悬索桥锚碇隧道爆破冲击荷载作用下围岩损伤度和松动圈范围的测试研究

悬索桥锚碇隧道爆破冲击荷载作用下围岩损伤度和松动圈范围的测试研究

1锚碇隧道爆破开挖引起的振动圈悬索桥是一个柔性结构。作为悬索桥的主要承受力结构，锚通常分为隧道锚和重力锚。锚碇及围岩的稳定性是悬索桥稳定的一个关键性技术问题(1)由于塔基基坑、下部公路隧道等土工构筑物布置较密集,爆破施工频繁。围岩介质在频繁的爆破振动荷载作用下,其损伤存在累积效应(2)锚碇隧道爆破掘进的进尺小,单位进尺耗药量大(80~120kg/m),并且隧道式锚碇的倾角大于30°,大型施工机械无法进出,采用轨道绞车出渣,效率低,导致初期支护延迟时间较长,这也可能促使松动圈扩大。由此可见,锚碇隧道爆破开挖时,松动圈的发育是一个极其复杂的过程,这主要取决于围岩的初始应力、围岩强度、爆破荷载等级(可用振动速度表征)等方面的因素。可考虑通过合理的振动速度控制指标来降低爆破冲击荷载等级,减小爆破冲击荷载对围岩的累积损伤,以满足隧道式锚碇的力学要求。2锚碇隧道和下公路隧道围岩地质背景矮寨悬索桥为国家重点规划建设的长沙—重庆公路通道的组成部分——吉首—茶洞高速公路中的控制性工程。所在地区为构造中常区,发育有过渡型褶皱,分布有NNE,NE,NEE向断层。隧道式锚碇地面坡度约为26°,锚碇轴线与等高线斜交,地表为裸露基岩,溶沟非常发育,地表以下8m范围内岩体基本上被溶沟切割成方块状,卸载回弹非常明显,导致地表浅部岩体内大部分构造裂隙和层面呈张开状。锚碇隧道有左、右2个隧洞,中夹岩厚12~16m,单个隧洞总长73m,断面面积119~216m锚碇隧道右洞沿产状210°∠80°的溶蚀裂隙发育有2个溶洞,充填黏土;围岩级别Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级,为弱风化深灰色灰岩,薄层状,含泥质条带,岩体较破碎,岩层产状为倾向SE,倾角10°以下。锚碇隧道和下部公路隧道均采用光面爆破掘进,其中下部公路隧道采用上下台阶法开挖,炮眼布置如图2所示,爆破参数如表1所示。锚碇隧道掘进时,上台阶和底板(可理解为下台阶)同时爆破,但是上台阶和底板在水平面上错开了一个循环进尺,爆破参数见表2,炮眼布置如图3所示。3爆破振动控制指标汪海滨等根据专家会议的要求和三峡工程的爆破经验,本工程决定采用3~6cm/s作为锚碇隧道的爆破振动控制指标(爆心距20m左右)。同时,下部公路隧道采用《爆破安全规程》(GB6722–2003)的规定值作为爆破施工的控制指标。关于爆破振动影响的分析方法,目前主要有数值模拟和现场实测3.1爆破振动控制相对于公路隧道或者巷道而言,锚碇隧道的特殊点在于:设计爆破施工方案时,不但要考虑单次爆破对围岩的扰动(损伤),更重要的是,应考虑频繁的近距离爆破带来的围岩累积损伤及其对隧道式锚碇自身稳定和变形能力的影响,并根据这种影响设计合理的爆破振动控制指标。结合锚碇隧道爆破施工的实际情况,爆破振动监测分两步进行:(1)当下部公路隧道掌子面距离锚碇较远时,在锚碇隧道的先行洞内对后行洞的爆破施工进行监测(2)当下部公路隧道掌子面逼近锚碇时,锚碇隧道和下部公路隧道在空间上组成立体交叉隧道3.2锚碇隧道测点声速采用RSM–SY5声波测试仪测定锚碇隧道和下部公路隧道在爆破荷载作用下的围岩声波波速变化,探头形式为一发双收型,分别在两隧道的中夹岩上共布置8个测孔,其中布置在锚碇隧道中的测孔标记为:锚–Ⅰ、锚–Ⅱ、锚–Ⅲ、锚–Ⅳ、布置在下部公路隧道的测孔标记为:公–Ⅰ、公–Ⅱ、公–Ⅲ、公–Ⅳ。孔深3m,每20cm一个测点,每3次爆破之后采集数据,分别记录各测点声速和测孔平均声波波速。基于声波法建立了岩体损伤度(D)、岩体完整性系数(k)和声速降低率(η)之间的关系式中:E参考《水工建筑物岩石基础开挖工程技术规范》(SL47–94)中规定,η>l0%时,即判定岩体受到爆破损伤破坏,对应的岩体损伤阈值D4数据分析4.1爆破振动的波形由于锚碇隧道的特殊性,每次掘进为上台阶和底板同时爆破,爆破参数随着断面尺寸的变化而变化。