平導開挖空間對爆破振動衰減規律的影響

黃經偉,蔣志明,周 凱,張慶彬,彭 松,孫 周

(1.長沙理工大學, 湖南長沙 410114;2.中鐵十八局集團有限公司, 天津 300222)

平導開挖空間對爆破振動衰減規律的影響

黃經偉1,蔣志明1,周 凱2,張慶彬1,彭 松1,孫 周1

(1.長沙理工大學, 湖南長沙 410114;2.中鐵十八局集團有限公司, 天津 300222)

以黔江－張家界－常德(黔張常)客運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測試圍巖質點振速,分析與探討了爆破振動衰減指數的變化規律。結果表明,單一方向振動速度與振動合速度相應的爆破振動衰減規律存在偏差,后者的可靠性更好。由于測點空間位置的不同,不同的爆破能量傳播路徑導致了爆破地震衰減規律的明顯變化。針對不同空間點位爆破地震強度變化的特點,探討了爆破振動對溶洞與相鄰隧道周邊圍巖的損傷情況。

爆破振動;振動速度矢量;衰減指數;圍巖損傷

0 引 言

巖溶地質情況頻繁出現在我國西南部地區隧道工程案例中,嚴重影響施工進度及安全,并給后期運營留下隱患。實踐過程中爆破地震效應已造成了溶洞或隧道結構失穩的安全事故。盡管亦有工程實例揭示,在爆破地震安全判據超出現有參考值[1]的情況下,并未對爆破施工環境中被保護對象構成任何威脅。然而,為了確保工程的施工與運營安全,進一步研究爆破累積損傷,進而提出爆破地震效應與圍巖等級相關的場地系數和衰減指數參考值仍然十分必要。基于爆破振動引起的建(構)筑物或巖土體等的破壞,受到爆破過程的復雜性以及巖土介質的多變性等因素的影響,爆破地震波傳播及衰減規律目前還無法從理論上給出統一公式。不同學者針對不同的問題,進行了大量卓有成效的研究,取得了很多有價值的成果和可借鑒的經驗[2-20]。

本文通過測試爆破后隧道正洞與平導側壁的質點振速,分析桑植隧道巖溶區鉆爆施工爆破后的能量衰減規律,討論巖溶隧道中不同空間位置布點測試爆破能量衰減規律的影響,進而研究爆破對圍巖的損傷情況。

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,產狀變化不大,三疊系下統大冶群灰巖層局部揉皺發育,構造裂隙、節理發育較深。地下水儲水構造主要由延伸長大的構造節理、順層節理、巖層接觸帶、節理密集帶組成。隧道通過巖溶中等－強烈發育地層,巖性復雜多變。施工過程中結合現場地質調查、鉆探、物探等對隧道洞身測試段DK150＋225～DK151＋550巖溶發育程度分析,該隧道測試地段巖性為灰巖,節理裂隙較發育,巖體較完整,泊松比為0.24～0.28;動態楊氏;模量為84～91GPa,屬于Ⅲ級圍巖。測試段施工過程中采用全斷面開挖。由三臂臺車鑿巖鉆孔,進行爆破開挖。

2 測振方案設計

測試儀器選用四川中科動態儀器有限公司研發的IDTS3850便攜式測振儀。在隧道掘進爆破開挖時將測振傳感器固定在已初期噴射混凝土支護后的隧道掘進方向右側平導側邊墻上采集數據,距離路面高1.0m。各測點的傳感器均由水平方向兩個傳感器與豎直方向一個傳感器組成,3個傳感器分別采集X、Y、Z3個方向上的振動速度分量。其中:X為平行掌子面的水平方向(測取水平橫向速度Vτm);Y為垂直掌子面的水平方向(測取水平縱向速度Vrm);Z為豎向(測取豎向方向速度Vem)。

依據傳感器與爆源的相對空間位置分為3種測點布置方案:方案一,將儀器安放在隧道主洞掌子面后方(見圖1(a))。主要研究主洞開挖對后方圍巖振動的影響;方案二,將測點與儀器布設在沿隧道掘進方向的平導右側(見圖1(b));方案三,將測點與儀器布設在沿隧道掘進方向的平導左側(見圖1(c));方案二和方案三主要研究主洞開挖對平導圍巖的影響。

圖1 爆破振動測點布置

3 測振數據及分析

采用上述3種測點布置方案,分別進行多次3方向振速數據采集,測試成果見表1、表2與表3。同一測點3方向振動波形見圖2。

3.1 方案一爆破振動衰減規律分析

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

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

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

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

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

表1 方案一測試數據

表3 方案三測試數據

圖2 同一測點3個方向爆破振動速度

通過以上分析可得: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系見圖3。

采用薩道夫公式對數據擬合后的對比結果表明:質點振速在3個單一方向所得的衰減指數(K、α)關系存在較大差異,并且與規范參考值同樣存在偏差。單一方向擬合所得參數離散性較大,而合速度擬合所得衰減指數更穩定、更具有整體評估效果,更貼近實際綜合情況。

