爆破施工對隧道二襯結(jié)構(gòu)影響的試驗(yàn)研究

陳秋南，賀泳超，鄒根，李君杰，周相識，周光裕

爆破施工對隧道二襯結(jié)構(gòu)影響的試驗(yàn)研究

陳秋南1, 2，賀泳超2，鄒根2，李君杰2，周相識3，周光裕3

(1. 湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；3. 湖南尚上公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410022)

為了研究隧道爆破振動施工對隧道混凝土二襯結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合湖南省張家界老木峪2號隧道對自制不同強(qiáng)度的混凝土試塊在不同齡期、不同爆心距的條件下進(jìn)行爆破振動試驗(yàn)。首先通過正交試驗(yàn)判斷出爆破振動對各因素影響程度的大小，然后采用壓力試驗(yàn)機(jī)測出不同強(qiáng)度混凝土試塊的極限荷載，最后通過混凝土試塊抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律分析其對二襯結(jié)構(gòu)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土強(qiáng)度是抵抗爆破振動的主要因素，在Ⅳ級圍巖臺階法施工情況下，24 h齡期時距爆破中心60 m處的C45強(qiáng)度混凝土受爆破影響最小。爆心距15 m處，C30，C35，C40和C45的混凝土強(qiáng)度折減比分別為21.1%，16.8%，13.2%和1.0%，遠(yuǎn)大于爆心距60 m處C30，C35，C40和C45的混凝土強(qiáng)度折減比4.1%，3.1%，2.2%和2.1%。

隧道；爆破振動；混凝土強(qiáng)度；二次襯砌

混凝土二襯結(jié)構(gòu)作為隧道工程施工的一個重要支護(hù)結(jié)構(gòu)，混凝土施工質(zhì)量的優(yōu)良直接影響到二襯結(jié)構(gòu)乃至整個隧道工程的安全?；炷磷鳛橐环N脆性材料，其抗拉強(qiáng)度較低，極限拉伸值較小，在爆破施工的條件下，二襯混凝土結(jié)構(gòu)容易受到破壞。早期的混凝土強(qiáng)度較低，所以爆破振動對于新澆筑的二襯混凝土有很大的傷害，特別是0~3 d齡期的混凝土。近20年來，國內(nèi)學(xué)者就爆破振動對混凝土結(jié)構(gòu)的影響方面進(jìn)行了大量的研究。由于爆破振動對混凝土結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不利的影響,所以為了新澆混凝土的強(qiáng)度能正常發(fā)育，劉景福等[1]編寫了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范其中規(guī)定了混凝土基礎(chǔ)面的安全質(zhì)點(diǎn)速度標(biāo)準(zhǔn)。張德華等[2]確定了噴射混凝土硬化速度對初期支護(hù)性能的影響規(guī)律。夏祥等[3]制定了塑性混凝土材料的爆破振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)。姚珊等[4]研究了爆破振動對地下廠房巖壁梁混凝土的影響。李毅敏等[5]分析早齡期混凝土損傷后的強(qiáng)度增長規(guī)律，建立了場地爆破與混凝土結(jié)構(gòu)澆筑平行施工的安全技術(shù)指標(biāo)。吳帥峰等[6]得出了新澆混凝土受爆破振動作用后在不同齡期下混凝土的安全振動速度。趙振國等[7]研究了爆破對不同齡期的噴射混凝土的影響。得出噴射混凝土破壞以剪切破壞為主，對0~3 d，3~7 d和7~28 d齡期的混凝土噴層，距掌子面安全距離分別是24，13和9 m。戴思南 等[8]研究了在爆破振動作用下，新澆大體積混凝土結(jié)構(gòu)尺寸及齡期對其振動響應(yīng)的影響。褚懷保等[9]設(shè)計(jì)了爆破振動對混凝土損傷的模擬實(shí)驗(yàn)，并分析了爆破振動對多次荷載條件下混凝土強(qiáng)度和耐久性的影響。王臣輝等[10]對連拱隧道的襯砌質(zhì)量進(jìn)行了分析，從優(yōu)化爆破施工、控制爆破藥量來保證先行洞混凝土結(jié)構(gòu)的安全。關(guān)于爆破振動對二襯混凝土的影響問題，目前的研究現(xiàn)狀及規(guī)范分別考慮了混凝土齡期、爆破振動速度、混凝土強(qiáng)度、爆破所需要的炸藥量等。但是，對不同強(qiáng)度的受振混凝土在不同齡期、不同爆心距的綜合條件下的安全問題研究卻很少。在實(shí)際隧道爆破施工中，影響二襯結(jié)構(gòu)的問題往往比較復(fù)雜，爆破振動對不同情況所產(chǎn)生的動態(tài)響應(yīng)一定有所區(qū)別。因此，有必要根據(jù)二襯混凝土的結(jié)構(gòu)特征，綜合考慮多方面因素對混凝土的影響?；诖?，本文對自制的4個不同強(qiáng)度的混凝土試塊在4個不同齡期與4個不同爆心距的條件下進(jìn)行爆破振動試驗(yàn)。通過正交試驗(yàn)得出二襯混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果，選出最優(yōu)組合，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，優(yōu)化隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、指導(dǎo)隧道施工。

