砂泥巖互層巖質邊坡爆破振動衰減規律現場試驗研究

何麗平，汪曉俊，郭劍雄，潘 劍，張繼奎，蔣 楠

（1.中交四航局第三工程有限公司, 廣東 湛江 524000；2.中交四航工程研究院有限公司, 廣東 廣州 510000；3.廣西平陸運河建設有限公司, 廣西 南寧 530000；4.中國地質大學（武漢）工程學院, 湖北 武漢 430074）

在交通、礦山、水利水電等爆破工程領域中，巖質邊坡在爆破振動作用下時常出現崩塌、滑動等失穩現象[1–2]?？刂茙r質邊坡在爆破振動作用下的安全穩定，已成為此類工程安全高效進行的關鍵。為保證巖質邊坡在爆破振動作用下安全穩定，需要明確爆破振動在巖質邊坡中的衰減規律。

目前，學者們針對巖質邊坡中的爆破振動衰減規律開展了較多的工作。在數值模擬方面：陳明等[3]通過有限元數值模型，分析了爆破振動作用下巖質邊坡的振動響應機制，揭示了爆破振動在邊坡中的高程放大效應；蔣楠等[4]利用LS-DYNA 數值模擬軟件，分析了不同坡度下巖質邊坡的爆破振動衰減規律，提出了考慮邊坡坡度的爆破振速預測公式；Azizabadi 等[5]采用離散元數值模擬方法，結合波形疊加理論，較系統地分析了爆破振動對巖質邊坡穩定性的影響；Hu 等[6]基于LS-DYNA 數值模擬軟件分析了不同爆破方式對巖質邊坡穩定性的影響，優化了巖質邊坡爆破開挖的方法和參數；唐旭等[7]利用FLAC3D軟件建立數值模型，結合現場監測數據，分析了巖質邊坡在爆破振動作用下的振速和位移衰減規律，得到了振動加強場出現在坡面和坡腳處的結論；孫鵬昌等[8]通過數值模擬和現場實測數據驗證，分析了爆破振動作用下單薄山體巖質高邊坡的衰減規律，提出了控制邊坡安全穩定的措施。在現場試驗方面：李維光[9]在室內試驗的基礎上，利用現場試驗進行驗證，進一步分析了爆破振動對邊坡潛在滑坡體穩定性的影響；王智德等[10]通過分析4 次現場爆破試驗的振速監測數據，分析了巖質邊坡不同位置處的振動衰減規律，提出了預測最大安全藥量的公式；厲美杰等[11]采用回歸分析法，分析了現場爆破振動數據，得到了巖質邊坡中的爆破振動衰減規律，據此提出了提高邊坡穩定性的具體措施。

上述研究多針對巖性單一的巖質邊坡，關于巖性多變的層狀巖質邊坡研究相對較少，尤其是諸如砂泥巖互層等軟硬巖互層巖質邊坡，相關研究更鮮有涉及。事實上，軟硬巖互層巖質邊坡中軟巖層屬于軟弱夾層，在爆破擾動下更易發生失穩破壞[12–13]。另外，目前大多采用數值模擬開展相關研究，少有全尺寸模型試驗?；诖耍狙芯恳劳衅疥戇\河青年樞紐一期工程，通過開展現場爆破試驗，深入研究爆破振動在砂泥巖互層巖質邊坡中的衰減規律，以期為控制軟硬巖互層巖質邊坡的安全穩定以及平陸運河青年樞紐一期工程的安全高效推進提供參考和指導。

