富水巖溶區隧道循環爆破所致圍巖累積損傷的超聲檢測

王方立，姜 冰，曹 敏，樊毅華，常樹芳，趙 超

(1.中交路橋華南工程有限公司，中山 528403；2.中南大學 資源與安全工程學院，長沙 410083)

隨著建設規模的增大，中國隧道建設逐漸向地質條件極端復雜、巖溶區占地區總面積1/3以上的西部地區發展，施工中的突泥、突水、涌水等災害的防控和處治一直是備受重視的難題。目前，鉆爆法仍然是隧道開挖最常用的方法之一，但在充水裂隙巖體附近，特別是臨近水體的隧道工程爆破開挖時，不可避免地會對圍巖產生損傷，導致圍巖松動，增加巖體孔隙度。圍巖在上部水體的水楔作用和爆破振動耦合作用下，水體更容易進入隧道開挖空間，導致隧道內發生大量涌水和突水等災害事故。據統計，在隧道地質災害事故中，突水和突泥事故占比最高，約為45%[1]，造成了大量人員傷亡和經濟損失。因此，需要對富水巖溶區隧道爆破開挖過程中的損傷累積效應進行進一步研究。

針對巖體的爆破損傷問題，各國學者在理論分析、現場測試、模擬試驗等方面開展了大量的研究。在爆炸損傷模型研究方面，YANG等[2]假設巖石爆破過程中的脆性破壞是由拉伸應變控制的，提出了一種與裂紋密度和應變率有關的爆炸損傷本構模型，解釋了爆炸應力波引起的巖體損傷。在爆破作用的數值模擬方面，MA等[3]通過AUTODYN軟件研究了地下爆炸引起的沖擊波在巖體中的傳播過程，預測了地下巖體爆破中產生的破壞面積、損傷區和地面振動。WANG等[4]運用LS-DYNA軟件對爆破漏斗進行了數值模擬，研究了爆破對巖石的破壞與拉伸損傷。在巖體損傷檢測方面，SAYERS等[5]通過聲波測試得出應力對裂紋擴展的影響，提出通過波速值對巖體損傷程度進行監測；MEGLIS等[6]對隧道內的圍巖進行了超聲波測試，研究了巖體微裂紋發育情況和區域應力狀態與損傷程度之間的關系；閆長斌[7]在某巷道進行了10次爆破試驗，通過超聲波測量研究了爆炸荷載作用下工程巖體的累積損傷效應，驗證了損傷累積規律的非線性特征；KURTULU等[8]采用大理石試塊研究了節理數量和方向對超聲波傳播的影響，發現聲波速度隨節理密度的增加而降低，且在節理方向不一致的試塊中衰減率更大。綜上所述，巖體爆破損傷理論正在不斷地完善和發展，但大部分研究對象主要是常規地質環境下的圍巖，對于富水巖溶地區裂隙巖體的爆破損傷問題的研究較少。

為此，針對富水巖溶區巖體爆破施工過程，采用超聲檢測對多次爆破作用下圍巖的累積損傷演化規律進行研究，以期為穿越富水巖溶區隧道的安全開挖、支護結構穩定性分析提供參考。

1 試驗原理

試驗采用跨孔測試法對隧道爆破前后的圍巖進行測試，設置一對平行探孔，在其中分別安置脈沖發射源和接收源，一定能量的高頻彈性脈沖波從發射源出發，經過巖石介質到達接收源。水作為發射源、接收源和巖石介質之間的耦合劑，可以大幅降低脈沖波在空氣中傳播引起的試驗誤差。傳播路徑中若存在裂隙、孔洞和軟弱層等波阻抗界面，脈沖波將會產生透射、反射等行為從而損失部分能量，延長首波到達時間并形成復雜的聲場。當巖石受到爆破等外部荷載擾動時，波阻抗界面會發生大幅變化從而改變脈沖波的傳播，因此，根據探孔間超聲波的主要參數變化規律，可以判斷巖石受到荷載擾動的損傷程度，跨孔聲波檢測原理如圖1所示。

圖1 跨孔聲波檢測原理示意

巖體的超聲檢測系統主要由發射換能器、接收換能器、聲波測試儀、個人終端以及其他輔助設備組成。試驗中用來檢測隧道圍巖聲波信息的主要儀器為RS-ST06D(T)型非金屬超聲檢測儀，其主要技術參數為：① 擁有四個獨立可控自發自收通道；② 最小采樣間隔為0.1 μs；③ 采樣長度為500～1 000個采樣點；④ 增益范圍為1～8 000倍；⑤ 采用信號觸發；⑥ 可進行獨立可控自動采樣；⑦ 可控頻帶寬度為5 kHz～250 kHz。巖體超聲檢測換能實物如圖2所示。

