隧道爆破振动对新浇超短龄期混凝土二衬的影响

贺泳超，陈秋南,2，衣利伟，黄向韬，曾奥，周相识，周光裕

(1.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭，411201；2.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；3.湖南尚上建设开发有限公司，湖南长沙，410022)

随着我国公路、铁路、轨道交通等的飞速发展，山岭隧道的施工建设成了克服高程障碍和平面障碍的首选。在隧道爆破施工过程中，爆炸产生的能量除破岩外，另有一部分能量以弹性波的形式在岩体中传播，对新浇筑的二衬混凝土也会产生一定的影响。我国相关的规程和标准[1-3]指出新浇筑的混凝土在早期发育较快，直至龄期28 d时才具有95%的抗压强度。徐林生[4]研究了在Ⅴ级围岩情况下围岩压力和二衬混凝土结构受力状况，发现实测围岩压力远小于理论计算值，需要对部分支护结构参数进行优化调整。吴帅峰等[5]指出龄期在12 h 内强度增长最快且对外界扰动最敏感，当龄期大于24 h 时，强度增长速率减缓而抵抗外界扰动能力增强。罗忆等[6]总结了国内外工程中混凝土0～3，3～7 和7～28 d 的允许爆破振动速度。曹文卓等[7]揭示了开挖扰动引起围岩破裂深部能量演化的机制。王淼等[8]研究了隧道爆破开挖对隧道支护结构稳定性的影响，根据爆破产生的冲击波优化地下工程的支护结构。王林台等[9]分析了隧道爆破振动波形各频带能量的分布规律。傅洪贤等[10]研究了隧道掌子面后方及侧面围岩的爆破振动规律，补充和完善了萨道夫斯基公式。张顶立等[11]指出了复杂围岩控制设计方面存在的突出问题，并提出了保障安全性的方法。李夕兵等[12]利用大杆径分离式霍金森压杆试验装置对龄期为1，3，7，14和28 d 的混凝土进行多次冲击压缩试验并得出损伤规律。赵振国等[13]研究了爆破振动对深埋隧洞围岩龄期为0～3，3～7和7～28 d的混凝土喷层的影响。结合以上研究发现龄期为0～3 d 的混凝土视为同一阶段的标准混凝土过于粗略，对于二衬砌混凝土施工标准和距掌子面最佳距离还不够细化[14-17]。基于此现状，本文作者分别对Ⅳ级围岩隧道的龄期为6，12，24，36和48 h的不同强度混凝土在不同爆心距受爆破振动后的损伤进行试验研究，以便为缩短二衬至掌子面距离、确保隧道施工安全提供参考。

1 工程背景及试验原理

1.1 工程背景

武陵山大道(景区段)建设工程老木峪2 号隧道位于张家界市永定区新桥镇杨家湾村，离既有隧道最近距离小于25 m。隧道起于ZK8+896.00 m，终于ZK10+956.00 m，隧道高程为489.04～528.24 m，全长2 060.00 m。按公路隧道长度分类，属长隧道。隧道岩性单一，主要为页岩，水文地质条件简单，隧道区无地表水体分布。隧道建成后，可以大大缓解景区交通压力。

1.2 爆破振动对二衬影响的机理

二衬是隧道工程施工在初期支护内侧施作的模筑混凝土或钢筋混凝土，与初期支护和防水层共同组成复合式衬砌。水泥作为混凝土的主要原料，随着龄期增加，水化反应逐渐完全，在正常养护条件下，3 d 时的混凝土强度为28 d 龄期的30%左右。在该龄期内，水泥的水化反应还不完全，爆破振动对混凝土有较大影响，会阻碍水化反应的正常进行，使其内部产生裂缝，抗渗能力下降，严重时会导致钢筋生锈，混凝土碳化，降低混凝土的耐久性。为了确保二衬的完整、稳定、安全，通常在施工中必须严格控制炸药量、二衬到掌子面的距离、混凝土的强度等，尽量减少二衬混凝土受损。

1.3 超声法检测混凝土的原理

为分析混凝土在爆破振动过程中所受振动荷载的影响，选用ZBL-U5200 非金属超声检测仪对不同龄期和不同强度的混凝土进行检测。

超声法检测混凝土缺陷是利用脉冲波在技术条件相同的混凝土中传播的时间、接受波的振幅和频率的相对变化，判断混凝土的缺陷。当有空洞或裂缝时，便破坏了混凝土的整体性，声波只能绕过空洞或裂缝传到换能器，因此，传播路程增长，声时偏长，其相应波速降低。超声波在缺陷界面产生反射、散射，能量衰减可能发生波形转换或叠加，使波形发生畸变[18]。通过对超声波检测的数据进行处理分析可以判断混凝土试块的缺陷与损伤程度。

2 爆破振动现场试验方案

2.1 方案设计

设计3组试验A，B和C，如表1所示。A组分为4个小组，其变量为爆心距，取4种不同爆心距且龄期都为6 h的C40混凝土。B组分为5个小组，其变量为龄期，取5种不同龄期且爆心距都为30 m的C40混凝土。C组分为4个小组，其变量为混凝土强度，取4 种不同混凝土强度且爆心距都为30 m，龄期都为6 h的混凝土。