1 工程概況

1.1 工程背景

老木峪2號隧道是武陵山大道拓改建工程(景區(qū)段)項(xiàng)目的控制性工程之一。隧道位于張家界市永定區(qū)，與已建老木峪隧道并行設(shè)置。老木峪2號隧道區(qū)工程地質(zhì)較簡單，附近無區(qū)域性斷裂構(gòu)造通過，地層巖性單一，基巖主要為頁巖。洞身涌水量小，但局部會出現(xiàn)滲水，主要為松散地層孔隙水和基巖裂隙水，水質(zhì)對鋼筋混凝土有微腐蝕性。未發(fā)現(xiàn)巖溶塌陷、崩塌、滑坡等不良地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害存在，無特殊性巖土分布。隧道全長2 060.00 m，隧道穿越Ⅴ(230 m)，Ⅳ(1 110 m)和Ⅲ(720 m)級圍巖段。本次試驗(yàn)在Ⅳ級圍巖條件下進(jìn)行，采用鉆爆法開挖，大量裝藥爆破釋放的能量部分直接以應(yīng)力波的形式傳播到周圍巖體中。爆破振源為上臺階爆破，孔深4 m，共有110炮孔，最大單孔裝藥量為30 kg，爆破施工過程中以設(shè)計(jì)制定的最小安全控制基準(zhǔn)5 cm/s為標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 混凝土的制備與檢測

混凝土試塊的制作參照普通混凝土制作標(biāo) 準(zhǔn)[11]，試塊使用為150 mm×150 mm×150 mm(骨料顆徑≤40 mm)的立方體，每組制作3個。采用張家界老木峪2號隧道施工現(xiàn)場混凝土配合比，目標(biāo)強(qiáng)度為C30，C35，C40和C45。

為探究混凝土在隧道爆破振動中所受爆破振動荷載的影響，本次試驗(yàn)檢測首先使用了ZBL-U5200非金屬超聲檢測儀檢測出所有混凝土試塊的波速，然后選用DYE-3000壓力試驗(yàn)機(jī)和RFP-03型智能測力儀，對養(yǎng)護(hù)28 d后的不同齡期、不同強(qiáng)度的混凝土的極限荷載與抗壓強(qiáng)度分別進(jìn)行檢測，并與未經(jīng)過爆破振動的混凝土進(jìn)行對比分析。

(a) 攪拌圖；(b) 模具圖；(c) 養(yǎng)護(hù)圖；(d) 儀器圖

2 隧道二襯影響因素試驗(yàn)

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是從全面試驗(yàn)設(shè)計(jì)中選取有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。它借助規(guī)格化的正交表格，科學(xué)地安排試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較、分析，能找出最優(yōu)或較優(yōu)的試驗(yàn)方案。

根據(jù)現(xiàn)場情況，本試驗(yàn)共進(jìn)行了16組試驗(yàn)。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種影響因素分別是：混凝土強(qiáng)度、混凝土齡期和爆心距；設(shè)計(jì)了4種水平分別是：C30，C35，C40和C45強(qiáng)度的混凝土，12，24，36和48 h齡期下的混凝土，15，30，45和60 m的爆心距。在所選的正交表格中，把相應(yīng)的因素與水平條件輸入表格，便形成了試驗(yàn)方案，如表1。

2.2 方案步驟

首先為保證試驗(yàn)變量單一，本次試驗(yàn)需要在同一次爆破中進(jìn)行。因此齡期為48 h的試塊在爆破前48 h制成，齡期為36 h的試塊在爆破前36 h制成，其他齡期以此類推，保證時間間隔相同。其次將制備好的混凝土試塊根據(jù)試驗(yàn)的要求，放置在距爆破中心由近及遠(yuǎn)的4個測點(diǎn)上，分別為15，30，45和60 m。每個測點(diǎn)布置試驗(yàn)方案中相同的3個混凝土試塊。最后將經(jīng)過爆破振動后的所有混凝土試塊養(yǎng)護(hù)28 d之后進(jìn)行超聲波檢測與混凝土強(qiáng)度檢測。通過正交試驗(yàn)得出主要影響因素與最優(yōu)組合，基于正交試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果將受振混凝土試塊與未經(jīng)過爆破振動的C30，C35，C40和C45混凝土試塊進(jìn)行對比，分析主要因素的變化規(guī)律以及對二襯性能的影響。

