已開(kāi)挖區(qū)中地震波傳播路徑發(fā)生改變,存在一定的繞射現(xiàn)象,其地震波能量衰減較大,對(duì)隧道圍巖與隱伏空間(諸如溶洞)自由面的損傷程度下降。

圖6 對(duì)稱測(cè)點(diǎn)布置

圖7 未開(kāi)挖區(qū)和已開(kāi)挖區(qū)振動(dòng)合速度與爆心距的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)單一方向振速數(shù)據(jù)分析所得爆破振動(dòng)衰減規(guī)律會(huì)影響預(yù)報(bào)效果,這主要是因?yàn)閱我环较蛘袼贁?shù)據(jù)收集時(shí),數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)更加分散,容易偏離實(shí)際情況。采用振動(dòng)合速度來(lái)擬合分析爆破振動(dòng)衰減規(guī)律更加接近實(shí)際情況。建議采用速度矢量合成的方式來(lái)擬合衰減指數(shù),從而獲得更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。

(2)采用薩道夫斯基理論對(duì)隧道內(nèi)采集的質(zhì)點(diǎn)振速數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,其場(chǎng)地系數(shù)K和衰減指數(shù)α與露天振動(dòng)測(cè)試所得數(shù)值相比偏差較大,建議形成以隧道圍巖等級(jí)相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)地系數(shù)和衰減指數(shù)參考范圍取值表,以達(dá)到更好的預(yù)報(bào)效果。

(3)由隧道正洞右側(cè)壁與平行導(dǎo)洞左側(cè)壁質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)合速度衰減速率的變化情況可知,中夾巖消耗更多的爆破振動(dòng)能量,會(huì)加劇平行導(dǎo)洞左側(cè)部圍巖的損傷。

(4)分析平行導(dǎo)洞左右兩側(cè)測(cè)點(diǎn)衰減規(guī)律可知,巖溶地區(qū)隧道在爆破過(guò)程中所產(chǎn)生的地震波經(jīng)過(guò)溶洞時(shí)會(huì)改變傳播路徑,形成繞射加劇了相鄰隧道與溶洞周邊圍巖的損傷,不利于溶洞整體穩(wěn)定,更容易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害。

(5)爆破振動(dòng)能量在掌子面前方連續(xù)巖體中傳播時(shí),其能量損耗相對(duì)較小。故當(dāng)遇到溶洞等隱伏空間自由面時(shí)表現(xiàn)為更大的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,對(duì)溶洞造成的損傷亦更大,加劇溶洞結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

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2017-05-09)