泥巖砂巖互層隧道光面爆破圍巖損傷試驗研究

張 林

(中鐵上海工程局第一工程有限公司，安徽蕪湖 241000)

隧道圍巖穩(wěn)定性受節(jié)理分布情況和巖性特征影響較大，如果圍巖的節(jié)理發(fā)育且?guī)r性復(fù)雜，通常隧道圍巖的自身穩(wěn)定性較差[1-3]。山嶺隧道多采用鉆爆法施工，而在掘進爆破會對圍巖造成不可避免的損傷，這種損傷通常表現(xiàn)為爆生裂隙的擴張。爆生裂隙會進一步弱化圍巖的自身穩(wěn)定性，在爆生裂隙與原生節(jié)理共同作用下，可能會引起局部掉塊、甚至垮塌等失穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致比較明顯的超挖現(xiàn)象。這不僅會影響隧道施工安全，還會增加噴射混凝土的用量，使得工程進度滯后，進而增加施工成本[4-7]。爆破作用下的隧道圍巖損傷范圍可以采用聲波探測技術(shù)，根據(jù)聲波在圍巖內(nèi)傳播的規(guī)律進行判斷。隧道圍巖損傷范圍主要受掘進爆破參數(shù)和圍巖性質(zhì)影響，而圍巖性質(zhì)屬于客觀條件，因此針對特定的圍巖性質(zhì)制定相對應(yīng)的爆破參數(shù)可以有效的減小損傷范圍，充分發(fā)揮隧道圍巖的自穩(wěn)能力，提高爆破成型效果，減少隧道超挖現(xiàn)象，從而加快施工速度，降低工程造價[8-12]。

1 工程概況

玉磨鐵路是指玉溪—普洱—景洪—磨憨的鐵路，是泛亞鐵路中線的重要組成部分，是云南省乃至中國通向老撾、緬甸、泰國、馬來西亞、新加坡的重要國際大通道的連接線，全長 507.4 km，為雙線電氣化鐵路，設(shè)計時速 160 km/h。會排山隧道位于普洱—普文站區(qū)間，進口里程 DK291+225，出口里程 DK298+700，全長 7 475 m，為單洞雙線隧道。會排山隧道隧址區(qū)屬于低中山地貌，地面高程 1 100～1 600 m，局部較陡，地形起伏較大，山間溝壑發(fā)育，丘坡上覆土層較薄，局部基巖裸露，植被極茂密。隧道穿越地層主要為白堊系下統(tǒng)南新組上段泥巖夾砂巖，下段石英砂巖、砂礫巖夾泥巖等。

2 圍巖損傷試驗

聲波探測是一種無損檢測技術(shù)，在工程質(zhì)量檢測和地質(zhì)勘察中都有廣泛都應(yīng)用，測試儀器由聲波發(fā)射系統(tǒng)、接收換能器、聲波記錄系統(tǒng)、聲波分析系統(tǒng)組成。根據(jù)彈性波在固體介質(zhì)中的傳播原理，圍巖的巖性、裂隙發(fā)育情況等地質(zhì)條件都會引起聲波傳播規(guī)律發(fā)生變化，尤其是對聲波的傳播速度影響較為明顯。隧道掘進爆破產(chǎn)生的爆生裂隙也會影響聲波的傳播速度，根據(jù)聲波傳播速度的變化規(guī)律可以判斷出爆破施工造成的圍巖損傷范圍。

聲波探測采用雙孔測試法，雙孔測試法是在待測位置鉆兩個相互平行的探測孔，然后將聲波探頭分別放置在探測孔底部，同步將兩個探頭按相等的軸向距離向外抽出，依次記錄測試結(jié)果。針對會排山隧道試驗段進行多次測試，每次采用不同的掘進爆破參數(shù)，根據(jù)聲波測試結(jié)果判斷不同爆破參數(shù)作用下圍巖的損傷范圍，綜合考慮損傷范圍的測試結(jié)果和實際的爆破效果，最終確定適用于會排山隧道的掘進爆破參數(shù)。

2.1 試驗過程

會排山隧道試驗段屬于Ⅳ級圍巖，單循環(huán)進尺為3.0 m左右，試驗共進行5個循環(huán)，由于掘進爆破周邊孔的爆破參數(shù)是影響隧道圍巖損傷范圍的主要因素，因此5個循環(huán)采用不同的爆破參數(shù)，周邊孔均采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，孔距為0.4～0.6 m，光爆層厚度0.5～0.75 m，單孔裝藥量為400～700 g，周邊孔布置如圖1所示，具體爆破參數(shù)見表1。

