劉西森 于建新 魏海霞 吳衛(wèi)東 姜 波

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南 焦作 454003;2.新疆兵團(tuán)水利水電工程集團(tuán)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(wù)中心,新疆 石河子 832000)

Wei等[3]使用灰色關(guān)聯(lián)度分析法,對淺埋隧道中爆破振動的影響因素進(jìn)行了研究,指出第一段藥量是影響爆破振動質(zhì)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(guī)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(zhì)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(guī)律。楊建華等[6-7]針對深埋隧洞鉆爆開挖誘發(fā)的圍巖振動特性進(jìn)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(guī)律。吉凌等[8]對隧道開挖斷面不同位置的振動衰減規(guī)律進(jìn)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(guī)律。鄧華鋒等[9-10]以導(dǎo)流洞地質(zhì)為背景,結(jié)合“高差效應(yīng)”分析了質(zhì)點振動速度的方向效應(yīng),并對傳統(tǒng)爆破振動波衰減公式進(jìn)行了修正。王超、汪平、馮陽陽等[11-13]基于數(shù)值模擬,并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),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(guī)律。范勇等[14]針對在深埋洞室的爆破開挖過程中,高地應(yīng)力條件對于圍巖振動的影響進(jìn)行研究,得出了地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā)振動的衰減規(guī)律。葉紅宇等[15]針對爆破振動在隧道支護(hù)襯砌混凝土上的危害累積效應(yīng),分析了振動能量隨距離和爆破次數(shù)的衰減規(guī)律。楊小林等[16]結(jié)合薩道夫斯基公式,分析了在隧洞多次爆破損傷累積效應(yīng)下,爆破振動的傳播衰減規(guī)律。Chen等[17]以木寨嶺隧道實測振動數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)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(guī)律。陸瑜等[18]通過有限元數(shù)值模擬,分析了層狀圍巖隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)在爆破振動下振速的分布規(guī)律。Zheng等[19]通過數(shù)值計算得振動速度與現(xiàn)場進(jìn)行對比,指出質(zhì)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(yīng)。

綜上,國內(nèi)外研究學(xué)者對隧洞爆破誘發(fā)的洞內(nèi)振動傳播規(guī)律進(jìn)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(fā)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(xiàn)場爆破開挖引起的洞內(nèi)振動速度進(jìn)行監(jiān)測,分析兩側(cè)拱腰、拱肩及拱頂?shù)恼駝铀俣?提出非對稱系數(shù)的概念,詳細(xì)分析隧洞爆破開挖引起的洞內(nèi)非對稱振動傳播規(guī)律,可為層狀巖體隧道爆破開挖振動控制及穩(wěn)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(qū)地勢南高北低,海拔500～4 800 m,受北天山緯向構(gòu)造控制,地形具有分帶性。南部依連哈比爾尕山為構(gòu)造剝蝕高山—中山區(qū),北部準(zhǔn)噶爾盆地南緣為構(gòu)造剝蝕低山區(qū)和向北傾斜的沖洪積平原區(qū)。引水工程位于6.5級潛在震源區(qū),圍巖主要為石炭系中統(tǒng)巴音溝組凝灰質(zhì)砂巖,以中硬巖—堅硬巖、微風(fēng)化為主,以Ⅲ類、Ⅳ類,Ⅴ類圍巖類型為主。

此次現(xiàn)場實驗以二標(biāo)段1#支洞為背景,該標(biāo)段隧洞全長3 420 m,設(shè)計縱坡0.1%,(樁號2+095～3+880)、1#支洞(3+880)、山區(qū)隧洞(3+880-5+515),在樁號 3+880處設(shè)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(tǒng)巴音溝組第三亞組(C2bc)凝灰?guī)r,灰黑色,為中硬巖,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,完整性差,呈鑲嵌結(jié)構(gòu),洞室位于微風(fēng)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(jié)理,掌子面地質(zhì)條件及節(jié)理發(fā)育情況如圖1所示。

圖1 掌子面地質(zhì)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(jìn),不良地質(zhì)洞段及時跟進(jìn)安全支護(hù)。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(fēng)鉆鑿孔,炸藥為2#巖石乳化炸藥,電子數(shù)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(huán)進(jìn)尺3 m,炮孔總數(shù)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(shù)如表1所列。

表1 爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters

圖2 炮孔布置Fig.2 Arrangement of blastholes

2.2 監(jiān)測方案

為分析爆破引起的洞內(nèi)振動傳播規(guī)律,在爆破掌子面后方一定范圍內(nèi),沿隧洞縱向兩側(cè)邊墻位置處各布置3個測點,在隧洞環(huán)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(cè)第1個測點,RA為縱向右側(cè)第1個測點,LM1為縱向左側(cè)第2個測點,RM1為縱向右側(cè)第2個測點,LB為縱向左側(cè)第3個測點,RB為縱向右側(cè)第3個測點,LM2為環(huán)向拱腰左側(cè)測點,RM2為環(huán)向拱腰右側(cè)測點,T為環(huán)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(huán)形測點布置斷面距掌子面根據(jù)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(jiān)測方案Fig.3 Scheme of vibration monitoring

在每個測點布置TC-4850振動監(jiān)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(hù)鐵盒,防止爆破飛石損壞儀器和傳感器,避免誤觸發(fā),保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 視頻反饋實驗操作過程，及時矯正實驗操作規(guī)范實驗教學(xué)過程中，有很多的實驗操作環(huán)節(jié)需要及時互動，特別是一些學(xué)生不規(guī)范操作需要及時反饋糾正，一些典型的實驗現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)與電腦連接，可及時傳送到多媒體，實現(xiàn)及時互動與反饋。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

