爆破作用下巖體累積損傷效應的聲波測試

何 程

（中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136）

巖體的構造及其特征的探討可以通過聲波技術來實現，當聲波穿過巖體介質時，會將其中的大量信息攜帶出來，透過這些信息，可以了解到關于巖體內部的結構及相關特征[1-2].

近年來，聲波檢測技術在爆破工程中應用廣泛.蘇洪[3]基于聲波檢測技術對圍巖體在爆破過程的中損傷程度進行了分析.許夢飛等[4-5]基于聲波檢測手段對爆破后隧道開挖區圍巖的滲流場分布進行了檢測，并基于Hoek-Brown 強度準則建立了考慮爆破震動作用的損傷本構模型.劉閔龍等[6]通過聲波檢測技術對小凈距隧道圍巖爆破后的損傷進行了監測，分析了爆破作用對圍巖的影響.有研究指出，聲波檢測可以更直觀的反映巖體受到破壞時內部發生破裂的整個進程，更靈敏，特別是巖體結構變化和主頻產生的波動[7].目前，聲波檢測技術已經作為巖體檢測中最常用的技術手段，對巖體爆破損傷累積效應方面非常有意義[8].

綜上分析可知，聲波檢測能夠更為真實的了解爆破后巖體結構累計損傷效應，通過RSM-SY5 智能型聲波監測儀對爆破后的隧道圍巖累計損傷進行現場監測，從而對爆破后圍巖損傷情況進行統計，為后續隧道施工提供可靠的技術支持.

1 聲波在爆破損傷巖體中的衰減特性

1.1 巖體聲波衰減機理

不同巖體的傳播速度各不相同，聲波由于受到介質特性的影響，加上傳播距離、波數和頻率的輻射，傳播速度也會明顯不同.聲波會因為介質的不同存在較大差別，頻率越高，其衰減程度越深.巖體對于聲波的吸收性是很強的，故此聲波透過巖體時，其受到的波動也非常明顯.聲波透過巖體介質時，會因為三個方面發生明顯變動：①由于波陣面擴張導致空間發散，最終因距離拉大聲波減弱，這種影響稱之為幾何擴散衰減；②巖體將波動的機械能轉化成熱能，影響了其傳播，這種情況稱為粘滯吸收衰減；③巖石內部本身存在的裂紋，縫隙等經過多次衍射、反射等，改變了原有波形方向導致表觀衰減，也就是散射衰減.

1.2 考慮巖體爆破損傷的聲波衰減系數

之前的研究中已有注意到巖體內部缺陷可能造成聲波波形的變動，不過由于研究時混淆了巖體裂紋和本征間的關系，導致最終得出的數據存在漏洞.考慮到巖體初始缺陷和經過爆破后發生的損傷所導致的聲波傳播減弱的情況，可以通過演示本征衰減和巖石裂紋造成的衰減進行區分[6].筆者假設聲波衰減系數是α，并且是由兩個相對獨立的部分構成的，那么：

式中，α0為巖石介質的聲波衰減系數，D為損傷變量，D=0～1.通常情況下巖體會因為兩種原因造成損傷，D=D0+ΔD，其中D0代表的是初始損傷值，也就是巖體本身就存在的缺陷，ΔD代表的是爆破損傷，也就是發生爆破后巖體內部構造出現的變化情況.

基于品質因子進行描述的聲波衰減公式：

式中，νp為巖體中的聲波傳播速度，m/s.ω為巖體中聲波的圓頻率，Hz .可見，聲波衰減系數α與品質因子Q呈反比.

初始損傷其實就是沒有進行爆破前的原始數據，D=D0，則α=α0.相對的品質因子Q有最大值Qmax.發生爆破后，巖體內部構造出現大量裂紋，且有擴散可能，品質因子Q出現衰減，公式如下：

2 現場試驗過程

2.1 布置現場測點

現場設置的聲波測試孔和爆破孔均在隧道側墻上面，布置圖見圖1.

圖1 孔位布置圖

使用YG90 型中深孔鉆機統一鉆孔，全部孔徑均為60 mm，孔深均4.90 m.考慮到測試需要，所有鉆孔均水平往下傾斜5°，鉆孔均保持平行，共計1 個爆破孔和9個聲波測試孔.實施階段，發現7 號孔和第5 根釬桿掘進時，發生卡頓，而2 號孔出現流水，反映2 號孔與7 號孔底部是聯通的，兩種有出現局部破碎帶，所以我們將2 號和7 號孔不納入考慮.

2.2 測試儀器

此次測試所選擇的儀器為RSM-SY5 智能型聲波儀，具有的特征是：雙通道，滿足各種形式的觸發需求和電平選擇，使用的收發方式是分開的雙孔增壓式換能器，頻譜功能簡單，最小采樣間隔是0.1 μs，頻率是60 kHz，12 位A/D 轉換，定點或浮點增益范圍1～10 000.聲波測試儀器的實物參照圖，見圖2.

圖2 聲波測試儀

2.3 測試過程

本次測試使用的是小藥量爆破模擬實驗的形式，共計進行十次操作，參數見表1.測試進行時，發射探頭和接收探頭保持水平一致，以一收一發的跨孔測試形式推進.開始實驗前，先進行聲波孔檢查，掌握好巖體在實施爆破前的真實情況，為爆破累積損傷的研究工作提供了有價值的內容.進行檢測的剖面線有5 條，分別進行了編號：1-5、1-6、3-6、4-5 和8-9.進行測試時，聲波換能器可以從測試孔的底部以每次0.2 m向孔口移動，每一次測試完畢要詳細記錄測試數據，且下一次開始測試前，要認真記錄好相關參數，其中包含數據校零、剖面編號、孔口位置和孔距等.

