层状岩体隧洞爆破引起的非对称振动传播规律研究

刘西森 于建新 魏海霞 吴卫东 姜 波

(1.河南理工大学土木工程学院,河南 焦作 454003;2.新疆兵团水利水电工程集团有限公司,新疆 乌鲁木齐 830054;3.新疆第八师石河子市水利工程管理服务中心,新疆 石河子 832000)

Wei等[3]使用灰色关联度分析法,对浅埋隧道中爆破振动的影响因素进行了研究,指出第一段药量是影响爆破振动质点峰值速度的主要因素。Tian等[4]在分析超大断面浅埋隧道爆破振动在地层中的传播规律时,也指出爆破振动能量主要来自一次掏槽爆破。Guan等[5]研究了净距、起爆药量和管道形状等因素对振动速度的影响,得出质点峰值速度随掏槽孔装药量的增加和净距的减小而增大的振动规律。杨建华等[6-7]针对深埋隧洞钻爆开挖诱发的围岩振动特性进行研究,得到了爆破荷载上升时间及开挖面尺寸对振动频率的影响规律。吉凌等[8]对隧道开挖断面不同位置的振动衰减规律进行研究,得到了三向振动速度在隧道断面不同位置的传播规律。邓华锋等[9-10]以导流洞地质为背景,结合“高差效应”分析了质点振动速度的方向效应,并对传统爆破振动波衰减公式进行了修正。王超、汪平、冯阳阳等[11-13]基于数值模拟,并结合现场监测数据,得到了不同埋深的城市浅埋隧道爆破振动对临近地表的衰减规律。范勇等[14]针对在深埋洞室的爆破开挖过程中,高地应力条件对于围岩振动的影响进行研究,得出了地应力瞬态卸荷诱发振动的衰减规律。叶红宇等[15]针对爆破振动在隧道支护衬砌混凝土上的危害累积效应,分析了振动能量随距离和爆破次数的衰减规律。杨小林等[16]结合萨道夫斯基公式,分析了在隧洞多次爆破损伤累积效应下,爆破振动的传播衰减规律。Chen等[17]以木寨岭隧道实测振动数据为基础,结合Sadov非线性回归、傅立叶变换等方法,分析了爆破振动在软弱岩体中的传播规律。陆瑜等[18]通过有限元数值模拟,分析了层状围岩隧道围岩和支护结构在爆破振动下振速的分布规律。Zheng等[19]通过数值计算得振动速度与现场进行对比,指出质点振动速度的叠加可能会因波的干扰而减小振动,或放大围岩对爆破振动的响应。

综上,国内外研究学者对隧洞爆破诱发的洞内振动传播规律进行了大量研究,取得了一定的研究成果,但对于层状岩体爆破诱发的非对称振动特征的研究相对较少。本研究以奎屯河引水隧洞为工程背景,对现场爆破开挖引起的洞内振动速度进行监测,分析两侧拱腰、拱肩及拱顶的振动速度,提出非对称系数的概念,详细分析隧洞爆破开挖引起的洞内非对称振动传播规律,可为层状岩体隧道爆破开挖振动控制及稳定性分析提供参考。

1 工程概况

新疆奎屯河引水工程总长11.2 km,隧洞工程区地势南高北低,海拔500～4 800 m,受北天山纬向构造控制,地形具有分带性。南部依连哈比尔尕山为构造剥蚀高山—中山区,北部准噶尔盆地南缘为构造剥蚀低山区和向北倾斜的冲洪积平原区。引水工程位于6.5级潜在震源区,围岩主要为石炭系中统巴音沟组凝灰质砂岩,以中硬岩—坚硬岩、微风化为主,以Ⅲ类、Ⅳ类,Ⅴ类围岩类型为主。

此次现场实验以二标段1#支洞为背景,该标段隧洞全长3 420 m,设计纵坡0.1%,(桩号2+095～3+880)、1#支洞(3+880)、山区隧洞(3+880-5+515),在桩号 3+880处设置 1#施工支洞,1#施工支洞长325 m。引水隧洞洞身为城形洞,正常引水流量48.5 m3/s,冬季引水流量2.52 m3/s。1#支洞掌子面处围岩条件为Ⅲ类,地层岩性为石炭系中统巴音沟组第三亚组(C2bc)凝灰岩,灰黑色,为中硬岩,岩体节理裂隙发育,完整性差,呈镶嵌结构,洞室位于微风化—新鲜岩体中,上覆岩体厚度53～280 m。岩层向右微微倾斜,与地面接近垂直状,与掌子面开挖方向成90°夹角,为顺层节理,掌子面地质条件及节理发育情况如图1所示。

