隧道围岩爆破松动圈的超声波测试与分析

隧道围岩爆破松动圈的超声波测试与分析

隧道爆炸施工不仅会导致爆炸带岩石的破裂和剥离，还会导致附近围岩的扰动和破坏。关于爆破导致岩体的损伤,Langefors等认为爆炸导致岩体损伤的主要原因是爆炸应力波的传播、反射以及相互之间的作用使岩体的裂纹激活、扩展。Kawmaoto等研究认为,宏观上损伤力学理论将岩体视为具有原始缺陷的连续材料,即岩体是包括很多裂隙的连续体,损伤可以看作由于爆炸作用使原有裂隙张开、扩展,从而导致岩体力学性能的“劣化”;隧道轮廓线内的岩石开挖后,围岩由三向应力状态转变为二向应力状态,由于岩石应力的调整和岩石强度的降低,使围岩发生变形破坏。这样,在隧道围岩中就形成一定的松动范围,对围岩稳定性产生影响,进而影响到隧道的耐久性和结构的安全性。本文结合贵广铁路牛王盖隧道的施工,采用声波方法,对隧道围岩的爆破松动范围进行测试和研究。1工程及施工方案1.1垂直渗流带牛王盖隧道全长452m,隧道区由灰岩组成,弱风化,岩层较完整,致密结构,节理发育。地下水类型主要为基岩裂隙水和岩溶水,隧道在垂直渗流带中穿过。地下水接收大气降水补给,以垂直迳流为主,在坡脚以泉的形式排泄或继续向深部径流。隧道范围内汇水面积有限,附近又缺少江河补给,属贫水～弱富水段。由于基岩裂隙水和岩溶水的溶蚀作用,隧道区可能会出现岩溶洞、水平暗河等不利于隧道施工的地质情况。1.2滑动圈范围测试在牛王盖隧道的DK568+055,DK568+085和DK568+105断面测试了松动圈的范围。测试段均为Ⅳ级围岩,采用台阶法开挖。每循环上台阶开挖的炮眼布置如图1所示,炮眼数量为133个,总装药量为174.3kg,具体爆破开挖参数见表1。2声波测试方法一般在其测试的基本原理外—测试设备及测试原理目前,常用的隧道松动范围超声波测试方法是单孔测试法,采用一发双收的装置,即在断面上确定测试点,在测点处钻孔,然后将圆管状声波探头置入钻孔,孔内注满水以使探头和孔壁有良好的声耦合,孔口装有堵水器,逐点进行测试,直到各点测试完毕。声波记录仪测试原理如图2所示。声波测试原理是利用超声波通过介质时波速或振幅的变化情况来研究介质的性态,如应力状态、位移变形情况及介质的完整性等。声波在岩体中传播时,如果在其传播路径上有裂缝存在,声波就会在裂缝处发生绕射,使传播距离增大,走时增加,波速下降。岩体中的裂缝越多、越密、越长,绕射现象就越严重,波速也就越低。采用钻爆方法开挖隧道时,由于围岩应力调整及爆破应力的作用,隧道围岩中会产生新裂隙、原有裂隙进一步扩展、围岩松动等变化,声波在隧道附近围岩中的传播速度必然下降,因此,可以通过测试隧道周边围岩波速的变化,来判定隧道围岩的松动范围。3炮孔与隧道壁面垂直按照测孔布置示意图3,采用风钻钻孔,孔深4.0～4.5m。炮孔尽量与隧道壁面垂直。拱顶测孔由于作业困难和围岩渗水等原因,接受器1始终达不到水耦合,因此,无法测试。3个断面除拱顶孔外,其余孔都进行了声波测试,取得了预期结果。(1)dk568+71通过对DK568+055断面6个测试孔进行声波测试,分析研究岩体波速变化曲线,确定松动破碎范围,并研究分析影响松动范围的因素,测试分析结果见表2。DK568+055断面的松动圈的范围如图5所示。由图5可见,右侧底部松动范围在0.95m左右,向上松动范围逐步扩大,最大达1.2m。顶部由于达不到水耦合,无法测试,该部位距离掏槽眼较远,周边眼采用光面爆破,并且装药量比边墙眼小,受爆炸应力波影响比较小,产生松动的主要原因是围岩自重和二次应力分配。左侧底部松动范围较大,达到1.95m,向上在1.45m左右,松动范围大的主要原因是底部前方有溶洞。(2)测试分析结果通过对DK568+085断面6个测试孔进行声波测试,分析研究岩体波速变化曲线,确定松动破碎范围,并研究分析影响松动范围的因素,测试分析结果见表3。DK568+085断面松动圈的范围如图7所示。(3)测试分析结果通过对DK568+105断面6个测试孔进行声波测试,分析研究岩体波速变化曲线,确定松动破碎范围,并研究分析影响松动圈的范围的因素,测试分析结果见表4。DK568+105断面松动圈的范围如图9所示。4围岩稳定性研究隧道钻爆开挖后,在围岩中形成松动圈的范围,该松动圈的范围主要受以下因素影响。1岩单轴抗压强度董方庭等通过实测得出的松动圈的范围为式中:B为隧道跨度,m;H为隧道埋深,m;R为围岩单轴抗压强度,MPa。上述因素中,对松动圈的范围影响最大的为H,然后依次为R和B。通过式(1),估算牛王盖隧道Ⅳ级围岩段松动圈的范围为40cm左右,根据厦门海底隧道松动圈的范围的研究,应力重分布造成的松动圈的范围占35%～55%,与实际比较吻合。2爆破过程的范围爆炸应力波作用下,裂隙区半径为其中,b=μ1−μb=μ1-μ式中:μ为岩石的泊松比;Ps为应力波的初始径向峰值应力;ST为岩石抗拉强度;α为应力波的衰减指数;rb为装药半径。由式(2)可知,爆破产生的破裂范围主要与爆炸应力、岩石抗拉强度和装药半径有关。因此,在隧道周边采用光面爆破主要是降低爆破应力强度和装药半径,以便最大限度地保护围岩。3带或岩溶时围岩整体性好时,爆破开挖在围岩中形成的松动范围较小且有规律,但是,当隧道围岩附近有破碎带或溶洞时,松动圈的范围将变得很不规律,主要是爆炸应力波传播遇到破碎带或溶洞时,压应力波反射变成拉应力波,岩石抗拉强度比抗压强度小很多,岩石容易产生破坏,因此,松动圈的范围就变得很不规律,这种现象在对断面DK568+055和DK568+105的测试中得到了验证。5锚网喷初期支护时的锚杆长度(1)对于双线隧道灰岩地层Ⅳ级围岩,采用控制爆破,总装药量在180k