1 砂泥巖互層巖質邊坡工程概況

1.1 邊坡工程背景及概況

平陸運河是我國自京杭大運河后一千多年來的第一條運河，以發展航運為主，兼顧供水、灌溉、防洪、改善水生態環境等，建成后對廣西及西南內陸省份的航運具有重要的戰略意義。運河從上游至下游建設馬道、企石、青年3 個梯級樞紐，如圖1 所示，其中青年樞紐處于最下游梯級，位于青年水閘上游約1.8 km。在青年樞紐一期工程建設過程中，需要對船閘高程0.5 m 以上的巖層進行土石方爆破開挖，最大邊坡開挖高度約70 m，爆破藥量大、次數多，爆破振動效應明顯。此外，現場地質調查結果表明，青年樞紐區域的工程地質條件復雜，巖體類型包括泥巖、泥質砂巖、砂巖等，邊坡多是由泥質軟巖及砂巖組成的順層、逆層巖質高邊坡，最大高度為75.5 m。順層軟硬巖互層高邊坡在爆破擾動下易沿層理面、節理面等軟弱結構面發生滑移，逆層巖質邊坡在動力作用下也可能發生傾倒破壞或局部崩塌[14–15]。因此，如何控制砂泥巖互層巖質邊坡在爆破振動作用下的安全穩定是青年樞紐一期工程亟待解決的問題。

圖1 平陸運河走向和青年樞紐布置Fig.1 Course of the Pinglu canal and Qingnian hub layout

1.2 砂泥巖互層地質概況

為研究爆破振動在砂泥巖互層巖質邊坡中的傳播規律，保證砂泥巖互層巖質邊坡在爆破振動作用下安全穩定，應首先明確砂泥巖互層巖質邊坡的地質概況。根據現場勘察資料，青年樞紐區域地層多變，主要包括第四系全新統人工堆積層（ Qm4l）、第四系全新統沖洪積層（）、殘坡積層（Qel+dl）、白堊系上統上組上段（ K22b）、志留系下統連灘群第四組（S1lnd）等。其中，志留系下統連灘群第四組地層分布廣，巖體組成復雜，多為泥巖和砂巖互層，其巖石的物理力學參數如表1 所示，其中：ρn為自然密度，ρs為飽和密度，w為吸水率，ku為飽和系數。

表1 志留系下統連灘群第四組巖石的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass in the fourth group of Liantan Group of Lower Silurian System

根據表1 中志留系下統連灘群第四組（S1lnd）巖石力學參數，結合巖性組合、巖體結構面發育程度等巖體構造特征，參照《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487—2008）[16]，對巖體的工程地質進行分類，結果如表2 所示。

表2 志留系下統連灘群第四組巖體工程地質分類Table 2 Engineering geological classification of rock mass in the fourth group of Liantan Group of Lower Silurian System

2 現場爆破試驗

根據青年樞紐工程區域的地質特征，綜合考慮工程建設、周圍環境、試驗條件等因素初步篩選試驗邊坡，對篩選的試驗邊坡進行現場巖石取樣，選取現場與工程區域地質條件高度相近的砂泥巖互層巖質邊坡作為試驗邊坡。通過現場爆破試驗，探究爆破振動在砂泥巖互層巖質邊坡中的傳播規律。

2.1 現場試驗爆破方案

根據地質勘查資料和現場踏勘，綜合考慮地質特征與周圍環境等因素，選取現場K1+500～600 m處邊坡為試驗對象。試驗邊坡坡高約60 m，坡底標高9～12 m，考慮到最終運河航道開挖完成標高為0.5 m，因此對坡腳鉆孔10 m 進行爆破試驗。根據邊坡大小與邊坡巖層產狀，結合試驗設備等條件，綜合考慮坡面位置和距離、試驗工作量及成本、測點布置及監測等因素，在試驗邊坡選取3 個坡面進行3 次爆破試驗，選取的邊坡及其坡面見圖2，圖2 中3 個層理面的傾向和傾角統計結果見表3。

表3 試驗邊坡巖層產狀Table 3 Rock occurrence of the test slope

在選定邊坡和坡面后，在相應的位置進行鉆孔、裝藥、起爆等工作。如圖2 所示，具體鉆孔及爆破方案如下：垂直于試驗邊坡的3 個坡面的坡腳線鉆3 個爆破試驗孔，鉆孔深度為10 m，鉆孔直徑為100 mm，鉆孔排距為4 m，離坡腳線鉆孔距離邊坡坡腳6 m，各孔裝藥量分別為48、42、36 kg。炸藥采用乳化炸藥，藥卷直徑為90 mm，線裝藥密度為0.30 kg/m。堵塞時，先用水泥袋或牛皮紙放入堵塞段底部，再用黏土和鉆屑拌和的混合物進行充填，最后用木炮棍或塑料炮棍壓緊搗實。爆破試驗過程中，以距離邊坡最遠的炮孔向距離邊坡最近的炮孔依次延時引爆，延時間隔為1.0 s。