图1 掌子面地质条件Fig.1 Geological conditions of working face

2 试验方案

2.1 爆破方案

隧洞开挖施工采用“新奥法”施工工艺,全断面掘进,不良地质洞段及时跟进安全支护。隧洞开挖采用楔型掏槽的光面爆破方法,人工手持YT-28手风钻凿孔,炸药为2#岩石乳化炸药,电子数码雷管起爆,每段延迟为50 ms。实验段隧洞开挖最大直径6.0 m,高6.05 m,衬砌厚0.4 m,断面面积32.4 m2,循环进尺3 m,炮孔总数为115个,总装药量126 kg,炸药单耗1.235 kg/m3,爆破布置如图2所示,爆破参数如表1所列。

表1 爆破参数Table 1 Blasting parameters

图2 炮孔布置Fig.2 Arrangement of blastholes

2.2 监测方案

为分析爆破引起的洞内振动传播规律,在爆破掌子面后方一定范围内,沿隧洞纵向两侧边墙位置处各布置3个测点,在隧洞环向的拱腰、拱顶布置3个测点,如图3所示。其中,LA为纵向左侧第1个测点,RA为纵向右侧第1个测点,LM1为纵向左侧第2个测点,RM1为纵向右侧第2个测点,LB为纵向左侧第3个测点,RB为纵向右侧第3个测点,LM2为环向拱腰左侧测点,RM2为环向拱腰右侧测点,T为环向拱顶测点。掌子面桩号为4+064.8,第一测点距掌子面18.7m,环形测点布置断面距掌子面根据测距仪实测为26 m,纵向测点第一个间距为7 m,第二个间距为3.5m,边墙测点高1.5m,拱腰测点高3.5m,拱顶测点高6 m。

图3 振动监测方案Fig.3 Scheme of vibration monitoring

在每个测点布置TC-4850振动监测仪和配套的三矢量传感器。传感器X方向指向振源中心,Y方向垂直隧道壁,Z方向为竖直方向,用石膏粉和成糊状将传感器固定在隧洞壁上,使传感器与隧洞壁刚性接触,并用膨胀螺丝加铁片固定,防止脱落,外部安装自制焊接的保护铁盒,防止爆破飞石损坏仪器和传感器,避免误触发,保证数据的准确性。

3.2 视频反馈实验操作过程，及时矫正实验操作规范实验教学过程中，有很多的实验操作环节需要及时互动，特别是一些学生不规范操作需要及时反馈纠正，一些典型的实验现象需要及时分享与分析，而智能手机既可以拍照、拍视频，又可以利用无线网络与电脑连接，可及时传送到多媒体，实现及时互动与反馈。

3 监测结果分析

中国《爆破安全规程》(GB6722—2014)中以振动速度为主要控制标准,因此以振动速度为主要分析对象。爆破方案中,共分7个段别,实测曲线也显示为7个典型波形,以拱顶测点为例,如图4所示。各测点实测三向振动速度的峰值,如表2所列。

表2 各测点三向峰值振速Table 2 Three-direction peak vibration velocity of measuring points

图4 拱顶测点实测三向振动波形Fig.4 Three-direction vibration waveform of vault monitoring point

3.1 环向测点数据分析

以1段掏槽孔、4段辅助孔、5段周边孔、7段底板孔爆破引起的振动数据为例,分析隧洞全断面爆破条件下,各爆破段引起隧洞环向测点的三向振速及传播衰减特性,如图5所示。

从图5可以看出,隧洞两侧环向的振动规律在X方向的掏槽、辅助、周边段为左侧拱腰＞边墙,右侧边墙大于拱腰,呈相反趋势;底板段最大值在拱顶,两侧拱腰＞边墙,呈相同趋势。Y方向的最大振速都出现在隧洞的左侧拱腰位置处,在掏槽、辅助、底板段振动规律为左侧拱腰＞边墙,右侧边墙大于拱腰,呈相反趋势;在周边段为两侧拱腰＞边墙,呈相同趋势。Z方向的质点峰值振速在掏槽、辅助、周边段为拱顶最大,在底板段为拱顶振速最小,振动规律在四段别都为两侧边墙＞拱腰,呈相同衰减趋势。

图5 隧洞环向测点典型段别三向振速对比Fig.5 Comparison of three-direction vibration velocity in typical section of tunnel ring measuring point