爆破振动速度监测结果如表3所示。图5为典型的爆破振动波形,其中,上面的波形代表水平方向的振动,下面的波形则表示竖直方向的振动。由图5可见,各分段药量引起的振动波形可分辨,其中掏槽孔爆破引起的振动最大,采用合理的掏槽爆破参数是降低爆破振动关键措施之一。萨道夫斯基根据弹性动力学理论提出了爆破振动中计算质点峰值振动速度V的公式:式中:K为场地系数,与介质有关;ρ为比例药量;Q为最大段药量;R为爆心距。由所观测的50组数据可以得到振动速度的拟合曲线(见图6)及其和比例药量的关系:式中:V为保证隧道式锚碇底部爆破施工的安全,本文考虑80%的置信概率,当数据组数很多时,V在利用式(5)和(6)进行爆破振动速度预测时,还应注意比例药量ρ不能超过0.021~0.209。4.2振动速度对围岩累积损伤度的影响岩体损伤度的累积效应和爆破冲击荷载(本文用振动速度表征)的等级有关通过爆破后对同一测孔的声波测试表明,随着测孔附近爆破次数的增多,围岩的声速呈下降趋势,由式(1)可计算出对应的岩体损伤度D。以锚–I测孔为例(见图7),随着爆破次数的增多,锚–I测孔的1.5,1.9,2.1m处测点的累积损伤度相继达到D而布置在下部公路隧道内的公–I测孔(见图9),虽然各测点累积损伤度的变化规律和隧道式锚碇内测孔相似,但是,只有2.1m处测点围岩累积损伤度达到0.19,其余测点处围岩损伤度发展较为缓慢。这种规律在图8中表现为松动圈厚度增长较为缓慢,但初次爆破的松动圈厚度增加比较大。出现这种现象的原因是:初次爆破开挖以后,各测孔一定深度内围岩物理力学性能劣化,而产生初始松动圈。下部公路隧道单次爆破进尺在3.5m左右,而锚碇隧道单次爆破进尺为1.0~1.5m,公路隧道单次爆破药量大于锚碇隧道,所以公路隧道初次爆破的松动圈比较大。随着隧道的掘进,掌子面到测孔的距离越来越远(即爆心距越来越大),根据式(5),(6),后续爆破对锚–I、公–I测孔处围岩的扰动越来越弱,特别是下部公路隧道单次爆破进尺比锚碇隧道单次爆破进尺大得多,几次爆破后,公–I测孔的爆心距就远大于锚–I测孔的爆心距,公–I测孔处的振动速度一定先于锚–I测孔衰减至阈值以下,而一般认为高于某一阈值的振动速度才对围岩损伤度产生累积效应,当测孔处振动速度衰减至这一阈值以下,累积效应不明显,假如纯粹从爆心距的增长幅度来判断,这种累积效应在锚–I测孔处的持续过程比公–I长得多。正是由于这种损伤积累过程更长,锚–I测孔内更多测点的累积损伤度达到阈值D爆破振动监测数据表明,下部公路隧道单次爆破的振动速度大于锚碇隧道,但随着爆心距的增大,这两类隧道测孔处的振动速度衰减到2cm/s以下时,测孔的声波波速不再变化,在本工程中,可将振动速度2cm/s视为振动累积损伤阈值。图7和9中有个别测点损伤度小于0的不合理情况,是爆破前岩体的声波波速4.3爆破前后平均损伤度的变化本文定义每测孔各测点声波波速的平均值为平均声波波速,按照平均声波波速计算得出的损伤度为平均损伤度。那么下部公路隧道和锚碇隧道中各测孔围岩平均损伤度的发展也表现出明显的组别差异性。如图10所示,公–Ⅰ、公–Ⅱ测孔虽然初次爆破以后平均损伤度较大,但是平均损伤度在15次爆破以后趋于稳定。锚–Ⅰ、锚–Ⅱ测孔的平均损伤度在25次爆破后才不再发展,此时,爆心距达到45m左右,测孔处的振动速度衰减至2cm/s左右。最终公路隧道的平均损伤度为0.12左右,锚碇隧道的平均损伤度为0.15左右。此外,锚碇隧道围岩松动圈的发展幅度也超过下部公路隧道,如表4所示,锚–Ⅰ、锚–Ⅱ、锚–Ⅲ、锚–Ⅳ最终松动圈厚度增幅分别为0.6,0.8,0.6,0.6m,而下部公路隧道的围岩松动圈厚度增幅为0.2m以下,两者的最终松动圈厚度范围大致一致,都在2m左右。5爆破振动约束(1)锚碇隧道爆破振动速度虽然小于公路隧道爆破振动速度,但由于多次的振动累积,围岩松动圈厚度最终与公路隧道围岩松动圈趋于一致。(2)锚碇隧道开挖爆破时,在3~6cm/s的爆破振动指标控制下,进尺最大可达1.5m,最大围岩松动圈厚度为2.3m,