懸索橋錨碇隧道爆破沖擊荷載作用下圍巖損傷度和松動圈范圍的測試研究

懸索橋錨碇隧道爆破沖擊荷載作用下圍巖損傷度和松動圈范圍的測試研究

1錨碇隧道爆破開挖引起的振動圈懸索橋是一個柔性結(jié)構(gòu)。作為懸索橋的主要承受力結(jié)構(gòu)，錨通常分為隧道錨和重力錨。錨碇及圍巖的穩(wěn)定性是懸索橋穩(wěn)定的一個關(guān)鍵性技術(shù)問題(1)由于塔基基坑、下部公路隧道等土工構(gòu)筑物布置較密集,爆破施工頻繁。圍巖介質(zhì)在頻繁的爆破振動荷載作用下,其損傷存在累積效應(yīng)(2)錨碇隧道爆破掘進(jìn)的進(jìn)尺小,單位進(jìn)尺耗藥量大(80~120kg/m),并且隧道式錨碇的傾角大于30°,大型施工機(jī)械無法進(jìn)出,采用軌道絞車出渣,效率低,導(dǎo)致初期支護(hù)延遲時間較長,這也可能促使松動圈擴(kuò)大。由此可見,錨碇隧道爆破開挖時,松動圈的發(fā)育是一個極其復(fù)雜的過程,這主要取決于圍巖的初始應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度、爆破荷載等級(可用振動速度表征)等方面的因素?？煽紤]通過合理的振動速度控制指標(biāo)來降低爆破沖擊荷載等級,減小爆破沖擊荷載對圍巖的累積損傷,以滿足隧道式錨碇的力學(xué)要求。2錨碇隧道和下公路隧道圍巖地質(zhì)背景矮寨懸索橋為國家重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)的長沙—重慶公路通道的組成部分——吉首—茶洞高速公路中的控制性工程。所在地區(qū)為構(gòu)造中常區(qū),發(fā)育有過渡型褶皺,分布有NNE,NE,NEE向斷層。隧道式錨碇地面坡度約為26°,錨碇軸線與等高線斜交,地表為裸露基巖,溶溝非常發(fā)育,地表以下8m范圍內(nèi)巖體基本上被溶溝切割成方塊狀,卸載回彈非常明顯,導(dǎo)致地表淺部巖體內(nèi)大部分構(gòu)造裂隙和層面呈張開狀。錨碇隧道有左、右2個隧洞,中夾巖厚12~16m,單個隧洞總長73m,斷面面積119~216m錨碇隧道右洞沿產(chǎn)狀210°∠80°的溶蝕裂隙發(fā)育有2個溶洞,充填黏土;圍巖級別Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ級,為弱風(fēng)化深灰色灰?guī)r,薄層狀,含泥質(zhì)條帶,巖體較破碎,巖層產(chǎn)狀為傾向SE,傾角10°以下。錨碇隧道和下部公路隧道均采用光面爆破掘進(jìn),其中下部公路隧道采用上下臺階法開挖,炮眼布置如圖2所示,爆破參數(shù)如表1所示。錨碇隧道掘進(jìn)時,上臺階和底板(可理解為下臺階)同時爆破,但是上臺階和底板在水平面上錯開了一個循環(huán)進(jìn)尺,爆破參數(shù)見表2,炮眼布置如圖3所示。3爆破振動控制指標(biāo)汪海濱等根據(jù)專家會議的要求和三峽工程的爆破經(jīng)驗,本工程決定采用3~6cm/s作為錨碇隧道的爆破振動控制指標(biāo)(爆心距20m左右)。同時,下部公路隧道采用《爆破安全規(guī)程》(GB6722–2003)的規(guī)定值作為爆破施工的控制指標(biāo)。