爆破施工对隧道二衬结构影响的试验研究

陈秋南，贺泳超，邹根，李君杰，周相识，周光裕

爆破施工对隧道二衬结构影响的试验研究

陈秋南1, 2，贺泳超2，邹根2，李君杰2，周相识3，周光裕3

(1. 湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201；3. 湖南尚上公路桥梁建设有限公司，湖南 长沙 410022)

为了研究隧道爆破振动施工对隧道混凝土二衬结构的影响，结合湖南省张家界老木峪2号隧道对自制不同强度的混凝土试块在不同龄期、不同爆心距的条件下进行爆破振动试验。首先通过正交试验判断出爆破振动对各因素影响程度的大小，然后采用压力试验机测出不同强度混凝土试块的极限荷载，最后通过混凝土试块抗压强度的变化规律分析其对二衬结构的影响。试验结果表明：混凝土强度是抵抗爆破振动的主要因素，在Ⅳ级围岩台阶法施工情况下，24 h龄期时距爆破中心60 m处的C45强度混凝土受爆破影响最小。爆心距15 m处，C30，C35，C40和C45的混凝土强度折减比分别为21.1%，16.8%，13.2%和1.0%，远大于爆心距60 m处C30，C35，C40和C45的混凝土强度折减比4.1%，3.1%，2.2%和2.1%。

隧道；爆破振动；混凝土强度；二次衬砌

混凝土二衬结构作为隧道工程施工的一个重要支护结构，混凝土施工质量的优良直接影响到二衬结构乃至整个隧道工程的安全。混凝土作为一种脆性材料，其抗拉强度较低，极限拉伸值较小，在爆破施工的条件下，二衬混凝土结构容易受到破坏。早期的混凝土强度较低，所以爆破振动对于新浇筑的二衬混凝土有很大的伤害，特别是0~3 d龄期的混凝土。近20年来，国内学者就爆破振动对混凝土结构的影响方面进行了大量的研究。由于爆破振动对混凝土结构会产生不利的影响,所以为了新浇混凝土的强度能正常发育，刘景福等[1]编写了相应的技术规范其中规定了混凝土基础面的安全质点速度标准。张德华等[2]确定了喷射混凝土硬化速度对初期支护性能的影响规律。夏祥等[3]制定了塑性混凝土材料的爆破振动速度控制标准。姚珊等[4]研究了爆破振动对地下厂房岩壁梁混凝土的影响。李毅敏等[5]分析早龄期混凝土损伤后的强度增长规律，建立了场地爆破与混凝土结构浇筑平行施工的安全技术指标。吴帅峰等[6]得出了新浇混凝土受爆破振动作用后在不同龄期下混凝土的安全振动速度。赵振国等[7]研究了爆破对不同龄期的喷射混凝土的影响。得出喷射混凝土破坏以剪切破坏为主，对0~3 d，3~7 d和7~28 d龄期的混凝土喷层，距掌子面安全距离分别是24，13和9 m。戴思南 等[8]研究了在爆破振动作用下，新浇大体积混凝土结构尺寸及龄期对其振动响应的影响。褚怀保等[9]设计了爆破振动对混凝土损伤的模拟实验，并分析了爆破振动对多次荷载条件下混凝土强度和耐久性的影响。王臣辉等[10]对连拱隧道的衬砌质量进行了分析，从优化爆破施工、控制爆破药量来保证先行洞混凝土结构的安全。关于爆破振动对二衬混凝土的影响问题，目前的研究现状及规范分别考虑了混凝土龄期、爆破振动速度、混凝土强度、爆破所需要的炸药量等。但是，对不同强度的受振混凝土在不同龄期、不同爆心距的综合条件下的安全问题研究却很少。在实际隧道爆破施工中，影响二衬结构的问题往往比较复杂，爆破振动对不同情况所产生的动态响应一定有所区别。因此，有必要根据二衬混凝土的结构特征，综合考虑多方面因素对混凝土的影响。基于此，本文对自制的4个不同强度的混凝土试块在4个不同龄期与4个不同爆心距的条件下进行爆破振动试验。通过正交试验得出二衬混凝土结构的试验结果，选出最优组合，并对试验结果进行分析，优化隧道支护结构、指导隧道施工。