有学者指出隧洞两侧测点Y方向的振速边墙大于拱顶;拱顶测点Z方向质点峰值速度大于隧洞两侧[8];且隧洞对称两侧测点质点峰值振速不同,但相差不大[18]。通过现场测试发现,洞内振动速度传播受到节理的影响,两侧振速表现出一定的非对称性。为分析隧洞两侧振动的非对称特征,此处引入非对称系数的概念,即隧洞两侧对称位置测点同一方向振速最大值与最小值的比值。

利用式(1)计算得到环向边墙、拱腰位置三向振速非对称系数,如表3所列。

表3 环向位置非对称系数Table 3 Asymmetric coefficient of circumferential position

从表3中可以看出,X方向的非对称系数在1.2～1.8,非对称特征明显,边墙位置左侧振速是右侧的1.5～1.6倍;拱腰位置在掏槽、辅助、周边段为右侧振速＞左侧,振速相差1.6～1.8倍,在底板段左侧振速是右侧的1.2倍。Y方向非对称系数在1.1～2.5,浮动区间大,边墙位置掏槽段左侧振速是右侧的1.1倍,非对称特征较为不明显,在辅助、周边、底板段左侧振速是右侧的1.3～1.6倍,非对称特征较为明显;拱腰位置的左侧振速是右侧振速的1.5～2.5倍,非对称特征明显。Z方向边墙位置的非对称系数在1.1～1.8,掏槽、周边段表现为两侧振速相差1.1倍,非对称特征较为不明显,在辅助、底板段表现为左侧振速是右侧振速的1.6～1.8倍,非对称特征明显;拱腰位置非对称系数稳定在1.5,掏槽段的左侧振速大于右侧振速,辅助、周边、底板段右侧振速大于左侧振速。

非对称振动特征的呈现,是由于振动在传播过程中受到顺层节理以及炮孔位置的影响。

(1)以掏槽段为例,由图5结合节理角度和炮孔布置位置进行分析:掏槽孔分布在掌子面的中下部,爆破后振动传播到掌子面轮廓的过程中,受到顺层节理的削弱和振动波相互的抵消,而拱顶测点的质点振动接近垂直向上传播,受到节理和振动波影响较小,原理如图6所示,形成了在X-径向和Y-切向上振动拱顶的质点峰值振速较大,甚至存在大于隧洞壁两侧质点峰值振速的现象;在Z-垂向的振动呈现为拱顶最大,两侧拱腰大于拱肩的趋势,且非对称的特征。

图6 掏槽段振动传播原理Fig.6 Principle of vibration propagation in cutting section

(2)辅助孔分布在掌子面上部,距离拱顶测点更近,爆破后振动传播到掌子面轮廓的过程中,对于拱顶方向的传播衰减较掏槽段更小,而对于隧洞两侧测点方向上的传播衰减较掏槽段更大,所以在X方向和Z方向的数据上,拱顶测点的质点峰值振速都是最大的;Y方向的振动对于隧洞边墙的影响更大,但因顺层节理的存在,出现了拱顶质点峰值振速较大的现象。

(3)5段周边孔为两侧周边孔,隧洞两侧测点距爆源更近,爆破后振动传播至掌子面轮廓的过程中,对于拱顶方向的振动传播衰减较大,所以在X方向和Y方向的数据上,拱顶测点的质点峰值振速都是最小的,呈现了Y方向的振动对于隧洞边墙的影响更大的特点;在Z方向上的振动,拱顶质点峰值振速仍是最大的,隧道两侧Z方向的振动传播趋势也相同。

(4)底板孔在隧道掌子面的最下部,爆源距拱顶测点的距离最远,拱肩次之,拱腰最近。爆破后振动在传播中,对于拱顶方向的水平振动和垂向振动受到顺层节理和距离的影响较大,所以拱顶测点的质点峰值振速最小。X方向和Z方向上的振动规律均出现了隧洞两侧趋势相同,但非对称振动的特征,X方向上质点峰值振速呈现为拱顶＞拱肩＞拱腰;Z方向上质点峰值振速呈现为拱腰＞拱肩＞拱顶。

爆破振动的传播受到节理和地层因素的影响,在隧洞环向断面上顺层节理使爆破引起的非对称振动特征更加明显。

3.2 纵向测点数据分析

同样以1段掏槽孔、4段辅助孔、5段周边孔、7段底板孔爆破引起的振动数据为例,分析隧洞全断面爆破条件下,各爆破段引起隧洞纵向测点的三向振速及传播衰减特性,如图7所示。