中國《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)中以振動速度為主要控制標(biāo)準(zhǔn),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(huán)向測點數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)為例,分析隧洞全斷面爆破條件下,各爆破段引起隧洞環(huán)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(cè)環(huán)向的振動規(guī)律在X方向的掏槽、輔助、周邊段為左側(cè)拱腰＞邊墻,右側(cè)邊墻大于拱腰,呈相反趨勢;底板段最大值在拱頂,兩側(cè)拱腰＞邊墻,呈相同趨勢。Y方向的最大振速都出現(xiàn)在隧洞的左側(cè)拱腰位置處,在掏槽、輔助、底板段振動規(guī)律為左側(cè)拱腰＞邊墻,右側(cè)邊墻大于拱腰,呈相反趨勢;在周邊段為兩側(cè)拱腰＞邊墻,呈相同趨勢。Z方向的質(zhì)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(guī)律在四段別都為兩側(cè)邊墻＞拱腰,呈相同衰減趨勢。

圖5 隧洞環(huán)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(xué)者指出隧洞兩側(cè)測點Y方向的振速邊墻大于拱頂;拱頂測點Z方向質(zhì)點峰值速度大于隧洞兩側(cè)[8];且隧洞對稱兩側(cè)測點質(zhì)點峰值振速不同,但相差不大[18]。通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn),洞內(nèi)振動速度傳播受到節(jié)理的影響,兩側(cè)振速表現(xiàn)出一定的非對稱性。為分析隧洞兩側(cè)振動的非對稱特征,此處引入非對稱系數(shù)的概念,即隧洞兩側(cè)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(huán)向邊墻、拱腰位置三向振速非對稱系數(shù),如表3所列。

表3 環(huán)向位置非對稱系數(shù)Table 3 Asymmetric coefficient of circumferential position

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

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

(1)以掏槽段為例,由圖5結(jié)合節(jié)理角度和炮孔布置位置進(jìn)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(jié)理的削弱和振動波相互的抵消,而拱頂測點的質(zhì)點振動接近垂直向上傳播,受到節(jié)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?shù)馁|(zhì)點峰值振速較大,甚至存在大于隧洞壁兩側(cè)質(zhì)點峰值振速的現(xiàn)象;在Z-垂向的振動呈現(xiàn)為拱頂最大,兩側(cè)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(cè)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(shù)據(jù)上,拱頂測點的質(zhì)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(jié)理的存在,出現(xiàn)了拱頂質(zhì)點峰值振速較大的現(xiàn)象。

(3)5段周邊孔為兩側(cè)周邊孔,隧洞兩側(cè)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(shù)據(jù)上,拱頂測點的質(zhì)點峰值振速都是最小的,呈現(xiàn)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(zhì)點峰值振速仍是最大的,隧道兩側(cè)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(yuǎn),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(jié)理和距離的影響較大,所以拱頂測點的質(zhì)點峰值振速最小。X方向和Z方向上的振動規(guī)律均出現(xiàn)了隧洞兩側(cè)趨勢相同,但非對稱振動的特征,X方向上質(zhì)點峰值振速呈現(xiàn)為拱頂＞拱肩＞拱腰;Z方向上質(zhì)點峰值振速呈現(xiàn)為拱腰＞拱肩＞拱頂。

爆破振動的傳播受到節(jié)理和地層因素的影響,在隧洞環(huán)向斷面上順層節(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)為左側(cè)測點振速大于右側(cè)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(xiàn)為左側(cè)測點振速大于右側(cè)振速,但在第一測點和第二測點間的振動曲線,呈現(xiàn)為隨距離增加,振速減小;在第三測點出現(xiàn)振速增大,第二段振動曲線振動上升的現(xiàn)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(cè)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(shù),如表4所列。

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

從表4中可以看出,X方向的非對稱系數(shù)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(shù)在1.1～3.4,第一測點在掏槽、周邊、底板段的兩側(cè)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(cè)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(shù)在1.1～2.4,第一、三測點兩側(cè)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(cè)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(xiàn)象是由于在隧洞繼續(xù)開挖后形成空洞,空洞放大效應(yīng)對測點位置的振動造成了影響。由圖7結(jié)合空洞效應(yīng)進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)后,三向4段別前后位置非對稱系數(shù)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(yīng)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(yīng)均出現(xiàn)了振速變大的現(xiàn)象,呈現(xiàn)出振動上升趨勢,縮小了兩側(cè)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(cè)距離掌子面相同距離的位置,其振動峰值及衰減規(guī)律也不相同。在隧洞縱向兩側(cè)的振動傳播及非對稱振動特征,不僅受到節(jié)理的影響,還受到距掌子面的距離、測點間距及空洞效應(yīng)的影響。

4 結(jié) 論

通過對隧洞爆破掌子面后方縱向及環(huán)向測點的實測振動數(shù)據(jù)分析,得到了順層爆破開挖下洞內(nèi)兩側(cè)的非對稱傳播特征,得到了以下結(jié)論:

(1)順層節(jié)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(jié)理的影響較大,會出現(xiàn)隧道兩側(cè)振動趨勢不相同的非對稱振動,非對稱系數(shù)浮動程度也較大,X方向的非對稱系數(shù)在1.2～2.9,Y方向的非對稱系數(shù)在1.1～3.4;Z方向的振動傳播受順層節(jié)理影響較弱,整體趨勢明顯,且在隧道兩側(cè)相同,但質(zhì)點峰值振速大小不同,非對稱系數(shù)在1.1～2.4。

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

(3)距掌子面的距離對隧洞測點質(zhì)點峰值振速有影響,結(jié)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。