1 工程概况

1.1 工程背景

老木峪2号隧道是武陵山大道拓改建工程(景区段)项目的控制性工程之一。隧道位于张家界市永定区，与已建老木峪隧道并行设置。老木峪2号隧道区工程地质较简单，附近无区域性断裂构造通过，地层岩性单一，基岩主要为页岩。洞身涌水量小，但局部会出现渗水，主要为松散地层孔隙水和基岩裂隙水，水质对钢筋混凝土有微腐蚀性。未发现岩溶塌陷、崩塌、滑坡等不良地质和地质灾害存在，无特殊性岩土分布。隧道全长2 060.00 m，隧道穿越Ⅴ(230 m)，Ⅳ(1 110 m)和Ⅲ(720 m)级围岩段。本次试验在Ⅳ级围岩条件下进行，采用钻爆法开挖，大量装药爆破释放的能量部分直接以应力波的形式传播到周围岩体中。爆破振源为上台阶爆破，孔深4 m，共有110炮孔，最大单孔装药量为30 kg，爆破施工过程中以设计制定的最小安全控制基准5 cm/s为标准。

1.2 混凝土的制备与检测

混凝土试块的制作参照普通混凝土制作标 准[11]，试块使用为150 mm×150 mm×150 mm(骨料颗径≤40 mm)的立方体，每组制作3个。采用张家界老木峪2号隧道施工现场混凝土配合比，目标强度为C30，C35，C40和C45。

为探究混凝土在隧道爆破振动中所受爆破振动荷载的影响，本次试验检测首先使用了ZBL-U5200非金属超声检测仪检测出所有混凝土试块的波速，然后选用DYE-3000压力试验机和RFP-03型智能测力仪，对养护28 d后的不同龄期、不同强度的混凝土的极限荷载与抗压强度分别进行检测，并与未经过爆破振动的混凝土进行对比分析。

(a) 搅拌图；(b) 模具图；(c) 养护图；(d) 仪器图

2 隧道二衬影响因素试验

2.1 正交试验设计

正交试验是从全面试验设计中选取有代表性的试验点进行试验。它借助规格化的正交表格，科学地安排试验，对试验结果进行比较、分析，能找出最优或较优的试验方案。

根据现场情况，本试验共进行了16组试验。本试验设计了3种影响因素分别是：混凝土强度、混凝土龄期和爆心距；设计了4种水平分别是：C30，C35，C40和C45强度的混凝土，12，24，36和48 h龄期下的混凝土，15，30，45和60 m的爆心距。在所选的正交表格中，把相应的因素与水平条件输入表格，便形成了试验方案，如表1。

2.2 方案步骤

首先为保证试验变量单一，本次试验需要在同一次爆破中进行。因此龄期为48 h的试块在爆破前48 h制成，龄期为36 h的试块在爆破前36 h制成，其他龄期以此类推，保证时间间隔相同。其次将制备好的混凝土试块根据试验的要求，放置在距爆破中心由近及远的4个测点上，分别为15，30，45和60 m。每个测点布置试验方案中相同的3个混凝土试块。最后将经过爆破振动后的所有混凝土试块养护28 d之后进行超声波检测与混凝土强度检测。通过正交试验得出主要影响因素与最优组合，基于正交试验的试验结果将受振混凝土试块与未经过爆破振动的C30，C35，C40和C45混凝土试块进行对比，分析主要因素的变化规律以及对二衬性能的影响。