圖2 巖體超聲檢測換能器實物

巖石爆破損傷屬于動態損傷，根據一維彈性波理論，當聲波在巖石中傳播時，脈沖波波速與彈性模量之間存在如下關系

E/E＇=ρc2/ρ＇c＇2

(1)

式中：E和E＇分別為受擾動前后巖石的彈性模量；c和c＇分別為受擾動前后巖石內的聲波波速；ρ和ρ＇分別為擾動前后巖石密度。

當介質為硬巖時，巖石在爆破擾動過程中產生的變形較為微弱，可以認為硬巖爆破損傷屬于小變形問題，因此可以假設硬巖介質在受爆破擾動前后的密度變化不大，則有

E/E＇=c2/c＇2

(2)

介質彈性模量的變化與介質內聲速平方的變化成正相關，從而可以定義損傷變量D與波速之間的關系為

D=1-(c/c＇)2

(3)

當D=0時，表明巖體無損傷；當0

Df=1-(cf/c＇)2

(4)

式中：Df為損傷度臨界值；cf為損傷臨界值對應的聲波波速。

根據標準DL/T 5389—2007 《水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規范》，當爆破前后巖石聲波波速下降率達到15%時，可以判斷巖石受爆破荷載擾動而產生了破裂。此時，根據上述公式，破裂區巖石的損傷變量和聲波波速滿足以下關系

D≥Df=0.28

(5)

c≤cf=0.85c＇

(6)

式(5)～(6)可作為工程應用中通過聲波試驗來判斷巖石受到荷載擾動程度的依據。

此外，聲波能量在介質中呈球面波的形式不斷擴散，隨巖體介質的不斷劣化以及傳播距離的增加，聲波能量密度也會逐漸降低，表現為聲波幅度的衰減，因此聲波最大振幅的變化也可作為判斷巖體損傷情況的依據。

2 試驗方案

試驗現場位于貴州省玉石高速某隧道，該隧道所處山脈受大堯寨向斜構造影響，呈南北向展布。隧道洞口為碎屑巖構造剝蝕低山地貌區，隧道中部為碳酸鹽巖構造溶蝕中山地貌區，剖面上沿隧道走向呈現兩山夾一槽的地形。兩側山脊中間為一呈串珠狀展布的由巖溶洼地組成的巖溶槽谷，隧道從西向東幾乎橫穿該地貌區的山脊和山谷。隧道地理位置及其災害情況如圖3所示。

圖3 隧道地理位置及其災害情況

隧址區碳酸鹽巖發育，在特殊的地形和地質構造的作用下，巖溶作用強烈，地下水豐富。巖層中的節理裂隙發育，巖層完整性較差，給隧道施工帶來了較大安全隱患。在隧道入口YK21+125處，施工期間出現了涌水點，其流量和水質隨天氣情況變化；在ZK21+220處發生有突泥災害，伴隨砂礫、卵石、黏土和小股流水，并揭露出大型溶洞。

該試驗通過測試隧道掌子面爆破開挖作用下的圍巖聲波曲線變化，反映爆破對圍巖的累積損傷作用。測區圍巖以灰巖為主，圍巖等級為Ⅳ級。隧道掌子面單次開挖2.5 m，單次爆破總藥量為204 kg。測試孔布置在距離隧道掌子面8 m的邊墻上，共鉆設2個平行的聲波測試孔A和B，其孔徑為50 mm，孔深為2 m，孔距為1 m，孔口連線平行于下臺階頂面且垂直于掌子面，孔身向下傾斜5°。在測孔后方的邊墻上布置了兩個振動傳感器，相距10 m，振動傳感器與爆破測振儀連接以測量掌子面爆破開挖時圍巖處產生的振動信息，測孔位置如圖4所示，測孔和測振現場如圖5所示。

圖4 測孔位置示意

圖5 測孔和測振現場

現場圍巖爆破累積損傷的超聲檢測步驟如下。

(1) 初次檢測前，在邊墻上標記聲波測試孔位置，然后打孔。

(2) 測孔成型后，進行超聲檢測，將該測試值作為爆破前圍巖的初始值。

(3) 每次測試前，先將發射換能器和接收換能器分別插到測孔A、B的孔底，然后持續向測孔注水作為耦合劑，調整儀器參數。

(4) 檢測時，將兩個聲波換能器平行地從孔底逐漸向孔口移動。通過計數滑輪測量移動距離，每移動0.1 m，超聲檢測儀會記錄一個波形數據，換能器移動到孔口時停止測試，保存數據。重復該過程3次，提取相應的聲速和振幅，取其平均值作為檢測的最終值。