2.2 一維動位移雷達與振動測試方案

邊坡的變形和位移是控制和預警邊坡失穩的重要參數[17]，試驗過程中有必要對邊坡位移進行實時監測。采用一維動位移雷達GHDMR-1 對爆破過程中坡體的位移和變形進行監測，現場雷達布置如圖3 所示。質點峰值振速（peak particle velocity，PPV）作為爆破振動的主要參數，可用于衡量人體、結構、巖體等在爆破振動作用下的影響程度[18–20]。本試驗采用TC-4850 爆破測振儀測量質點峰值振速。

圖3 現場雷達布置Fig.3 Site radar layout

根據現場條件，為得到砂泥巖互層巖質邊坡在爆破擾動下的質點位移和峰值振速，沿3 個坡面分別布置多個位移和PPV 測點，如圖4 所示。其中，測點編號順序與爆破試驗順序對應，編號1～6 對應第1 次爆破試驗，編號7～11 對應第2 次爆破試驗，編號12～17 對應第3 次爆破試驗。測點編號首字母V 表示測振儀布置點，D 表示角反（位移測試）布置點。在測點3、5、8、13、17 均布置測振儀和角反。

圖4 測點布置Fig.4 Layout of measuring points

3 現場爆破試驗結果及分析

3.1 一維動位移及爆破振動測試結果

通過開展上述現場爆破試驗，得到各測點在爆破過程中的試驗數據，結果如表4 和表5 所示，其中x方向表示水平面上指向爆源的方向，y方向表示水平面上垂直x方向的方向，z方向表示垂直于水平面的方向。需要說明的是，表4 中“—”表示未觸發儀器，發生的原因可能是該情況下儀器的靈敏度不夠，在振速較小的情況下，儀器未觸發。表5 中的位移均指測點與雷達連線方向上的位移。

表4 試驗測點振速統計結果Table 4 Statistical results of vibration velocity at measuring points

表5 測點位移統計結果Table 5 Statistical results of displacement of measuring points

由表4 可知，除測點 V1 的主振方向為x方向外，其余測點的主振方向均為z方向。各測點均基本滿足峰值振速隨爆心距（測點至藥包中心的距離）的增加而減小的規律。對于距爆源較近的測點，其z向峰值振速可達30 cm/s 以上；隨著爆心距的增加，測點峰值振速逐漸減??；當爆心距超過60 m 時，各測點的峰值振速基本小于1.0 cm/s。 測點V8 的z方向振速見圖5?？梢钥闯?，3 個炮孔依次起爆產生爆破振動速度峰，間隔約1 s，相互之間無影響，延時合理。此外，從圖5 中還可以看出，3 個炮孔全部起爆后約1.5 s 再次出現微小的波峰，其原因可能是爆破地震波經過透射和反射后在該測點產生疊加。

圖5 測點 V8 的z 方向振速Fig.5 Vibration velocity in z-direction at measuring point V8

從表5 中可以看出，隨著爆心距的增加，第1 次爆破試驗中各測點的最大位移整體呈減小趨勢。第2 次和第3 次爆破試驗中，測點D9 和D15 出現反常，最大位移整體上呈先減小后增大再減小的變化趨勢，其原因可能是兩點處出現了高程放大效應，隨著爆心距的繼續增加，其衰減效應大于放大效應，導致最終呈現上述規律。此外，試驗過程中測點的最終位移有不為零的現象，對比試驗前后測點區域巖體的損傷特征發現，距爆源較近的測點的最終位移均不為零，其原因是邊坡巖體在爆破振動下出現較大損傷，產生了塑性變形。測點 D11 和第3 次爆破試驗各測點的最終位移均不為零的原因是測點周圍巖體節理發育程度較深，在爆破擾動下節理得到進一步發育，導致其最終位移無法收斂為零。測點D2 的位移時程曲線如圖6 所示。