圖1 周邊孔布置示意

為了檢測每循環(huán)爆破對圍巖的損傷范圍，在爆破對應(yīng)的隧道邊墻設(shè)置探測孔，各探測孔按離掌子面由遠至近依次編號為1#、2#……16#，各探測孔與掌子面平行，孔間水平距離約為1.0 m，孔深約為2.0 m，探測孔與水平方向的夾角20～25 °，孔徑42 mm，聲波探測孔剖面布置如圖2所示，平面布置如圖3所示。聲波探測孔鉆設(shè)完成后，為避免在測試過程中卡住探頭需要先將孔內(nèi)的巖渣清除。測試前應(yīng)根據(jù)探測孔的孔深、孔間距和角度等參數(shù)輸入測試儀器，調(diào)整儀器參數(shù)。然后將聲測探頭連接至儀器，并將儀器探頭的提升方式設(shè)置為手動。將聲測探頭緩緩置于探測孔底部，采集時探頭每次提升距離約10 cm，在提升過程中應(yīng)注意兩個探頭提升的同步性。當(dāng)兩個探頭提升至探測孔口位置時，取出探頭，測試過程結(jié)束。現(xiàn)場測試情況見圖4。

表1 周邊孔爆破參數(shù)

圖2 聲波探測孔剖面布置示意

圖3 聲波探測孔平面布置示意

圖4 聲波測試現(xiàn)場

2.2 試驗結(jié)果與分析

在會排山隧道右側(cè)邊墻共設(shè)置16個聲波探測孔，針對5個循環(huán)共測得聲波數(shù)據(jù)15組，聲測探頭在孔內(nèi)每次提升的距離約為10 cm，由于存在聲波探測孔深度的鉆設(shè)誤差，每組的有效數(shù)據(jù)有16～18個，具體波速測試數(shù)據(jù)如表2所示，單位為km/s。

針對會排山隧道試驗段的圍巖損傷測試共做了5個循環(huán)，每個循環(huán)測得3組波速數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制出5個循環(huán)的波速隨探測孔深度變化曲線，分別如圖5～圖8所示。

圖5 第1循環(huán)波速隨探測孔深度變化曲線

圖6 第2循環(huán)波速隨聲測孔深度變化曲線

圖7 第3循環(huán)波速隨聲波孔深度變化曲線

圖8 第4循環(huán)波速隨聲波孔深度變化曲線

圖9 第5循環(huán)波速隨聲波孔深度變化曲線

由會排山隧道圍巖聲波測試結(jié)果和波速隨聲波孔深度變化曲線可以看出:

波速沿探測孔深度方向和相同深度不同組別的波速均存在一些變化，說明泥巖砂巖互層的隧道圍巖均勻性較差。

波速隨測點距孔口距離的增加總體趨勢為逐步增加，當(dāng)距離較近時，波速值較小，當(dāng)距離增加到一定程度時，波速趨于穩(wěn)定并接近原巖波速，表明在隧道開挖輪廓附近的圍巖在掘進爆破的作用下會產(chǎn)生一定程度的損傷，圍巖損傷范圍即波速明顯低于原巖波速的范圍。

根據(jù)5個循環(huán)波速隨聲波孔深度變化曲線圖中可以基本判斷出每循環(huán)的圍巖損傷范圍，第1循環(huán)為0.3～0.35 m，第2循環(huán)為0.4～0.45 m，第3循環(huán)為0.3～0.4 m，第4循環(huán)為0.45～0.5 m，第5循環(huán)為0.6～0.65 m。

表2 聲波測試數(shù)據(jù) km/s

對比第1、2循環(huán)和第3、4循環(huán)的波速變化曲線，當(dāng)周邊孔布置參數(shù)相同時，增加單孔裝藥量，則圍巖損傷范圍變大。因此，降低單孔裝藥量對控制圍巖損傷范圍有利。

對比第2、3循環(huán)的波速變化曲線可知，當(dāng)單孔裝藥量相同時，加大周邊孔間距，可以降低損傷范圍。

第3循環(huán)中周邊孔孔底位置的損傷范圍略大，此外第4、5循環(huán)損傷范圍內(nèi)的波速值也存在一定的波動。說明對于泥巖砂巖互層的隧道圍巖，增加周邊孔間距，圍巖的原生節(jié)理可能會對損傷范圍產(chǎn)生影響。

對比第4、5循環(huán)的波速變化曲線，在孔距和單孔裝藥量相同的情況下，提高光爆層厚度也會導(dǎo)致?lián)p傷范圍的擴大，分析其原因可能是光爆層厚度變大增強了周邊孔爆破的夾制作用，使得周邊孔爆生裂隙向隧道圍巖內(nèi)擴張的趨勢有所提高。

3 結(jié) 論

根據(jù)針對會排山隧道試驗段中周邊孔爆破參數(shù)不同的5個循環(huán)聲波探測結(jié)果與分析，可以得出以下主要結(jié)論。

泥巖砂巖互層的隧道圍巖均勻性較差，隧道周邊孔爆破會造成圍巖的損傷，損傷范圍與周邊孔的爆破參數(shù)有關(guān)，當(dāng)周邊孔布置參數(shù)相同時，圍巖損傷范圍隨單孔裝藥量的增加而變大。孔距和單孔裝藥量相同的情況下，損傷范圍隨光爆層厚度的增加而變大。

確定泥巖砂巖互層隧道周邊孔爆破參數(shù)時，應(yīng)采用較低的單孔裝藥量，較小的周邊孔間距和光爆層厚度，可以減少掘進爆破對隧道圍巖的損傷范圍，改善爆破的成型效果，減少超欠挖現(xiàn)象。