劉永勝，朱思源，楊小林，褚懷保，王 昌，任志強(qiáng)，陳 真，嚴(yán)少洋

(1.中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司，廣州 511458；2.中冶集團(tuán) 武漢勘察研究院有限公司，武漢 430080； 3.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，焦作 454000)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到史無前例的發(fā)展機(jī)會，大斷面和超大斷面地下工程大量涌現(xiàn)[1,2]。爆破技術(shù)因其成熟度高，成本低，周期快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于隧道開挖、礦井建設(shè)、地下硐室、水利工程等領(lǐng)域中[3-5]。在隧道開挖施工過程中，爆破作業(yè)不可避免的會對圍巖產(chǎn)生損傷擾動，影響其穩(wěn)定性。此外，隧道開挖后圍巖原應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，在次生應(yīng)力作用下巖體內(nèi)部產(chǎn)生微小裂隙并向圍巖深部發(fā)展，直至圍巖應(yīng)力達(dá)到新的平衡狀態(tài)，此過程中圍繞開挖空間產(chǎn)生的應(yīng)力集中破碎區(qū)域稱為松動圈[6]，松動圈半徑及其變化規(guī)律的確定對隧道支護(hù)方案和參數(shù)設(shè)計起到了重要保障?，F(xiàn)階段對隧道松動圈的測試手段多以超聲波探測、鉆孔窺視和地震波探測為主。與其他測試方法相比，超聲波探測法以及鉆孔窺視法具有便攜、明了、高效等優(yōu)點(diǎn)。

國內(nèi)諸多專家已經(jīng)對現(xiàn)場圍巖松動圈范圍及擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了大量研究，并得到了許多重要的研究成果[7-11]。劉剛等綜述了強(qiáng)度準(zhǔn)則法和數(shù)學(xué)模型法這兩種松動圈理論計算方法[12]。馬其華等結(jié)合實(shí)際工程[13]，采用單孔超聲波測試法對隧道圍巖松動圈范圍進(jìn)行了測試，并通過FLAC3D軟件對松動圈范圍進(jìn)行了研究，證明了測試方法的實(shí)用性和優(yōu)越性。楊艷國等為確定實(shí)際工程中煤巷的松動圈半徑以及錨桿支護(hù)參數(shù)[14]，采用單孔聲波法得到了煤巷松動圈半徑，并通過數(shù)值計算優(yōu)化了其錨桿支護(hù)參數(shù)。陳亞楠等通過單孔測試技術(shù)得到了圍巖松動圈隨爆破次數(shù)增加的變化范圍[15]，得到了圍巖松動圈的變化規(guī)律?？傮w而言，現(xiàn)階段的研究多數(shù)是用超聲波測試的方法對圍巖松動圈的半徑進(jìn)行測定，且很少考慮多次爆破作用下，圍巖損傷累積效應(yīng)對松動圈半徑變化的影響。

本文結(jié)合某地下大跨度硐室工程，采用單孔超聲波測試以及鉆孔窺視法對其松動圈半徑進(jìn)行監(jiān)測，并分析多次爆破作用下硐室圍巖的損傷變化規(guī)律，探討損傷累積效應(yīng)對硐室松動圈半徑的影響。為多次頻繁爆破工程中硐室松動圈變化規(guī)律的確定和損傷累積危害效應(yīng)的評判提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 松動圈測試原理