表1 正交表格

3 試驗(yàn)檢測與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)檢測方法

利用ZBL-U5200非金屬超聲檢測儀中的超聲法不密實(shí)區(qū)和空洞檢測，檢測混凝土的波速。其原理是通過脈沖波在混凝土中傳播的時間、接受波的振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的相對變化，來判斷混凝土的缺陷。本試驗(yàn)采用對測法，儀器參數(shù)調(diào)整完后，使首波前沿基線彎曲的起始點(diǎn)對準(zhǔn)游標(biāo)脈沖的前沿開始進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果取相同3個混凝土試塊的平均值。

利用DYE-3000壓力試驗(yàn)機(jī)和RFP-03型智能測力儀將經(jīng)過爆破振動作用后的混凝土試塊與未經(jīng)過爆破振動作用的混凝土試塊在標(biāo)養(yǎng)28 d后進(jìn)行檢測。使用DYE-3000壓力試驗(yàn)機(jī)，首先將混凝土試塊表面擦拭干凈，檢查外觀是否有明顯缺陷，若無明顯缺陷，然后將混凝土試塊放入下壓板正中間，并按試件大小，轉(zhuǎn)動手輪和絲杠，調(diào)節(jié)上壓板至適當(dāng)位置，最后按下啟動按鈕，調(diào)控送油閥，按正常速率穩(wěn)定進(jìn)行加荷試驗(yàn)，持續(xù)觀察直至混凝土試塊壓碎，負(fù)荷開始下降時迅速關(guān)閉回油閥。試驗(yàn)結(jié)束時，將RFP-03型智能測力儀上的方值與速率記下，并按面板上打印鍵。智能測力儀即可打印本次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

分析混凝土強(qiáng)度對試驗(yàn)指標(biāo)的影響，由表1可以看出，C30混凝土的影響反應(yīng)在1，2，3和4號試驗(yàn)中，C35混凝土的影響反正在5，6，7和8號試驗(yàn)中，C40混凝土的影響反應(yīng)在9，10，11和12號試驗(yàn)中，C45混凝土的影響反應(yīng)在13，14，15和16號試驗(yàn)中。根據(jù)正交表格可得混凝土強(qiáng)度對試驗(yàn)指標(biāo)的影響。

第1水平：

第2水平：

第3水平：

第4水平：

(a) 波速?強(qiáng)度關(guān)系；(b) 波速?齡期關(guān)系；(c) 波速?爆心距關(guān)系

根據(jù)正交試驗(yàn)定義的各因素指標(biāo)趨勢和表1的數(shù)據(jù)，可計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果的極差，結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

由此可知，本試驗(yàn)因素的主次順序?yàn)椋夯炷翉?qiáng)度＞爆心距＞混凝土齡期。即混凝土強(qiáng)度對試驗(yàn)的影響最大，為重要因素。其次是爆心距，而混凝土齡期相對于混凝土強(qiáng)度和爆心距對試驗(yàn)影響較小。從正交試驗(yàn)可以得出爆破振動對24 h齡期時距爆破中心60 m處的C45強(qiáng)度混凝土的影響最小。

3.3 混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律分析

基于正交試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出爆破振動對混凝土二襯結(jié)構(gòu)影響的主要影響因素為混凝土強(qiáng)度。采用壓力試驗(yàn)機(jī)測出受振混凝土試塊在不同齡期、不同爆心距的極限荷載與抗壓強(qiáng)度并與未經(jīng)過爆破振動的混凝土進(jìn)行對比分析。

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度可按以下公式計(jì)算：

式中：為混凝土立方體試塊的抗壓強(qiáng)度，MPa；為混凝土試塊承受的極限荷載，N；為試塊的承壓面積，mm2。本試驗(yàn)制備了邊長為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，利用壓力試驗(yàn)機(jī)能檢測出各混凝土試塊的極限荷載，通過計(jì)算得出其抗壓強(qiáng)度，如表3所示。表中采用了齡期為24 h爆心距分別在15 m和60 m的混凝土試塊。還設(shè)計(jì)了未經(jīng)過爆破振動的C30，C35，C40和C45混凝土試塊作為對照組。

表3 抗壓強(qiáng)度

由表3數(shù)據(jù)可知，制備的所有混凝土試塊與目標(biāo)強(qiáng)度混凝土相比都要比目標(biāo)強(qiáng)度低。相同目標(biāo)強(qiáng)度條件下距爆破中心15 m和60 m的受振混凝土試塊與未經(jīng)過爆破振動的混凝土試塊相比，受振混凝土試塊都比未經(jīng)過爆破振動的混凝土試塊的強(qiáng) 度低。