表1 正交表格

3 试验检测与结果分析

3.1 试验检测方法

利用ZBL-U5200非金属超声检测仪中的超声法不密实区和空洞检测，检测混凝土的波速。其原理是通过脉冲波在混凝土中传播的时间、接受波的振幅和频率等声学参数的相对变化，来判断混凝土的缺陷。本试验采用对测法，仪器参数调整完后，使首波前沿基线弯曲的起始点对准游标脉冲的前沿开始进行检测，检测结果取相同3个混凝土试块的平均值。

利用DYE-3000压力试验机和RFP-03型智能测力仪将经过爆破振动作用后的混凝土试块与未经过爆破振动作用的混凝土试块在标养28 d后进行检测。使用DYE-3000压力试验机，首先将混凝土试块表面擦拭干净，检查外观是否有明显缺陷，若无明显缺陷，然后将混凝土试块放入下压板正中间，并按试件大小，转动手轮和丝杠，调节上压板至适当位置，最后按下启动按钮，调控送油阀，按正常速率稳定进行加荷试验，持续观察直至混凝土试块压碎，负荷开始下降时迅速关闭回油阀。试验结束时，将RFP-03型智能测力仪上的方值与速率记下，并按面板上打印键。智能测力仪即可打印本次的试验数据。

3.2 正交试验结果分析

分析混凝土强度对试验指标的影响，由表1可以看出，C30混凝土的影响反应在1，2，3和4号试验中，C35混凝土的影响反正在5，6，7和8号试验中，C40混凝土的影响反应在9，10，11和12号试验中，C45混凝土的影响反应在13，14，15和16号试验中。根据正交表格可得混凝土强度对试验指标的影响。

第1水平：

第2水平：

第3水平：

第4水平：

(a) 波速−强度关系；(b) 波速−龄期关系；(c) 波速−爆心距关系

根据正交试验定义的各因素指标趋势和表1的数据，可计算试验结果的极差，结果见表2。

表2 试验结果极差分析

由此可知，本试验因素的主次顺序为：混凝土强度＞爆心距＞混凝土龄期。即混凝土强度对试验的影响最大，为重要因素。其次是爆心距，而混凝土龄期相对于混凝土强度和爆心距对试验影响较小。从正交试验可以得出爆破振动对24 h龄期时距爆破中心60 m处的C45强度混凝土的影响最小。

3.3 混凝土强度变化规律分析

基于正交试验的实验结果，得出爆破振动对混凝土二衬结构影响的主要影响因素为混凝土强度。采用压力试验机测出受振混凝土试块在不同龄期、不同爆心距的极限荷载与抗压强度并与未经过爆破振动的混凝土进行对比分析。

根据混凝土结构设计规范，混凝土试块的抗压强度可按以下公式计算：

式中：为混凝土立方体试块的抗压强度，MPa；为混凝土试块承受的极限荷载，N；为试块的承压面积，mm2。本试验制备了边长为150 mm的标准立方体试件，利用压力试验机能检测出各混凝土试块的极限荷载，通过计算得出其抗压强度，如表3所示。表中采用了龄期为24 h爆心距分别在15 m和60 m的混凝土试块。还设计了未经过爆破振动的C30，C35，C40和C45混凝土试块作为对照组。

表3 抗压强度

由表3数据可知，制备的所有混凝土试块与目标强度混凝土相比都要比目标强度低。相同目标强度条件下距爆破中心15 m和60 m的受振混凝土试块与未经过爆破振动的混凝土试块相比，受振混凝土试块都比未经过爆破振动的混凝土试块的强 度低。

定义混凝土强度折减比：

式中：为定义的混凝土强度折减比；1为未经过爆破振动的混凝土试块的强度，MPa；2为爆破受振后的混凝土试块的强度，MPa。计算可得出在相同龄期，爆心距15 m的条件下，C30，C35，C40和C45的混凝土强度折减比1，2，3和4分别为0.211 4，0.167 6，0.131 6和0.109 7；在相同龄期，爆心距60 m的条件下，C30，C35，C40和C45的混凝土强度折减比5，6，7和8分别为0.040 9，0.031 2，0.021 9和0.020 9。通过定义强度折减比可知，随着混凝土强度的提升，爆破振动对其影响逐渐减小，但爆心距60 m处C40混凝土比C45混凝土强度折减比只高了0.1%。相同目标强度下15 m处混凝土试块受振影响远大于60 m处混凝土试块受振影响。