關(guān)于爆破振動影響的分析方法,目前主要有數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測3.1爆破振動控制相對于公路隧道或者巷道而言,錨碇隧道的特殊點(diǎn)在于:設(shè)計爆破施工方案時,不但要考慮單次爆破對圍巖的擾動(損傷),更重要的是,應(yīng)考慮頻繁的近距離爆破帶來的圍巖累積損傷及其對隧道式錨碇自身穩(wěn)定和變形能力的影響,并根據(jù)這種影響設(shè)計合理的爆破振動控制指標(biāo)。結(jié)合錨碇隧道爆破施工的實際情況,爆破振動監(jiān)測分兩步進(jìn)行:(1)當(dāng)下部公路隧道掌子面距離錨碇較遠(yuǎn)時,在錨碇隧道的先行洞內(nèi)對后行洞的爆破施工進(jìn)行監(jiān)測(2)當(dāng)下部公路隧道掌子面逼近錨碇時,錨碇隧道和下部公路隧道在空間上組成立體交叉隧道3.2錨碇隧道測點(diǎn)聲速采用RSM–SY5聲波測試儀測定錨碇隧道和下部公路隧道在爆破荷載作用下的圍巖聲波波速變化,探頭形式為一發(fā)雙收型,分別在兩隧道的中夾巖上共布置8個測孔,其中布置在錨碇隧道中的測孔標(biāo)記為:錨–Ⅰ、錨–Ⅱ、錨–Ⅲ、錨–Ⅳ、布置在下部公路隧道的測孔標(biāo)記為:公–Ⅰ、公–Ⅱ、公–Ⅲ、公–Ⅳ?？咨?m,每20cm一個測點(diǎn),每3次爆破之后采集數(shù)據(jù),分別記錄各測點(diǎn)聲速和測孔平均聲波波速?；诼暡ǚń⒘藥r體損傷度(D)、巖體完整性系數(shù)(k)和聲速降低率(η)之間的關(guān)系式中:E參考《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程技術(shù)規(guī)范》(SL47–94)中規(guī)定,η>l0%時,即判定巖體受到爆破損傷破壞,對應(yīng)的巖體損傷閾值D4數(shù)據(jù)分析4.1爆破振動的波形由于錨碇隧道的特殊性,每次掘進(jìn)為上臺階和底板同時爆破,爆破參數(shù)隨著斷面尺寸的變化而變化。爆破振動速度監(jiān)測結(jié)果如表3所示。圖5為典型的爆破振動波形,其中,上面的波形代表水平方向的振動,下面的波形則表示豎直方向的振動。由圖5可見,各分段藥量引起的振動波形可分辨,其中掏槽孔爆破引起的振動最大,采用合理的掏槽爆破參數(shù)是降低爆破振動關(guān)鍵措施之一。薩道夫斯基根據(jù)彈性動力學(xué)理論提出了爆破振動中計算質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度V的公式:式中:K為場地系數(shù),與介質(zhì)有關(guān);ρ為比例藥量;Q為最大段藥量;R為爆心距。由所觀測的50組數(shù)據(jù)可以得到振動速度的擬合曲線(見圖6)及其和比例藥量的關(guān)系:式中:V為保證隧道式錨碇底部爆破施工的安全,本文考慮80%的置信概率,當(dāng)數(shù)據(jù)組數(shù)很多時,V在利用式(5)和(6)進(jìn)行爆破振動速度預(yù)測時,還應(yīng)注意比例藥量ρ不能超過0.021~0.209。4.2振動速度對圍巖累積損傷度的影響巖體損傷度的累積效應(yīng)和爆破沖擊荷載(本文用振動速度表征)的等級有關(guān)通過爆破后對同一測孔的聲波測試表明,隨著測孔附近爆破次數(shù)的增多,圍巖的聲速呈下降趨勢,由式(1)可計算出對應(yīng)的巖體損傷度D。