定義混凝土強(qiáng)度折減比：

式中：為定義的混凝土強(qiáng)度折減比；1為未經(jīng)過爆破振動的混凝土試塊的強(qiáng)度，MPa；2為爆破受振后的混凝土試塊的強(qiáng)度，MPa。計(jì)算可得出在相同齡期，爆心距15 m的條件下，C30，C35，C40和C45的混凝土強(qiáng)度折減比1，2，3和4分別為0.211 4，0.167 6，0.131 6和0.109 7；在相同齡期，爆心距60 m的條件下，C30，C35，C40和C45的混凝土強(qiáng)度折減比5，6，7和8分別為0.040 9，0.031 2，0.021 9和0.020 9。通過定義強(qiáng)度折減比可知，隨著混凝土強(qiáng)度的提升，爆破振動對其影響逐漸減小，但爆心距60 m處C40混凝土比C45混凝土強(qiáng)度折減比只高了0.1%。相同目標(biāo)強(qiáng)度下15 m處混凝土試塊受振影響遠(yuǎn)大于60 m處混凝土試塊受振影響。

4 結(jié)論

1) 在Ⅳ級圍巖臺階法施工情況下，對于隧道爆破開挖，混凝土強(qiáng)度是影響二襯質(zhì)量的主要因素，混凝土強(qiáng)度越高，受爆破振動的影響越小。二襯與掌子面保持的相對距離與澆筑二襯的時間也對二襯質(zhì)量有一定影響，距爆破中心越遠(yuǎn)，受爆破振動的影響越??；混凝土齡期為24 h時受爆破振動影響較小。在施工時應(yīng)當(dāng)對此引起足夠重視。

2) 科學(xué)的制定隧道二襯受爆破振動的方案，是合理安排施工作業(yè)，有效減少爆破施工對二襯不利影響的關(guān)鍵。本文通過分析，提出在Ⅳ級圍巖臺階法施工情況下，24 h齡期時距爆破中心60 m處的C45強(qiáng)度混凝土受爆破影響最小。以此為基礎(chǔ)可以研究其他工況下的最優(yōu)方案。

3) 在Ⅳ級圍巖臺階法施工情況下，爆心距15 m處，C30，C35，C40和C45的混凝土強(qiáng)度折減比分別為21.1%，16.8%，13.2%和11.0%，遠(yuǎn)大于爆心距60 m處C30，C35，C40和C45的混凝土強(qiáng)度折減比4.1%，3.1%，2.2%和2.1%。因此二襯結(jié)構(gòu)在緊跟掌子面施工時，二襯結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度混凝土尤為重要，能確保施工過程中隧道不良地段施工的有效性及整個隧道施工的安全性。

4) 經(jīng)過隧道爆破振動后的混凝土試塊比未經(jīng)過爆破振動的混凝土試塊的強(qiáng)度都有所降低。爆心距60 m處C40混凝土與C45混凝土強(qiáng)度折減比只相差0.1%。但在實(shí)際施工工程中，選取C45混凝土使工程成本增加，所以，選取C40混凝土作為二襯結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。

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Experimental study on influence of blasting construction on secondary lining structure of tunnel

CHEN Qiunan1, 2, HE Yongchao2, ZOU Gen2, LI Junjie2, ZHOU Xiangshi3, ZHOU Guangyu3

(1. Hunan Provincal Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stablility Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 3. Hunan Sunshine Construction Co., Ltd, Changsha 410022, China)

In order to investigate the effect of blasting vibration construction on the secondary lining of tunnel, blasting vibration tests were carried out on self-made concrete blocks with different strength at different ages and different distance from explosive source blasting in Laomuyu No.2 Tunnel of Zhangjiajie, Hunan Province. First, the influence degree of blasting vibration on each factor was judged by orthogonal tests. Then, the ultimate load of concrete blocks with different strength was measured by pressure testing machine. Finally, the influence of blasting vibration on the secondary lining was analyzed by the change rule of compressive strength of concrete blocks. The test results show that the concrete strength is the main factor to resist blasting vibration. Under the condition of stage IV surrounding rock bench construction, the C45 strength concrete at 60 m from the blasting center in 24 hage period is least affected by blasting. The strength reduction ratios of C30, C35, C40 and C45 are 21.1%, 16.8%, 13.2% and 11.0% respectively at 15 m of the detonation center distance, which are much larger than those of C30, C35, C40 and C45 at 60 m of the detonation center distance by 4.1%, 3.1%, 2.2% and 2.1%.

tunnel; blasting vibration; concrete strength; secondary lining

TU94+2

A

1672 ? 7029(2020)03 ? 0676 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190377

2019?05?05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51909087，51878270，51778227)；湖南交通科技進(jìn)步與創(chuàng)新項(xiàng)目(201712)；湖南省教育廳科研項(xiàng)目(18K064)

陳秋南(1968?)，男，江西蓮花人，教授，博士，從事巖土與隧道工程研究；E?mail：cqndoc@163.com

(編輯 陽麗霞)