隧洞二襯結構施工爆破振動影響的實驗分析探究

（吉安市公路局安福分局,江西 安福 343200）

0 引言

在隧洞工程建設中二襯砼結構發揮著重要的支護作用，其施工質量是該結構以致隧洞整體系統安全實現的關鍵。砼的抗拉強度相對比較低，拉伸極限值亦比較小，屬于一種脆性材料，在施工爆破狀態下，二襯結構極易遭受損壞。砼的強度在早期通常都比較低，因此，新筑澆的二襯砼受爆破振動的破壞通常很大，尤其在0～3 d齡期。國內近年就砼結構受爆破振動的破壞程度開展了相當數量的探究，但對不同強度的受振砼在不同爆心距、不同齡期的綜合狀態下的安全問題探究卻相對較少。對于二襯結構存在影響的問題，在隧洞施工爆破中，通常較為復雜，在不同情況下爆破振動形成的影響亦有所不同。故很有必要依據二襯砼結構特征，多方面綜合考慮各要素對砼結構的影響。本研究對不同強度的4個自制砼試件在不同4個爆心距與不同4個齡期狀態下開展爆破振動實驗，經過正交實驗得出二襯砼結構的實驗成果，以利于指導隧洞支護結構優化和組織安全高效的隧洞施工。

1 案例工程介紹

案例2號隧洞是位處我省南部地區，區域地層巖性單一，地質相對簡單，無斷裂構造貫通，基巖主要是頁巖。洞身涌水量不大，但在局部存在基巖裂縫水及松散地層孔隙水滲水，水質對砼、鋼筋蝕損性相對不高。沒有特殊性巖土，不存在滑坡、崩塌、塌陷等不良地質災害。隧洞全長2 060.00 m，穿越Ⅲ（720 m）、Ⅳ（1110 m）及Ⅴ（230 m）級圍巖段。本次實驗在Ⅳ級圍巖狀態下開展，選用鉆爆法破土作業，爆破所釋放的能量以波的形式直接傳導至周圍巖體。上臺階爆破是主要爆振源，共存在110炮孔，孔深4 m，單孔最大裝藥量是30 kg，爆破施工最小安全控制設計標準為5 cm/s。選用鉆爆法，爆破能量釋放大部分被以應力波直接的傳導釋放至周圍巖體中。

2 試件及實驗方案

2.1 試件制備

參照常規砼試件制備標準，試件呈立方體，集料顆徑≤40 mm，規格150×150×150（mm），各組制備3個。參考案例施工所選擇的砼配比，試件目標強度C45、C40、C35及C30。為研究隧洞爆破中砼結構所受振動載荷的影響，本次實驗測量先用ZBL-U5 200非金屬超聲測量儀測量出所有砼試件的波速，然后選擇應用DYE- 3 000壓力實驗機及RFP- 0 3型智能應力測量儀，對養護28 d后不同強度、不同齡期砼的最大抗壓強度與載荷分別開展測量，并與未通過爆破振動的砼開展比對分析[1]。

2.2 正交實驗設計

表1 正交表格

選取典型實驗點開展實驗，依據現場情況，本實驗共開展了16組實驗。本實驗設計了3種影響要素分別是：爆心距、砼齡期及砼強度；設計4種砼強度分別為：C45、C40、C35及C30強度，48 h、36 h、24 h及12 h齡期下的砼，60 m、45 m、30 m及15 m的爆心距[2]。將相應的強度與要素條件輸入所選的正交表格，即構成了實驗方案，見表1具體所示。

2.3 實驗過程與測量

首先本次實驗為保證實驗變量單一，要在同一次爆破中開展。故需于爆破前48 h制成齡期是48 h的試件，爆破前36 h制成齡期是36 h的試件，其它齡期以此類推，間隔時間要保證等同。然后將制作好的砼試件依據實驗需求，由近及遠置放在距爆破中心15 m、30 m、45 m及60 m 4個測點上。各個測點配置實驗方案中等同的3個砼試件。最后將所有通過爆破振動的砼試件養護28 d以后開展超聲波測量與砼強度測量[3]。經過正交實驗得出重點影響要素與最佳組合，基于正交實驗的實驗成果把受振砼試件與未通過爆破振動的C45、C40、C35及C30砼試件開展比對，分析對二襯功效的影響和重點要素的變化規律。

采用ZBL-U5 200非金屬超聲測量儀中的超聲波檢測砼空洞及不密實區，以及測量砼的波速。原理系經過脈沖波頻率、接受波的振幅及在砼中傳播時間等聲學參數變化，進行分析砼的欠缺。本實驗選用對測法，先調整儀器，把首波前沿基線的彎曲初始點，正對游標脈沖前沿，然后開展測量，測量成果取等同3個砼試件的均值。

利用DYE- 3 000壓力實驗機及RFP- 0 3型智能應力測量儀將未通過爆破振動的砼試件與通過爆破振動后的砼試件在標養28 d后開展測量。利用DYE- 3 000壓力實驗機，先清理干凈砼試件的表面，查看外觀是否存在顯然欠缺，如無顯然欠缺，便在下壓板正中間放置砼試件，并按試件規格，轉動絲杠及手輪至上壓板于合適部位，最后啟動調控送油閥，控制好油速，穩定開展加載實驗，持續觀察直到砼試件壓碎，載荷開始降低時立刻關閉回油閥。實驗結束時，記下RFP- 0 3型智能應力測量儀上的速度與方值，并用智能應力測量儀打印出本次的實驗數據。

