爆破施工对隧道二衬结构影响的试验研究

爆破施工对隧道二衬结构影响的试验研究

Summary：随着我国公路、铁路、轨道交通等的飞速发展，山岭隧道的施工建设成了克服高程障碍和平面障碍的首选。由于隧道围岩的不稳定性，隧道的施工可能造成岩土体变形、地面沉降、塌方等灾害。为了保证隧道的安全性与完整性，IV级、V级围岩爆破开挖时二衬结构采用紧跟掌子面的方法。而二衬结构紧跟掌子面会导致爆破施工对二衬结构的质量产生一定影响，所以研究爆破振动对隧道二衬混凝土的影响对隧道的施工建设有重要的意义。Keys：隧道；爆破振动；混凝土强度；二次衬砌1研究背景和意义二衬结构作为隧道重要的支护结构和安全储备，其完整性和安全性对隧道的开挖有着重要的意义。在当前隧道工程建设中，设计施工蓝图中有指出二衬结构的施工距离掌子面大于50米的或75米可以参考，但是对围岩较差的隧道没有明确指出二衬结构的跟进距离。对于围岩较差的隧道应当采用二衬结构紧跟掌子面施工来保证隧道安全，但是二衬结构距离掌子面太近，其爆破施工会对二衬结构的承载能力以及混凝土的寿命产生很大影响。所以研究爆破振动对隧道新浇筑超短龄期二衬混凝土结构的影响对实际工程的施工建设有重要的指导意义，能为隧道围岩支护体系提供有力的理论依据。爆破振动对隧道新浇筑的二衬混凝土结构有一定的影响，掌握爆破振动对新浇筑二衬混凝土结构影响的规律为优化支护结构体系和施工方案提供依据，创造直接的经济效益。爆破振动对混凝土的影响不仅跟混凝土龄期、爆心距、混凝土强度有关，还跟围岩的等级和爆破所需要的炸药量有关。2工程背景某隧道是拓改建工程(景区段)项目的控制性工程之一。隧道区工程地质较简单，附近无区域性断裂构造通过，地层岩性单一，基岩主要为页岩。洞身涌水量小，但局部会出现渗水，主要为松散地层孔隙水和基岩裂隙水，水质对钢筋混凝土有微腐蚀性。未发现岩溶塌陷、崩塌、滑坡等不良地质和地质灾害存在，无特殊性岩土分布。隧道全长2060.00m，隧道穿越V(230m)，IV(1110m)和III(720m)级围岩段。本次试验在IV级围岩条件下进行，采用钻爆法开挖，大量装药爆破释放的能量部分直接以应力波的形式传播到周围岩体中。爆破振源为上台阶爆破，孔深4m，共有110炮孔，最大单孔装药量为30kg，爆破施工过程中以设计制定的最小安全控制基准5cm/s为标准。3混凝土的质量影响二衬混凝土结构作为隧道工程施工的一个重要支护结构，混凝土施工质量的优良直接影响到二衬结构乃至整个隧道工程的安全。二衬结构是隧道工程施工在初期支护内侧施作的模筑混凝土或钢筋混凝土衬砌，与初期支护共同组合成复合式衬砌。水泥作为混凝土的主要原料，随着龄期的增加，水化反应逐渐完全，在正常的养护条件下，混凝土强度在3d为28d龄期的30%左右。在0-3d，水泥的水化反应还不完全，而此时爆破振动却对混凝土有较大的影响，它会阻碍水化反应的正常进行，使其内部产生裂缝。在爆破振动的作用下二衬结构的抗渗能力下降，严重将会导致钢筋生锈，混凝土碳化，它降低了混凝土的耐久性。随着隧道爆破施工的掘进，二衬结构也都会紧跟掌子面进行浇筑，通常在围岩收敛还没有完全稳定的情况下就浇筑了二衬混凝土，而爆破开挖所产生的振动会对周边的围岩有一定的作用，如果长期在此环境下会使二衬混凝土承受较大的外部压力，这样围岩最后沉降或者应力的释放可能会导致二衬结构的开裂。我国相关规程和标准把新浇筑的混凝土0-3d划分为一个阶段，而实际上0-3d正是混凝土增长较快的阶段。所以研究超短龄期爆破振动对二衬混凝土结构产生的影响对优化隧道支护结构、指导隧道施工具有重要的理论价值和经济意义。