(5) 最后，保存每次掌子面爆破后測振儀采集到的振動數據，以待分析。

3 結果分析

測孔成型后，通過超聲檢測可得到多次爆破作用后圍巖的聲速和振幅信息。共測試8次，包括圍巖的初始聲波測試和7次掌子面爆破后的聲波測試。因為孔口處的水耦合不完全，測試數據誤差較大，所以0～0.4 m深度范圍內的數據不作為參考，以0.4 m為起始深度進行分析。多次爆破作用下圍巖聲波波速變化曲線與聲波幅度變化曲線如圖6，7所示。

圖6 多次爆破作用下圍巖聲速變化曲線

圖7 多次爆破作用下圍巖聲波幅度變化曲線

根據圖6，7可得到以下測區隧道圍巖的爆破累積損傷規律。

(1) 在孔深0.4 ～1.2 m處，隧道圍巖的聲速和最大振幅均隨孔深增大而增大；在孔深1.2～2 m處，聲速和最大振幅變化基本穩定，并且基本不隨爆破次數增加而變化，可以認為1.2 m為該隧道爆破影響的臨界深度，該深度范圍內為彈性振動區，圍巖不受循環爆破累積損傷的影響。

(2) 第6次爆破后，爆源距測孔23.0 m，相比第5次爆破后的圍巖聲速-深度關系曲線，第6次爆破后的關系曲線基本不變；同樣，第6次爆破往后聲波最大振幅變化不大，可認為第6次和第7次爆破作用對測點處圍巖的影響較小。因此，當掌子面爆破藥量保持不變時，距爆源23 m以內為該隧道爆破作用的影響范圍。

(3) 在圍巖深度0.4～1.2 m的區域內，相同深度處的圍巖聲速和振幅會隨著爆破累積作用而降低。雖然單次爆破損傷程度較低，不會出現破壞，但損傷弱化效應會不斷累積，最終可能導致巖體剝落甚至圍巖的整體性失穩。

為了進一步分析隧道圍巖的損傷累積規律，根據現場測試結果，采用式(3)計算圍巖損傷度并與相應的聲波最大振幅進行對比，得到的不同深度處圍巖累積損傷度與爆破次數的關系如圖8所示，最大振幅與爆破次數的關系如圖9所示。

圖8 不同深度處圍巖損傷度與爆破次數的關系

圖9 不同深度處最大振幅與爆破次數的關系

在臨界范圍以內，各測點隨著爆破次數增加，損傷度不斷增大，聲波最大振幅呈現明顯的下降趨勢。其中，越靠近孔口的測點，損傷累積速率越快，損傷度增長幅值更大，巖石最終損傷程度也更大。根據標準DL/T 5389—2007，當巖體聲速降低率超過10%，即損傷度超過0.19時，可以判斷為巖體出現損傷破壞。而該試驗中最大損傷度為0.132，出現在孔深0.4 m處，可以認為該測試區域沒有出現整體性破壞，但損傷程度接近閾值，說明在多次爆破作用下，巖體完整性降低。若在富水巖溶環境中，隧道容易因爆破累積損傷而引發突涌水及圍巖失穩事故。

現場測試中通過測振儀監測隧道圍巖的振動速度，根據監測結果進一步分析掌子面爆破開挖對邊墻的擾動作用，隧道左洞圍巖質點峰值振速隨爆破次數的變化曲線如圖10所示。

圖10 隧道左洞圍巖質點峰值振速隨爆破次數的變化曲線

測得的圍巖質點最大振動速度為9.981 m/s。隨著隧道不斷向前開挖，爆源與測點之間的距離以單次進尺2.5 m循環增加。在單次爆破藥量不變的情況下，隨爆源距離的增加，爆破作用對巖體的影響會逐漸減弱。與聲波速度和聲波最大振幅的變化相同，在第5次爆破后，測點處振動速度變化不大，說明在該距離下掌子面爆破作用對圍巖產生的影響已經比較微弱。

4 結論

闡述了隧道爆破開挖時圍巖產生損傷的機理，依托貴州某富水巖溶公路隧道，開展了多次爆破作用下的圍巖累積損傷測試，對超聲檢測結果和振動監測結果進行分析，得到如下結論。

(1) 跨孔聲波檢測法能有效地檢測出圍巖的劣化程度，根據聲速和聲波最大振幅的對比分析，可以發現隧道圍巖在不同孔深處受爆破的影響程度不同，孔深越淺所受影響程度越大，1.2 m為該隧道爆破影響的深度臨界值，距爆源23 m內為該隧道爆破作用的影響范圍。

(2) 隨著爆破次數增加，隧道圍巖產生了明顯的累積損傷，越靠近孔口的測點，損傷累積速率越快，巖石最終損傷程度也越大。多次爆破作用下圍巖的損傷弱化效應會不斷累積，最終有出現圍巖整體性失穩的可能性。

(3) 圍巖質點峰值振速與爆源距離呈現正相關關系，測點離爆源越遠，爆破所產生的振動速度越小，可以通過振速來評判單次爆破作用下圍巖受掌子面爆破開挖的影響程度。