表1 爆破參數表

3 測試結果與分析

3.1 多次爆破作用下聲波波形變化規律

數次爆破的影響下，巖體疲勞損傷逐步疊加，內部出現大量裂紋，且不斷擴散，聲波在這種環境中的傳播受到很大影響，正因如此，波屏中的聲波波形數據發生劇烈變動.隨著爆破次數的增加，這種波動反映出了一定的規律.根據這種情況分析巖體爆破積累損傷效應.

為了能夠掌握住爆破次數的多寡是否會影響聲波波形的變化，通過測試記錄，分別取4.7 m 孔深處，剖面8-9 和剖面1-5 的測試波形進行對比分析，如圖3 所示，典型聲波波形測試情況，爆破前，巖體聲波波形呈非對稱紡錘形，當巖體受到沖擊，巖體波形變化劇烈.爆破次數增加，聲波波形變得不穩定.1-5 的波形變化趨勢沒有8-9 的波動趨勢明顯，出現這種情況的原因是由于8-9 剖面距離爆源較近，受爆破損傷影響程度更深，聲波傳播會因為介質損傷程度的加深，出現劇烈變動.從圖例中可以較為直觀的認識到，爆破次數的增加，介質會吸收聲波能量，波形聲腔衰減，甚至會有波峰數值增加的情況.和初始數據對比，前幾次爆破后的聲波波形變化并不大，但10 次爆破后，波形相差非常明顯，將所有采集的數據進行相關性分析，進一步分析巖體爆破的損傷累積情況.

圖3 4.7 m 孔深處不同剖面波形

3.2 多次爆破作用下最大振幅的變化規律

為找到聲波最大振幅爆破次數增加的變化規律，筆者將通過聲波測試進行分析，采取剖面8-9、1-5及3-6 為研究對象，以4.7 m 和4.5 m 孔深處，經過研究后取得上述的聲波最大振幅，因爆破次數的增加，聲波波形發生的變化，見圖4.

圖4 不同剖面最大振幅隨爆破次數變化規律

根據最大振幅，可以了解到聲波能量的變化趨勢，而這種變化則反映了聲波透過介質后的變化曲線.從圖中可以看出，爆破次數的增加，會造成聲波最大振幅的衰減，由此可見巖體會因為爆破損傷積累，內部產生裂紋，甚至不斷擴散，從而引致聲波能量減弱.隨著爆破次數的增加，聲波最大振幅變化趨勢不明顯，原因是剖面距爆源較遠，幾乎不受爆破的影響.隨著爆破次數的增加對最大振幅的變化規律與聲速的變化趨勢做出對比，可以清晰的了解到，最大振幅比聲速對爆破次數的敏感性要強烈.

3.3 波形相關性分析

聲波波形會因為爆破次數的增加發生劇烈變動，這種規律是不穩定的，由于巖體內部受到爆破沖擊，其構造發生變動，這種損傷是不可逆的，收集這種情況下的聲波波形數據，將其導入到Matlab7.0 工具軟件，并且記錄下每一次爆破后的巖體聲波波形數據，將每次得到的數據跟原始數據作比對，能夠得到相關性系數，將所有的資料錄入Origin 9.0 軟件下成圖.經過10 次測試之后，對8-9、1-5 及3-6 剖面的測試數據進行對比，可以直觀的發現相關波形數據會因為爆破次數的增加產生變化，見圖5.

圖5 不同剖面相關系數隨爆破次數變化規律

從圖5 中能夠發現，在爆破累積損傷影響下，隨著爆破次數的增加，巖體聲波波形相關系數會產生明顯衰弱，相關系數為非線性下降曲線.尤其是8-9 剖面，在經歷了10 次的爆破測試后，聲波波形相關系數明顯降低，甚至有跌破零到達負數的情況.數次的爆破，給介質內部造成很大負擔，產生了裂紋等缺陷，聲波傳遞受到了很大的阻礙.雖然在前幾次的測試中，聲波波形的相關系數變化并不如后幾次測試中產生的波動大，但是十次后的波形相關系數基本降低到0.5 以下.通過圖例5（c）能夠發現，3-6 的測試情況要相對平和一些，盡管發生了幾次爆破，但是造成的影響并不大，3-6 剖面對于爆破帶來的影響，其損傷程度并不大，可以說是幾乎沒有受到較大沖擊的.從而可以知道隨著爆破次數的增加，巖體聲波波形相關系數的變化規律跟最大振幅的變化趨勢大致相同.

4 結論

針對爆破作用對隧道工程圍巖的損傷劣化問題，筆者結合實際工程項目，對受爆破影響后的圍巖進行聲波監測，分析了損傷累積效應的誘發原因，具體結論如下：

（1）隧道圍巖受爆破作用影響前，聲波信號較強，振幅較大，隨著爆破次數的逐漸增多，聲波信號逐漸減弱，最大振幅逐漸減小；

（2）隨著爆心距的逐漸減小，聲波信號逐漸減弱，最大振幅逐漸減小；隨著爆破次數的逐漸增多，圍巖聲波波形相關系數逐漸下降，且下降幅度逐漸減弱，整體呈非線性下降趨勢.

（3）聲波透過巖體時發生衰減現象的原因包括幾何擴散衰減、粘滯吸爆破次數的遞增，巖體內部構造發生改變，出現大量裂紋.

根據現有結論，將進一步對頻譜探測在隧道等地下工程圍巖損傷方面的應用進行研究，以期為地下工程施工檢測提供更加準確的技術資料.