4试验检测方法利用ZBL-U5200非金属超声检测仪中的超声法不密实区和空洞检测，检测混凝土的波速。其原理是通过脉冲波在混凝土中传播的时间、接受波的振幅和频率等声学参数的相对变化，来判断混凝土的缺陷。本试验采用对测法，仪器参数调整完后，使首波前沿基线弯曲的起始点对准游标脉冲的前沿开始进行检测，检测结果取相同3个混凝土试块的平均值。利用DYE-3000压力试验机和RFP-03型智能测力仪将经过爆破振动作用后的混凝土试块与未经过爆破振动作用的混凝土试块在标养28d后进行检测。使用DYE-3000压力试验机，首先将混凝土试块表面擦拭干净，检查外观是否有明显缺陷，若无明显缺陷，然后将混凝土试块放入下压板正中间，并按试件大小，转动手轮和丝杠，调节上压板至适当位置，最后按下启动按钮，调控送油阀，按正常速率稳定进行加荷试验，持续观察直至混凝土试块压碎，负荷开始下降时迅速关闭回油阀。试验结束时，将RFP-03型智能测力仪上的方值与速率记下，并按面板上打印键。智能测力仪即可打印本次的试验数据。5爆破振动对二衬结构的影响因素5.1爆心距的影响二衬衬砌结构距爆破震源中心的距离为爆心距。爆心距是爆破振动对二衬结构的主要影响因素之一，爆破所产生的冲击波能量会随着爆心距的增大而发生衰减。由此可知，二衬结构如果跟进掌子面太紧，爆破施工可能会对二衬结构产生较大的影响。当前，在设计施工蓝图中指出某些工况二衬的施工距离掌子面大于50米或75米可以参考，由于高地应力大变形隧道需要二衬结构紧跟掌子面以保证隧道安全，但没有具体规程规定二衬结构与掌子面的具体距离，所以研究爆心距能为控制爆破提供有力的理论依据。5.2浇筑二衬混凝土强度的影响二衬结构一般根据不同的隧道断面采用不同的移动模筑混凝土台车，首先将二衬台车安装就位，然后进行二衬混凝土的制备，最后把混凝土拌和、运输至输送泵进行浇筑二衬结构。制备混凝土强度的不同也会导致爆破振动对其响应不同，常规二衬混凝土配合材料有水泥、砂、石、水、外加剂等，不同的混凝土的配合比将制备出不同强度的混凝土。相关学者指出，降低单位用水量和水胶质量比，能提高混凝土的耐久性，当砂石粉含量在8%~12%时混凝土的物理性能、力学性能将达到最佳。因此，在研究爆破振动对二衬的影响时，二衬混凝土强度这一因素应当考虑在内。结论（1）在IV级围岩台阶法施工情况下，对于隧道爆破开挖，混凝土强度是影响二衬质量的主要因素，混凝土强度越高，受爆破振动的影响越小。二衬与掌子面保持的相对距离与浇筑二衬的时间也对二衬质量有一定影响，距爆破中心越远，受爆破振动的影响越小；混凝土龄期为24h时受爆破振动影响较小。在施工时应当对此引起足够重视。（2）科学的制定隧道二衬受爆破振动的方案，是合理安排施工作业，有效减少爆破施工对二衬不利影响的关键。本文通过分析，提出在IV级围岩台阶法施工情况下，24h龄期时距爆破中心60m处的C45强度混凝土受爆破影响最小。以此为基础可以研究其他工况下的最优方案。（3）在IV级围岩台阶法施工情况下，爆心距15m处，C30，C35，C40和C45的混凝土强度折减比分别为21.1%，16.8%，13.2%和11.0%，远大于爆心距60m处C30，C35，C40和C45的混凝土强度折减比4.1%，3.1%，2.2%和2.1%。因此二衬结构在紧跟掌子面施工时，二衬结构采用高强度混凝土尤为重要，能确保施工过程中隧道不良地段施工的有效性及整个隧道施工的安全性。（4）经过隧道爆破振动后的混凝土试块比未经过爆破振动的混凝土试块的强度都有所降低。爆心距60m处C40混凝土与C45混凝土强度折减比只相差0.1%。但在实际施工工程中，选取C45混凝土使工程成本增加，所以，选取C40混凝土作为