圖6 測點D2 的位移時程曲線Fig.6 Displacement time history curve at measuring point D2

3.2 爆破振動衰減規律分析

為進一步得到爆破振動在砂泥巖互層巖質邊坡的衰減規律，利用薩道夫斯基公式分別對3 次爆破試驗結果進行擬合。薩道夫斯基公式為

式中：v為峰值振速；Q為炸藥藥量；r為爆心距；k和α 為系數，與爆破場地條件和地質條件有關。擬合結果如表6 所示，其中R2為相關系數。

表6 薩道夫斯基公式的擬合結果Table 6 Fitting results of Sadoevsky formula

從表6 可以看出，3 次爆破試驗中各方向上薩道夫斯基公式擬合的R2不同：主振方向的R2在0.7～0.8 之間，擬合效果一般；非主振方向的R2大多在0.9 以上，擬合效果較好。導致R2差異較大的原因可能是非主振方向的振速較小，擬合結果的誤差也較小，而主振方向的振速較大，擬合誤差也較大。考慮到薩道夫斯基公式的適用條件，結合文獻[3–4]中的研究結果可知，巖質邊坡的振速受高程的影響較大。為獲得更準確的砂泥巖互層巖質邊坡的爆破振動衰減規律，提高預測精度，利用考慮高程效應的修正公式對試驗數據進行擬合，即

式中：β 為高程影響因子，H為測點與爆源之間的相對高差。擬合結果如表7 所示。

表7 考慮高程效應的擬合結果Table 7 Fitting results considering elevation effect

根據表7 所示的擬合結果：考慮高程效應后的R2均在0.9 以上，擬合效果良好；與未考慮高程效應的擬合結果相比，各方向上的R2均有所提高，說明考慮高程效應的修正結果更接近實際，擬合精度更高，尤其是主振方向的R2提升得最大。在實際工程中，為了更精準地預測和控制爆破振動對邊坡穩定性的影響，分析巖質邊坡爆破振動的衰減規律時應考慮高程效應。此外，由表6 和表7 可知，砂泥巖互層的層理面傾向和傾角對爆破振動衰減規律有一定的影響，k和α 的差異性較大，因此在爆破振動衰減模型中應考慮層理面的傾角或傾向因素，更精確的描述砂泥巖互層巖質邊坡的爆破振動衰減規律有待進一步研究。

4 結 論

以平陸運河青年樞紐一期工程為依托，通過開展現場爆破試驗，深入研究了試驗過程中爆破振速和位移的變化規律，得到了砂泥巖互層巖質邊坡的爆破振動衰減規律，并對高程效應修正前后爆破振動衰減模型的擬合結果進行對比分析，得到以下結論。

(1) 邊坡巖體在爆破振動作用下的最大位移會產生高程放大效應。邊坡巖體在爆破振動作用下的最終位移可能不為零，其原因可能是巖體出現較大損傷，產生塑性變形，也可能是巖體節理發育程度較深，在爆破擾動下節理得到進一步發育，導致其最終位移無法收斂為零。

(2) 隨著爆心距的增加，振速峰值逐漸減小，考慮高程效應的爆破振動衰減模型較未修正的薩道夫斯基公式的擬合精度更高，擬合結果更接近實際，因此，巖質邊坡的爆破振動衰減規律應考慮高程效應。

(3) 不同傾向和傾角條件下，受層理的影響，砂泥巖互層巖質邊坡中的爆破振動衰減規律存在差異，若需更精確地預測和控制砂泥巖互層巖質邊坡中的爆破振動，還應在衰減模型中考慮層理的傾向和傾角的影響。

(4) 不同層理下爆破振動衰減預測模型是后續細化砂泥巖互層巖質邊坡爆破振動衰減規律研究的重要研究方向。