3 正交實驗成果及砼結構強度變化規律分析

3.1 正交實驗成果分析

分析砼強度對實驗指標的影響，通過表1能夠發現、C30砼的影響反應在1#～4#號實驗中、C35砼的影響正反在5#～8#號實驗中、C40砼的影響反應在9#～12#號實驗中、C45砼的影響反應在13#～16#號實驗中。依據正交表獲得砼強度的實驗指標影響。

第1強度：

第2強度：

第3強度：

第4強度：

從4個強度指標能夠發現，砼強度的強度變動對實驗成果有影響，并且 KAC30＜KAC35＜KAC40＜KAC45，故確定C45為砼強度要素的較優化強度。同理，能夠計算出24 h砼齡期，60 m爆心距分別是爆心距與砼齡期的較優化強度。為了便于發現不同要素對實驗指標的影響，繪制趨勢圖時，用影響要素爆心距、砼齡期及砼強度分別系為橫坐標，實驗指標均值波速系縱坐標[4]。如圖1具體所示。

圖1 波速-要素指標關系

依據正交實驗定義的表1的數據及各要素指標趨勢，可計算實驗成果的極差，成果如表2具體所示。

表2 實驗成果極差分析

由此可知，本實驗要素的主次順序為：砼強度＞爆心距＞砼齡期。即砼強度對實驗的影響作用最，爆心距其次，而砼齡期相對于爆心距及砼強度對實驗影響比較小。從正交實驗能夠得到爆破振動對距爆破中心60 m位置24 h齡期時的C45強度砼的影響最小。

3.2 砼結構強度變化規律分析

依據正交實驗的試驗成果，得出爆破振動對砼二襯結構影響的重點影響要素為砼強度。選用壓力實驗機測得受振砼試件在不同爆心距、不同齡期的極限載荷與抗壓強度并與未通過爆破振動的砼開展比對分析。

依據砼結構設計規范，可按以下公式計算砼試件的抗壓強度：

公式中：P是砼立方體試件抗壓強度系MPa；F是砼試件承受的極限載荷系N；A為試件的承壓面積系mm2。本實驗制作了標準立方體試件，其邊長是150 mm，應用壓力實驗機能測量出各砼試件的極限載荷，經過計算得到抗壓強度，見表3具體所示。表中選用爆心距分別在60 m及15 m，齡期是24 h的砼試件。還設計了未通過爆破振動的C45、C40、C35及C30砼試件作為對比參照組。

表3 抗壓強度

由表3數據可知，制作的所有砼試件與目標強度砼相比均要比目標強度低。等同目標強度狀態下距爆破中心60 m及15 m的受振砼試件與未通過爆破振動的砼試件相比，受振砼試件都比未通過爆破振動的砼試件的強度低。定義砼強度折減比β：

公式中：σ2系為爆破受振后的砼試件的強度，MPa；σ1系為未通過爆破振動的砼試件的強度，MPa；β系為砼強度折減比。由計算可知在等同齡期，爆心距15 m的狀態下，C45、C40、C35 及 C30 的砼強度折減比β4、β3、β2及β1分別為0.1097、0.1316、0.1676及0.2114；在等同齡期，爆心距60 m的狀態下C45、C40、C35及C30的砼強度折減比β8、β7、β6及β5分 別 為 0.0209、0.0219、0.0312 及 0.0409。由強度折減比得出，伴隨砼強度的加強受爆破振動影響將逐步降低，但是爆心距60 m位置C40砼比C45砼只高了0.1%的強度折減比。等同目標強度下15 m位置的砼試件受振影響程度遠高出60 m位置的砼試件受振影響程度。

4 結論

（1）于Ⅳ級圍巖臺階法工作狀態下，對于隧洞爆破開挖，影響二襯質量的重點要素為砼強度，爆破振動的影響程度隨砼強度的增高而減小。掌子面與二襯之間的距離與筑澆二襯的時間亦影響二襯質量。爆破振動的影響程度隨距爆破中心越遠將越??；爆破振動在砼齡期是24 h時影響比較小。對此在施工時應該引發足夠重視。

（2）隧洞二襯施工中，科學制作受爆破振動計劃，施工操作合理安排，此是有效降低二襯施工受爆破振動出現不利影響的關鍵。本研究經過研究，總結于Ⅳ級圍巖臺階法工作狀態下，距爆破中心60 m位置的24 h齡期時C45強度砼受爆破影響最小。故能夠以此為基礎探究其它工況下的最佳方案。

（3）于Ⅳ級圍巖臺階法工作狀態下，爆心距15 m位置的C45、C40、C35及C30的砼強度折減比系為11.0%、13.2%、16.8%及21.1%，遠高出爆心距60 m位置的C45、C40、C35及C30的砼強度折減比2.1%、2.2%、3.1%及4.1%。故施工二襯結構在與掌子面距離很近時，二襯結構選用高強度砼十分重要，將確保對隧洞不良地段的施工具備有效性，同時亦增加整體隧洞作業的安全性。

（4）通過隧洞爆破振動后的砼試件比未通過爆破振動的砼試件的強度都有所減少。爆心距60 m位置的C40砼與C45砼強度折減比只低了0.1%。但是選取C45砼實際工程的成本將加增，因此，作為二襯結構選取C40砼經濟性較強。