圖3表明,3個單一方向的振速變化趨勢接近,但是水平縱向振速過于分散。擬合出的衰減參數相互之間偏差較大。

圖3 爆心距與振速關系

3.2 方案一與方案三振動合速度對比分析

通過方案一與方案三合速度衰減規律的對比,分析爆炸地震波在毗鄰連續巖層中能量傳播的衰減規律。

由方案三質點振速數據擬合得參數K＝100.520;α＝1.225,故有:

據式(4)式(5)可得方案一與方案三質點振動合速度與爆心距之間的關系(見圖4)。

由方案一與方案三擬合所得衰減指數α以及圖4可知:隧道正洞右側壁質點振動合速度衰減速率明顯小于平行導洞左側壁質點振動合速度衰減速率,該現象表明正洞與平行導洞之間的中夾巖所消耗的爆破震動能量更多,亦即對中夾巖平行導洞左側部圍巖的損傷程度更顯著。當隧道周邊存在隱伏溶洞等空間時,迎爆側振動合速度衰減規律與圍巖損傷程度可參照衡量。

圖4 方案一與三振動合速度與爆心距的關系

3.3 方案二與方案三振動合速度對比分析

方案二與方案三對應于平行導洞迎爆側及其對側的質點振動速度測試,亦即方案二測試時存在氣－固介質轉換與爆炸地震波繞射問題,研究其振動合速度變化情況對研究非填充型溶洞的爆炸地震波衰減具有一定的指導意義。

由方案二質點振速數據擬合得參數K＝315.495;α＝1.225,即有:

由方案三質點振速數據擬合得參數K＝100.520;α＝1.225,即有:

對方案二和方案三所得振動合速度與比例藥量同時取對數進行線性擬合,其關系見圖5。

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

圖5 方案二與方案三(1/3lgQ－lgR)—lgV關系

3.4 已開挖區與未開挖區振動合速度對比分析

在方案三的基礎上,將測點以爆心為界對稱布置(見圖6),測得在同一爆破條件下已開挖區和未開挖區的振動數據,據此分析爆心前方及其后側的爆破地震衰減規律。

(1)對未開挖區收集到的測振數據進行擬合,得出其衰減參數K＝181.796和α＝1.130,則有:

(2)對已開挖區收集到的測振數據進行擬合,得出其衰減參數K＝315.495和α＝1.225,則有:

未開挖區與已開挖區質點振動合速度與爆心距之間關系如圖7所示。由圖7可知:隨著爆心距的加大,平行導洞中對應于已開挖區與未開挖區的振動合速度衰減速率相近。但在同一爆心距下,已開挖區振動合速度明顯低于未開挖區,且爆心距越小,其差異越大。

該現象表明:爆心前方的地震波在連續巖體中傳播時,其能量損耗相對較小,在遇到溶洞等隱伏空間自由面時表現為更大的質點振動速度,其所造成的損傷亦更大。而爆心后方已開挖區中地震波傳播路徑發生改變,存在一定的繞射現象,其地震波能量衰減較大,對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 對稱測點布置

圖7 未開挖區和已開挖區振動合速度與爆心距的關系

4 結 論

(1)單一方向振速數據分析所得爆破振動衰減規律會影響預報效果,這主要是因為單一方向振速數據收集時,數據點相對更加分散,容易偏離實際情況。采用振動合速度來擬合分析爆破振動衰減規律更加接近實際情況。建議采用速度矢量合成的方式來擬合衰減指數,從而獲得更加符合現場實際情況的爆破振動衰減規律。

(2)采用薩道夫斯基理論對隧道內采集的質點振速數據進行擬合,其場地系數K和衰減指數α與露天振動測試所得數值相比偏差較大,建議形成以隧道圍巖等級相對應的場地系數和衰減指數參考范圍取值表,以達到更好的預報效果。

(3)由隧道正洞右側壁與平行導洞左側壁質點振動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能量,會加劇平行導洞左側部圍巖的損傷。

(4)分析平行導洞左右兩側測點衰減規律可知,巖溶地區隧道在爆破過程中所產生的地震波經過溶洞時會改變傳播路徑,形成繞射加劇了相鄰隧道與溶洞周邊圍巖的損傷,不利于溶洞整體穩定,更容易產生地質災害。

(5)爆破振動能量在掌子面前方連續巖體中傳播時,其能量損耗相對較小。故當遇到溶洞等隱伏空間自由面時表現為更大的質點振動速度,對溶洞造成的損傷亦更大,加劇溶洞結構失穩。

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2017-05-09)