隧道、硐室、巷道等地下工程在爆破開挖后，圍巖由原來的三向受力變?yōu)榻苾上蚴芰?，原本的?yīng)力平衡狀態(tài)被打破并造成圍巖所受應(yīng)力強(qiáng)度大幅度上升[16]。當(dāng)圍巖受到的集中應(yīng)力小于巖體本身強(qiáng)度時，圍巖不發(fā)生破壞并保持彈塑性狀態(tài)維持自身穩(wěn)定；當(dāng)次生應(yīng)力強(qiáng)度大于巖體自身強(qiáng)度時，圍巖發(fā)生塑性破壞并產(chǎn)生裂隙，裂隙從圍巖外部逐漸向內(nèi)部延伸直至圍巖重新達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，次生應(yīng)力會使圍巖圍繞開挖空間形成一個破裂帶，這個破裂帶即為圍巖松動圈[13]，如圖1所示?，F(xiàn)階段通常采用摩爾庫倫準(zhǔn)則推導(dǎo)得到的卡斯特納方程作為判斷軸對稱圓形隧道松動圈范圍的依據(jù)[17]。

圖1 圍巖松動圈示意圖Fig. 1 Schematic diagram of broken rock zone in surrounding rock

(1)

式中：RP為塑性區(qū)半徑；R0為隧道半徑；p0為外荷載；C、φ、P為地層特征常數(shù)。

超聲波在巖體內(nèi)部傳播的過程中，會因?yàn)榻橘|(zhì)的改變以及結(jié)構(gòu)面的變化產(chǎn)生反射、折射等現(xiàn)象，使其速度發(fā)生改變。隨著介質(zhì)內(nèi)部裂隙的不斷發(fā)育，巖體密度逐漸降低，聲阻抗不斷增大，聲波波速會逐漸減小。因此，當(dāng)測量得到的聲波波速高時說明巖體較為完整，沒有受到破壞，當(dāng)測得的波速有明顯下降時表明所測位置處巖體質(zhì)量較差，可能已受到破壞并產(chǎn)生裂隙。

單孔聲波測試法通過利用一發(fā)雙收探頭在鉆孔中發(fā)射超聲波來達(dá)到監(jiān)測鉆孔孔壁圍巖完整性的目的[18]，根據(jù)超聲波波速的變化規(guī)律得到圍巖內(nèi)部裂隙的分布范圍及規(guī)律，進(jìn)而得到洞庫圍巖松動圈范圍，單孔聲波測試儀器在鉆孔內(nèi)的布置方式如圖2所示。測試中需要通過水或黃油作為耦合劑，根據(jù)2個接收換能器的間距以及超聲波縱波在2個接受換能器之間傳播的時間間隔，得到超聲波的縱波波速Vp，即

(2)

式中：Vp為巖體聲波波速；S為兩個換能器之間的距離；Δt為發(fā)射信號分別到2個接受換能器的時間差。

2 現(xiàn)場超聲波及鉆孔窺視監(jiān)測

2.1 工程概況

試驗(yàn)現(xiàn)場大跨度硐室圍巖以Ⅲ級為主。硐室整體為超大跨蟶殼型，底部跨度為40 m，邊墻高度為6 m，拱頂高度為12 m，整體采用臺階法開挖。現(xiàn)場采用直孔掏槽、2號巖石乳化炸藥分段延時毫秒微差爆破，起爆方式為導(dǎo)爆管雷管起爆。見圖2。

圖2 一發(fā)雙收測試法儀器布置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of instrument installation using the single and double receiver test method

2.2 主要儀器設(shè)備

單孔聲波測試法的測試儀器包括NM-4B非金屬超聲波檢測分析儀和一發(fā)雙收探頭，如圖3所示。

圖3 超聲波采集系統(tǒng)Fig. 3 Ultrasonic acquisition system

鉆孔窺視儀器采用ZKXG100礦用鉆孔成像軌跡儀，鉆孔窺視儀主要由測試儀器、攝像頭、電線三部分組成，如圖4所示。窺視時將攝像頭伸入鉆孔中，對鉆孔孔壁上的裂紋分布情況進(jìn)行拍攝觀測，可對孔深任意位置進(jìn)行觀測，便于更加直觀的了解圍巖松動圈半徑的變化規(guī)律；同時該儀器也可轉(zhuǎn)化為錄像模式，對鉆孔窺視的全過程進(jìn)行記錄。

