平导开挖空间对爆破振动衰减规律的影响

黄经伟,蒋志明,周 凯,张庆彬,彭 松,孙 周

(1.长沙理工大学, 湖南长沙 410114;2.中铁十八局集团有限公司, 天津 300222)

平导开挖空间对爆破振动衰减规律的影响

黄经伟1,蒋志明1,周 凯2,张庆彬1,彭 松1,孙 周1

(1.长沙理工大学, 湖南长沙 410114;2.中铁十八局集团有限公司, 天津 300222)

以黔江－张家界－常德(黔张常)客运专线桑植隧道为工程依托,在同一工况下,于不同空间位置布点测试围岩质点振速,分析与探讨了爆破振动衰减指数的变化规律。结果表明,单一方向振动速度与振动合速度相应的爆破振动衰减规律存在偏差,后者的可靠性更好。由于测点空间位置的不同,不同的爆破能量传播路径导致了爆破地震衰减规律的明显变化。针对不同空间点位爆破地震强度变化的特点,探讨了爆破振动对溶洞与相邻隧道周边围岩的损伤情况。

爆破振动;振动速度矢量;衰减指数;围岩损伤

0 引 言

岩溶地质情况频繁出现在我国西南部地区隧道工程案例中,严重影响施工进度及安全,并给后期运营留下隐患。实践过程中爆破地震效应已造成了溶洞或隧道结构失稳的安全事故。尽管亦有工程实例揭示,在爆破地震安全判据超出现有参考值[1]的情况下,并未对爆破施工环境中被保护对象构成任何威胁。然而,为了确保工程的施工与运营安全,进一步研究爆破累积损伤,进而提出爆破地震效应与围岩等级相关的场地系数和衰减指数参考值仍然十分必要。基于爆破振动引起的建(构)筑物或岩土体等的破坏,受到爆破过程的复杂性以及岩土介质的多变性等因素的影响,爆破地震波传播及衰减规律目前还无法从理论上给出统一公式。不同学者针对不同的问题,进行了大量卓有成效的研究,取得了很多有价值的成果和可借鉴的经验[2-20]。

本文通过测试爆破后隧道正洞与平导侧壁的质点振速,分析桑植隧道岩溶区钻爆施工爆破后的能量衰减规律,讨论岩溶隧道中不同空间位置布点测试爆破能量衰减规律的影响,进而研究爆破对围岩的损伤情况。

1 工程背景

黔江至张家界至常德快速铁路线路位于湘西北、鄂西南和渝东南交界地带,隧道工程正交通过二户溪背斜的核部及其右翼,岩层总体沿N－S走向,多为整合接触,产状变化不大,三叠系下统大冶群灰岩层局部揉皱发育,构造裂隙、节理发育较深。地下水储水构造主要由延伸长大的构造节理、顺层节理、岩层接触带、节理密集带组成。隧道通过岩溶中等－强烈发育地层,岩性复杂多变。施工过程中结合现场地质调查、钻探、物探等对隧道洞身测试段DK150＋225～DK151＋550岩溶发育程度分析,该隧道测试地段岩性为灰岩,节理裂隙较发育,岩体较完整,泊松比为0.24～0.28;动态杨氏;模量为84～91GPa,属于Ⅲ级围岩。测试段施工过程中采用全断面开挖。由三臂台车凿岩钻孔,进行爆破开挖。

2 测振方案设计

测试仪器选用四川中科动态仪器有限公司研发的IDTS3850便携式测振仪。在隧道掘进爆破开挖时将测振传感器固定在已初期喷射混凝土支护后的隧道掘进方向右侧平导侧边墙上采集数据,距离路面高1.0m。各测点的传感器均由水平方向两个传感器与竖直方向一个传感器组成,3个传感器分别采集X、Y、Z3个方向上的振动速度分量。其中:X为平行掌子面的水平方向(测取水平横向速度Vτm);Y为垂直掌子面的水平方向(测取水平纵向速度Vrm);Z为竖向(测取竖向方向速度Vem)。

依据传感器与爆源的相对空间位置分为3种测点布置方案:方案一,将仪器安放在隧道主洞掌子面后方(见图1(a))。主要研究主洞开挖对后方围岩振动的影响;方案二,将测点与仪器布设在沿隧道掘进方向的平导右侧(见图1(b));方案三,将测点与仪器布设在沿隧道掘进方向的平导左侧(见图1(c));方案二和方案三主要研究主洞开挖对平导围岩的影响。

图1 爆破振动测点布置

3 测振数据及分析

采用上述3种测点布置方案,分别进行多次3方向振速数据采集,测试成果见表1、表2与表3。同一测点3方向振动波形见图2。

3.1 方案一爆破振动衰减规律分析

采用萨道夫修正公式分别对水平横向速度(Vτm)、水平纵向速度(Vrm)、竖向方向速度(Vem)以及3个方向速度的矢量合速度进行拟合。

(1)水平横向速度(Vτm)拟合所得参数K＝121.530;α＝1.166,即有:

(2)水平纵向速度(Vrm)拟合所得参数K＝356.747;α＝1.553,即有:

(3)竖向速度(Vem)拟合所得参数K＝219.141;α＝1.339,即有:

(4)合速度(V合)拟合所得参数K＝213.307; α＝1.136,即有:

表1 方案一测试数据

表3 方案三测试数据

图2 同一测点3个方向爆破振动速度

通过以上分析可得:爆心距与水平横向速度、水平纵向速度、竖向方向速度以及合速度的线性关系见图3。

采用萨道夫公式对数据拟合后的对比结果表明:质点振速在3个单一方向所得的衰减指数(K、α)关系存在较大差异,并且与规范参考值同样存在偏差。单一方向拟合所得参数离散性较大,而合速度拟合所得衰减指数更稳定、更具有整体评估效果,更贴近实际综合情况。

图3表明,3个单一方向的振速变化趋势接近,但是水平纵向振速过于分散。拟合出的衰减参数相互之间偏差较大。

图3 爆心距与振速关系

3.2 方案一与方案三振动合速度对比分析

通过方案一与方案三合速度衰减规律的对比,分析爆炸地震波在毗邻连续岩层中能量传播的衰减规律。

由方案三质点振速数据拟合得参数K＝100.520;α＝1.225,故有:

据式(4)式(5)可得方案一与方案三质点振动合速度与爆心距之间的关系(见图4)。

由方案一与方案三拟合所得衰减指数α以及图4可知:隧道正洞右侧壁质点振动合速度衰减速率明显小于平行导洞左侧壁质点振动合速度衰减速率,该现象表明正洞与平行导洞之间的中夹岩所消耗的爆破震动能量更多,亦即对中夹岩平行导洞左侧部围岩的损伤程度更显著。当隧道周边存在隐伏溶洞等空间时,迎爆侧振动合速度衰减规律与围岩损伤程度可参照衡量。

图4 方案一与三振动合速度与爆心距的关系

3.3 方案二与方案三振动合速度对比分析

方案二与方案三对应于平行导洞迎爆侧及其对侧的质点振动速度测试,亦即方案二测试时存在气－固介质转换与爆炸地震波绕射问题,研究其振动合速度变化情况对研究非填充型溶洞的爆炸地震波衰减具有一定的指导意义。

由方案二质点振速数据拟合得参数K＝315.495;α＝1.225,即有:

由方案三质点振速数据拟合得参数K＝100.520;α＝1.225,即有:

对方案二和方案三所得振动合速度与比例药量同时取对数进行线性拟合,其关系见图5。

由图5可知:平行导洞左、右两侧在同一爆破条件下,衰减指数α基本持平,但场地系数K差别很大。这导致平行导洞右侧在爆心距相近的情况下出现振动合速度衰减规律明显差异的现象,究其原因主要是由于爆破地震波能量传播路径发生改变,平行导洞左侧(迎爆侧)自由面接收的地震波为透射波,而右侧(非迎爆侧)接收的则为绕射波。

图5 方案二与方案三(1/3lgQ－lgR)—lgV关系

3.4 已开挖区与未开挖区振动合速度对比分析

在方案三的基础上,将测点以爆心为界对称布置(见图6),测得在同一爆破条件下已开挖区和未开挖区的振动数据,据此分析爆心前方及其后侧的爆破地震衰减规律。

(1)对未开挖区收集到的测振数据进行拟合,得出其衰减参数K＝181.796和α＝1.130,则有:

(2)对已开挖区收集到的测振数据进行拟合,得出其衰减参数K＝315.495和α＝1.225,则有:

未开挖区与已开挖区质点振动合速度与爆心距之间关系如图7所示。由图7可知:随着爆心距的加大,平行导洞中对应于已开挖区与未开挖区的振动合速度衰减速率相近。但在同一爆心距下,已开挖区振动合速度明显低于未开挖区,且爆心距越小,其差异越大。

该现象表明:爆心前方的地震波在连续岩体中传播时,其能量损耗相对较小,在遇到溶洞等隐伏空间自由面时表现为更大的质点振动速度,其所造成的损伤亦更大。而爆心后方已开挖区中地震波传播路径发生改变,存在一定的绕射现象,其地震波能量衰减较大,对隧道围岩与隐伏空间(诸如溶洞)自由面的损伤程度下降。

图6 对称测点布置

图7 未开挖区和已开挖区振动合速度与爆心距的关系

4 结 论

(1)单一方向振速数据分析所得爆破振动衰减规律会影响预报效果,这主要是因为单一方向振速数据收集时,数据点相对更加分散,容易偏离实际情况。采用振动合速度来拟合分析爆破振动衰减规律更加接近实际情况。建议采用速度矢量合成的方式来拟合衰减指数,从而获得更加符合现场实际情况的爆破振动衰减规律。

(2)采用萨道夫斯基理论对隧道内采集的质点振速数据进行拟合,其场地系数K和衰减指数α与露天振动测试所得数值相比偏差较大,建议形成以隧道围岩等级相对应的场地系数和衰减指数参考范围取值表,以达到更好的预报效果。

(3)由隧道正洞右侧壁与平行导洞左侧壁质点振动合速度衰减速率的变化情况可知,中夹岩消耗更多的爆破振动能量,会加剧平行导洞左侧部围岩的损伤。

(4)分析平行导洞左右两侧测点衰减规律可知,岩溶地区隧道在爆破过程中所产生的地震波经过溶洞时会改变传播路径,形成绕射加剧了相邻隧道与溶洞周边围岩的损伤,不利于溶洞整体稳定,更容易产生地质灾害。

(5)爆破振动能量在掌子面前方连续岩体中传播时,其能量损耗相对较小。故当遇到溶洞等隐伏空间自由面时表现为更大的质点振动速度,对溶洞造成的损伤亦更大,加剧溶洞结构失稳。

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2017-05-09)