4 结论

1) 在Ⅳ级围岩台阶法施工情况下，对于隧道爆破开挖，混凝土强度是影响二衬质量的主要因素，混凝土强度越高，受爆破振动的影响越小。二衬与掌子面保持的相对距离与浇筑二衬的时间也对二衬质量有一定影响，距爆破中心越远，受爆破振动的影响越小；混凝土龄期为24 h时受爆破振动影响较小。在施工时应当对此引起足够重视。

2) 科学的制定隧道二衬受爆破振动的方案，是合理安排施工作业，有效减少爆破施工对二衬不利影响的关键。本文通过分析，提出在Ⅳ级围岩台阶法施工情况下，24 h龄期时距爆破中心60 m处的C45强度混凝土受爆破影响最小。以此为基础可以研究其他工况下的最优方案。

3) 在Ⅳ级围岩台阶法施工情况下，爆心距15 m处，C30，C35，C40和C45的混凝土强度折减比分别为21.1%，16.8%，13.2%和11.0%，远大于爆心距60 m处C30，C35，C40和C45的混凝土强度折减比4.1%，3.1%，2.2%和2.1%。因此二衬结构在紧跟掌子面施工时，二衬结构采用高强度混凝土尤为重要，能确保施工过程中隧道不良地段施工的有效性及整个隧道施工的安全性。

4) 经过隧道爆破振动后的混凝土试块比未经过爆破振动的混凝土试块的强度都有所降低。爆心距60 m处C40混凝土与C45混凝土强度折减比只相差0.1%。但在实际施工工程中，选取C45混凝土使工程成本增加，所以，选取C40混凝土作为二衬结构的经济性较强。

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Experimental study on influence of blasting construction on secondary lining structure of tunnel

CHEN Qiunan1, 2, HE Yongchao2, ZOU Gen2, LI Junjie2, ZHOU Xiangshi3, ZHOU Guangyu3

(1. Hunan Provincal Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stablility Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 3. Hunan Sunshine Construction Co., Ltd, Changsha 410022, China)

In order to investigate the effect of blasting vibration construction on the secondary lining of tunnel, blasting vibration tests were carried out on self-made concrete blocks with different strength at different ages and different distance from explosive source blasting in Laomuyu No.2 Tunnel of Zhangjiajie, Hunan Province. First, the influence degree of blasting vibration on each factor was judged by orthogonal tests. Then, the ultimate load of concrete blocks with different strength was measured by pressure testing machine. Finally, the influence of blasting vibration on the secondary lining was analyzed by the change rule of compressive strength of concrete blocks. The test results show that the concrete strength is the main factor to resist blasting vibration. Under the condition of stage IV surrounding rock bench construction, the C45 strength concrete at 60 m from the blasting center in 24 hage period is least affected by blasting. The strength reduction ratios of C30, C35, C40 and C45 are 21.1%, 16.8%, 13.2% and 11.0% respectively at 15 m of the detonation center distance, which are much larger than those of C30, C35, C40 and C45 at 60 m of the detonation center distance by 4.1%, 3.1%, 2.2% and 2.1%.

tunnel; blasting vibration; concrete strength; secondary lining

TU94+2

A

1672 − 7029(2020)03 − 0676 − 06

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190377

2019−05−05

国家自然科学基金资助项目(51909087，51878270，51778227)；湖南交通科技进步与创新项目(201712)；湖南省教育厅科研项目(18K064)

陈秋南(1968−)，男，江西莲花人，教授，博士，从事岩土与隧道工程研究；E−mail：cqndoc@163.com

(编辑 阳丽霞)