圖4 ZKXG100礦用鉆孔成像軌跡儀Fig. 4 ZKXG100 mine borehole imaging trajectory instrument

2.3 現(xiàn)場測試鉆孔的位置

為分析多次爆破作用下大跨度硐室松動圈分布及變化規(guī)律，本次現(xiàn)場試驗(yàn)在距離掌子面3 m位置處布置超聲波測試鉆孔以及窺視鉆孔。在硐室拱頂和邊墻處進(jìn)行監(jiān)測孔布置，鉆孔直徑均為40 mm，孔深為6 m，具體布置方案示意圖如圖5所示，并對不同位置的鉆孔分別進(jìn)行超聲波測試和圍巖內(nèi)部窺視成像。

圖5 鉆孔布置示意圖Fig. 5 Borehole layout diagram

3 圍巖松動圈測試結(jié)果

3.1 超聲波測試結(jié)果

本次現(xiàn)場試驗(yàn)共經(jīng)歷了5次開挖爆破，每次爆破進(jìn)尺為2 m，具體爆破參數(shù)如表1所示。爆破前對鉆孔進(jìn)行超聲波測試，了解超聲波在圍巖內(nèi)的傳播速度和圍巖完整性，確定既有爆破開挖造成的圍巖損傷范圍和擾動情況，波速測試結(jié)果如表2所示。

表1 大跨度硐室爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters of large span chamber

表2 爆破前不同位置處聲波速度測試結(jié)果Table 2 Test results of acoustic velocity at different positions before blasting

為研究多次爆破產(chǎn)生的損傷累積效應(yīng)對圍巖不同位置松動圈變化的影響，在每次爆破后對1、2號鉆孔均進(jìn)行了超聲波測試，并對所測結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計，鉆孔超聲波波速測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同鉆孔超聲波波速(單位：km/s)Table 3 Different borehole ultrasonic wave velocities(unit:km/s)

3.2 圍巖損傷結(jié)果

大跨度硐室的爆破開挖不可避免的會對部分圍巖造成一定程度的損傷。隨著爆破次數(shù)的增加，其產(chǎn)生的損傷累積效應(yīng)會對圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。為探究爆破損傷累積規(guī)律，由式(3)計算得到每次爆破后圍巖的損傷累積值[19]。

D=1-(v/v0)2

(3)

式中：v為爆破后圍巖的超聲波波速，km/s；v0為爆破前圍巖的超聲波波速，km/s。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》可知，當(dāng)爆破前后波速降低率大于10% ，即認(rèn)為巖體受到爆破損傷破壞，其對應(yīng)的損傷變量D的閾值為0.19。即當(dāng)損傷變量D<0.19時，認(rèn)為巖體所受損傷極小或未受損傷。然而，當(dāng)巖體損傷值處于0.19

表4 洞庫不同位置圍巖損傷值Table 4 Surrounding rock damage values at different locations of the cavern

3.3 鉆孔窺視測試結(jié)果

鉆孔窺視儀利用攝像技術(shù)對圍巖內(nèi)部情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，可更加直觀的得到裂隙的發(fā)育情況，對松動圈半徑做出準(zhǔn)確判斷。通過對鉆孔3和4進(jìn)行窺視觀測，分別掌握硐室邊墻處和拱頂處圍巖內(nèi)部裂隙的發(fā)展情況，部分觀測結(jié)果如圖6所示。

圖6 孔深2.8 m和3.2 m處的鉆孔窺視結(jié)果Fig. 6 Borehole camera results at hole depth of 2.8 m and 3.2 m

4 圍巖松動圈測試結(jié)果分析

隨爆破作用次數(shù)的增加，為得到硐室周圍不同位置處超聲波波速隨鉆孔深度的變化規(guī)律，根據(jù)表2和表3內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)可分別繪制1、2號鉆孔超聲波與鉆孔深度關(guān)系曲線，如圖7、8所示。