以錨–I測孔為例(見圖7),隨著爆破次數(shù)的增多,錨–I測孔的1.5,1.9,2.1m處測點(diǎn)的累積損傷度相繼達(dá)到D而布置在下部公路隧道內(nèi)的公–I測孔(見圖9),雖然各測點(diǎn)累積損傷度的變化規(guī)律和隧道式錨碇內(nèi)測孔相似,但是,只有2.1m處測點(diǎn)圍巖累積損傷度達(dá)到0.19,其余測點(diǎn)處圍巖損傷度發(fā)展較為緩慢。這種規(guī)律在圖8中表現(xiàn)為松動圈厚度增長較為緩慢,但初次爆破的松動圈厚度增加比較大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:初次爆破開挖以后,各測孔一定深度內(nèi)圍巖物理力學(xué)性能劣化,而產(chǎn)生初始松動圈。下部公路隧道單次爆破進(jìn)尺在3.5m左右,而錨碇隧道單次爆破進(jìn)尺為1.0~1.5m,公路隧道單次爆破藥量大于錨碇隧道,所以公路隧道初次爆破的松動圈比較大。隨著隧道的掘進(jìn),掌子面到測孔的距離越來越遠(yuǎn)(即爆心距越來越大),根據(jù)式(5),(6),后續(xù)爆破對錨–I、公–I測孔處圍巖的擾動越來越弱,特別是下部公路隧道單次爆破進(jìn)尺比錨碇隧道單次爆破進(jìn)尺大得多,幾次爆破后,公–I測孔的爆心距就遠(yuǎn)大于錨–I測孔的爆心距,公–I測孔處的振動速度一定先于錨–I測孔衰減至閾值以下,而一般認(rèn)為高于某一閾值的振動速度才對圍巖損傷度產(chǎn)生累積效應(yīng),當(dāng)測孔處振動速度衰減至這一閾值以下,累積效應(yīng)不明顯,假如純粹從爆心距的增長幅度來判斷,這種累積效應(yīng)在錨–I測孔處的持續(xù)過程比公–I長得多。正是由于這種損傷積累過程更長,錨–I測孔內(nèi)更多測點(diǎn)的累積損傷度達(dá)到閾值D爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,下部公路隧道單次爆破的振動速度大于錨碇隧道,但隨著爆心距的增大,這兩類隧道測孔處的振動速度衰減到2cm/s以下時,測孔的聲波波速不再變化,在本工程中,可將振動速度2cm/s視為振動累積損傷閾值。圖7和9中有個別測點(diǎn)損傷度小于0的不合理情況,是爆破前巖體的聲波波速4.3爆破前后平均損傷度的變化本文定義每測孔各測點(diǎn)聲波波速的平均值為平均聲波波速,按照平均聲波波速計算得出的損傷度為平均損傷度。那么下部公路隧道和錨碇隧道中各測孔圍巖平均損傷度的發(fā)展也表現(xiàn)出明顯的組別差異性。如圖10所示,公–Ⅰ、公–Ⅱ測孔雖然初次爆破以后平均損傷度較大,但是平均損傷度在15次爆破以后趨于穩(wěn)定。錨–Ⅰ、錨–Ⅱ測孔的平均損傷度在25次爆破后才不再發(fā)展,此時,爆心距達(dá)到45m左右,測孔處的振動速度衰減至2cm/s左右。最終公路隧道的平均損傷度為0.12左右,錨碇隧道的平均損傷度為0.15左右。此外,錨碇隧道圍巖松動圈的發(fā)展幅度也超過下部公路隧道,如表4所示,錨–Ⅰ、錨–Ⅱ、錨–Ⅲ、錨–Ⅳ最終松動圈厚度增幅分別為0.6,0.8,0.6,0.6m,而下部公路隧道的圍巖松動圈厚度增幅為0.2m以下,兩者的最終松動圈厚度范圍大致一致,都在2m左右。5爆破振動約束(1)錨碇隧道爆破振動速度雖然小于公路隧道爆破振動速度,但由于多次的振動累積,圍巖松動圈厚度最終與公路隧道圍巖松動圈趨于一致。(2)錨碇隧道開挖爆破時,在3~6cm/s的爆破振動指標(biāo)控制下,進(jìn)尺最大可達(dá)1.5m,最大圍巖松動圈厚度為2.3m,