从图7中可以看出,X方向的振动曲线在4段别整体上呈现为左侧测点振速大于右侧振速,且随爆源距增加而振速减小,振动衰减的趋势,但两段衰减幅度不同,第一个测点间距是第二个测点间距的2倍,第一段的振速衰减幅度大于第二段。Y方向和Z方向的振动曲线在4段别整体上呈现为左侧测点振速大于右侧振速,但在第一测点和第二测点间的振动曲线,呈现为随距离增加,振速减小;在第三测点出现振速增大,第二段振动曲线振动上升的现象,且振动在掏槽、辅助、周边段上升幅度较底板段更大。

图7 隧洞两侧纵向测点典型段别三向振速对比Fig.7 Comparison of three-direction vibration velocity in typical section of tunnel longitudinal measuring point

利用式(1)计算得到纵向边墙各位置三向振速非对称系数,如表4所列。

表4 边墙位置非对称系数Table 4 Asymmetric coefficient of sidewall position

从表4中可以看出,X方向的非对称系数在1.2～2.9,振速曲线相差较大,非对称特征明显。Y方向的非对称系数在1.1～3.4,第一测点在掏槽、周边、底板段的两侧振速相差1.5～3.4倍,非对称特征明显,在辅助段为1.1倍,非对称特征较不明显;第二、三测点在掏槽、周边段的两侧振速相差1.1倍,第二段振速曲线较为接近,非对称特征较不明显,在辅助、底板段的振速比为1.3～1.8,非对称特征较明显。Z方向的非对称系数在1.1～2.4,第一、三测点两侧振速相差1.3～2.4倍,非对称特征明显;第二测点在掏槽、周边段的两侧振速相差1.1倍,非对称特征不明显,在辅助、底板段的振速比为1.7～1.8,非对称特征较明显。

振速增大的现象是由于在隧洞继续开挖后形成空洞,空洞放大效应对测点位置的振动造成了影响。由图7结合空洞效应进行分析:在第一、第二测点间,测点间距较大时,三方向振动曲线衰减趋势明显。在第二、第三测点间,测点间距较小时,X方向的振动曲线衰减趋势依旧明显,受空洞效应的影响较小;Y方向及Z方向的振动曲线呈上升趋势,且Y方向的上升幅度更大,所以受空洞效应的影响程度为Y方向＞Z方向＞X方向。由表3可以得出,第二、第三测点受到空洞效应后,三向4段别前后位置非对称系数平均涨幅分别为X方向0.52、Y方向0.05、Z方向0.48,可以看出受到空洞效应影响程度越大,非对称特征越不明显。这是由于空洞放大效应均出现了振速变大的现象,呈现出振动上升趋势,缩小了两侧测点振动峰值的差距,使非对称特征不明显。

在隧洞纵向的传播过程中,即使是隧洞两侧距离掌子面相同距离的位置,其振动峰值及衰减规律也不相同。在隧洞纵向两侧的振动传播及非对称振动特征,不仅受到节理的影响,还受到距掌子面的距离、测点间距及空洞效应的影响。

4 结 论

通过对隧洞爆破掌子面后方纵向及环向测点的实测振动数据分析,得到了顺层爆破开挖下洞内两侧的非对称传播特征,得到了以下结论:

(1)顺层节理使隧洞爆破非对称振动特征更加明显。X方向和Y方向的振动受到顺层节理的影响较大,会出现隧道两侧振动趋势不相同的非对称振动,非对称系数浮动程度也较大,X方向的非对称系数在1.2～2.9,Y方向的非对称系数在1.1～3.4;Z方向的振动传播受顺层节理影响较弱,整体趋势明显,且在隧道两侧相同,但质点峰值振速大小不同,非对称系数在1.1～2.4。

(2)在隧洞两侧边墙的纵向振动传播中,受到空洞放大效应的影响,但受到空洞效应的影响越强,非对称振动特征越不明显。三向受到空洞效应影响程度为Y方向＞Z方向＞X方向,Y方向受到空洞效应影响最强,非对称系数大多在1.1～1.5之间;Z方向振动受影响程度次之,非对称系数在1.1～2.4之间;X方向振动基本不受空洞效应的影响,其非对称特征最明显,非对称系数大多在1.5～2.9之间。

(3)距掌子面的距离对隧洞测点质点峰值振速有影响,结合本次研究条件,距离小于26m且测点间距较大时,振速衰减较大;距离在26～30 m时,振速衰减较小。