圖7 1號鉆孔超聲波與鉆孔深度關(guān)系圖Fig. 7 Relationship between ultrasonic wave and borehole depth in borehole No.1

為得到硐室圍巖不同位置處以及不同鉆孔深度圍巖損傷值隨爆破次數(shù)增加的變化規(guī)律，根據(jù)表4中數(shù)據(jù)繪制洞庫拱頂以及邊墻處圍巖損傷累積變化曲線，如圖9、10所示。

圖8 2號鉆孔超聲波與鉆孔深度關(guān)系圖Fig. 8 Relationship between ultrasonic wave and borehole depth in borehole No.2

圖9 邊墻處圍巖爆破損傷累積曲線Fig. 9 Cumulative curve of surrounding rock blasting damage at the side wall

(1)隨著爆破次數(shù)的增加，圍巖損傷累積不斷增大其自身的物理力學(xué)性能也有不同程度的衰減，導(dǎo)致圍巖的粘聚力系數(shù)C、內(nèi)摩擦角都有一定的減小。根據(jù)式(1)計算可知Rp變大即表明松動圈半徑隨著爆破次數(shù)的增加逐漸增大。從圖7可看出爆破前超聲波波速在鉆孔孔深2.4～2.8 m處有明顯增大，表明在此深度范圍內(nèi)的圍巖裂隙情況隨著孔深的增加逐漸有所改善，因此爆破前硐室邊墻處圍巖松動圈半徑為2.4 m。隨著爆破次數(shù)的增加鉆孔深度2.8 m位置處測得的超聲波波速有明顯下降，到3.2 m處超聲波波速逐漸趨于穩(wěn)定，說明隨著爆破次數(shù)的增加，圍巖內(nèi)部裂紋逐漸發(fā)育至2.8 m附近。結(jié)合圖6(a)鉆孔窺視結(jié)果可以看到，在孔深2.8 m處孔壁圍巖有較為明顯的裂隙，因此硐室邊墻處圍巖松動圈從2.4 m增至2.8 m。

由圖8可看出爆破前超聲波波速在鉆孔深度為2.8～3.2 m處有明顯增大，說明拱頂處圍巖松動圈范圍為2.8 m，隨著爆破次數(shù)的增加，圍巖累積損傷逐漸增大，圍巖內(nèi)部裂隙逐漸增加，經(jīng)過五次爆破作用后鉆孔深度3.2 m處超聲波波速由明顯下降，到3.6 m處超聲波波速逐漸穩(wěn)定。結(jié)合圖6(b)可知，硐室拱頂處圍巖松動圈從2.8 m增至3.2 m。

(2)通過圖7、8可以得出，硐室圍巖在各次爆破后測得的超聲波波速與前一次測得的波速相比有明顯的降低，但隨著爆破次數(shù)的增多，超聲波波速降低的程度逐漸減小；此外，隨著鉆孔深度的增加，超聲波波速有總體增大的趨勢，說明圍巖內(nèi)部巖體完整性較好。在爆破過程中，炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波對炮孔周圍巖體產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，沖擊波快速衰減為應(yīng)力波并作用于巖體，造成部分圍巖產(chǎn)生裂隙或使原生裂隙擴(kuò)展；此外爆破產(chǎn)生的爆轟氣體也會作用于巖石裂隙產(chǎn)生氣楔作用造成裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展，從而造成圍巖損傷累積逐漸增大。

裂隙的擴(kuò)展會使超聲波在達(dá)到結(jié)構(gòu)面時會產(chǎn)生反射、繞射、衍射等現(xiàn)象,對聲波的傳播距離造成一定程度的增長；此外超聲波在通過裂隙時，由于會在不同介質(zhì)中進(jìn)行傳遞，因此其能量會有部分損耗，以上這些都會導(dǎo)致聲速減小。從結(jié)果可看出，拱頂位置處超聲波波速衰減較快，邊墻處超聲波波速衰減程度較小，說明爆破振動對硐室拱頂位置處影響較大。

圖10 拱頂處圍巖爆破損傷累積曲線Fig. 10 Cumulative curve of surrounding rock blasting damage at arch roof

(3)從圖9、10可看出，鉆孔孔深較淺且在松動圈半徑范圍內(nèi)的圍巖，及鉆孔深度為2.4～3.2 m范圍內(nèi)的部分圍巖損傷累積值較高；鉆孔孔深較大且超出松動圈范圍的圍巖損傷累積值較小，普遍在0.1左右。

炮孔內(nèi)藥包爆炸時產(chǎn)生的應(yīng)力波以及爆生氣體對炮孔周邊巖體造成宏觀斷裂損傷，對鉆孔深度較淺部位的圍巖產(chǎn)生較大程度影響，使其損傷累積值較大。爆炸應(yīng)力波在硐室圍巖內(nèi)傳播的過程中隨著與爆源距離的增加能量被逐漸吸收，深部圍巖受應(yīng)力波影響快速減小，同時松動圈半徑內(nèi)的圍巖存在較多裂紋和孔隙會使應(yīng)力波進(jìn)一步衰減，故鉆孔孔深較大且超出松動圈半徑的圍巖其損傷較小。每次爆破作用后大跨度硐室圍巖的受力平衡狀態(tài)都會被打破，圍巖應(yīng)力會重新進(jìn)行分布，使圍巖松動圈半徑內(nèi)的巖體會進(jìn)一步產(chǎn)生新的裂隙或使已有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，直至達(dá)到新的受力平衡，這導(dǎo)致松動圈向圍巖深部轉(zhuǎn)移。

隨著爆破次數(shù)的增加，圍巖損傷累積呈單調(diào)遞增的趨勢，但增長速率逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定。在多次爆破載荷和應(yīng)力波傳播過程中，隨著爆破次數(shù)的增加裂紋尖端的局部損傷累積引起巖體原有節(jié)理裂隙擴(kuò)張、錯動或貫通，使初始裂紋逐漸擴(kuò)展形成細(xì)觀裂隙；隨著爆破次數(shù)逐漸增多，細(xì)觀裂隙逐漸連接貫通形成宏觀裂紋，對巖石原有結(jié)構(gòu)面進(jìn)行破壞，造成巖體損傷逐漸加大，其物理力學(xué)性能進(jìn)一步劣化。隨著爆破工作面與鉆孔距離的逐漸增大，爆破振動效應(yīng)對遠(yuǎn)區(qū)圍巖的影響逐漸減小；同時由于裂隙的增加以及原有裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展，應(yīng)力波在傳播過程中會產(chǎn)生反射、透射等現(xiàn)象，造成其攜帶的能量嚴(yán)重衰減并阻礙其傳播，因此測量位置處的圍巖損傷累積增長速率逐漸降低。

5 結(jié)論

(1)在多次爆破作用下，大跨度硐室圍巖同一位置處超聲波波速逐漸減小，但減小速率逐漸降低。此外鉆孔深度小于3.2 m的淺部圍巖超聲波波速衰減比深部圍巖超聲波波速衰減更快。

(2)隨著爆破次數(shù)的增加，圍巖損傷累積逐漸增大，尤其是在圍巖松動圈半徑范圍內(nèi)表現(xiàn)得較為明顯；此外隨著爆破次數(shù)的增加圍巖損傷累積的增長幅度逐漸減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。

(3)圍巖松動圈半徑會隨著爆破次數(shù)的增加而逐漸增大。硐室拱頂和邊墻經(jīng)過五次爆破，其松動圈半徑分別由2.8 m和2.4 m擴(kuò)大至3.2 m和2.8 m。因此，在大型地下工程安全施工時，應(yīng)充分考慮多次爆破作用對圍巖松動圈的影響，且在拱頂和邊墻處應(yīng)加強(qiáng)相應(yīng)的支護(hù)措施，確保圍巖整體穩(wěn)定性。