表1 试验方案Table1 Test plans

将所有试验的试块布置在相应测点上(见图1)，使其受到爆破扰动，将扰动后的试块放置养护室养护至龄期28 d 后进行损伤测试，发现其变化规律，并找出爆破振动对二衬结构影响的关键因素加以改进，对现场施工进行指导。

图1 现场试块测点Fig.1 Spot test points

2.2 现场试验

根据最新爆破安全规程[19]，爆破振动安全距离为30 m。老木峪隧道围岩为页岩，属中硬岩，场地系数K取150～250，振动衰减系数α取1.5～1.8。爆破振源为上台阶爆破，孔深为4 m，共有110 个炮孔，最大单孔装药量为30 kg，总计用药量260 kg。根据前期现场质点安全振动速度v为5～15 cm/s，所以，安全允许距离R取30 m 最合适。因龄期越短，爆破对试块影响越大，所以，选取龄期6 h作为参照。根据混凝土结构耐久性设计规范和现场实际情况，选取C40 混凝土作对照。同一次爆破振动分别进行A，B 和C 3 组试验。龄期为6，12，24和48 h的试块分别在爆破前6，12，24 和48 h 制成，确保时间间隔相同。在15～60 m范围内，测点布置在同一直线上，共4个测点，距离分别为15，30，45 和60 m。在每个测点布置3个同样的试块，受振混凝土试块共39 块。将受到爆破振动后的试块放置养护室养护至龄期28 d 后进行损伤测试试验。

2.3 混凝土试样的制备

混凝土试块的制作参照普通混凝土制作标准[20]，模具是边长为150 mm的正方体(骨料颗径小于等于40 mm)，采用施工现场混凝土配合比，目标强度为C30，C35，C40和C45。C30混凝土配合比见表2。混凝土试块按照龄期分为5 次制作，分别为6，12，24，36和48 h。

表2 C30混凝土配合比Table2 Mix ratios of C30 concrete kg/m3

3 试验测试与结果分析

3.1 试验测试方法

利用非金属超声检测仪将经过爆破振动作用后的所有试块在标养28 d 后进行检测。启用非金属超声检测仪并采用超声法对不密实区和空洞进行检测，利用脉冲波在混凝土中传播时间、接受波的振幅和频率等声学参数的相对变化，判断混凝土的缺陷。本试验采用对测法，分别测试混凝土试块面对掌子面、背对掌子面与侧对掌子面的4个面，每个面均有16个测点。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。将经过爆破振动的混凝土试块与未经过爆破振动的混凝土试块分别进行检测，然后，将受振混凝土试块的检测的声时、波速与未经过爆破振动的混凝土试块检测的声时、波速分别进行对比。

3.2 超声波检测结果

利用非金属超声波检测仪检测养护28 d 的混凝土试块。经测试，分别得到每个测点每个试块的声时、波速、波幅。选取其中几组进行对比，声时、波速、波幅取每组相同3块混凝试块中间区域的平均值。声时与波速为各个测点的主要参数，如表3所示。表3中对照1 试块至对照5 试块分别是试验龄期为6，12，24，36和48 h的未经爆破振动的标准试块。标准试块的波形图如图2所示，其中，声时是超声波从发射换能器到接收换能器传播所用的时间(μs)，幅度是接收到超声波首波的幅度，用于衡量超声波能量(dB)。

3.3 波速规律分析

损伤是在外部荷载或者环境作用下，由结构缺陷导致的不可逆变化的情况，是研究爆破振动对二衬结构的核心问题。为分析混凝土试块的损伤规律，主要研究波速变化的规律与波形变化的规律并得出混凝土超声波波速变化曲线图和波形图，分别如表3和图3所示。从表3和图3可见：不同混凝土试块所受的超声波波速随着爆心距增加共经历了2个阶段，分别为迅速增长阶段和缓慢下降阶段。以强度为C40 的试块为例，爆心距为15～30 m 的混凝土试块波速由2.953 km/s 增至3.151 km/s，爆心距为30～60 m的混凝土试块波速由3.151 km/s 降低至3.099 km/s；在15 m 位置其波速有最小值，表明爆心距为15 m 的位置混凝土最容易受到爆破振动的影响；30 m 处的波速较15 m处的波速明显增大许多，产生最大值，表明在30 m 处的混凝土抵抗爆破振动的能力达到最佳效果；但在30～60 m 时波速呈缓慢下降趋势，从3.151 km/s 减小至3.099 km/s，表明30 m 之后爆破振动对混凝土试块的影响较小且波速趋于稳定。

表3 仪器参数Table3 Instrument parameters

图2 标准试块波形图Fig.2 Waveforms of standard test block

图3 试块波速与爆心距关系Fig.3 Relationship between test block velocity and blasting center distance

图4 试块波速与龄期关系Fig.4 Relationship between wave velocity and age of test block

试块波速与龄期关系如图4所示。从图4可以看出：不同混凝土试块所受的超声波波速随着龄期的增加共经历了3 个阶段，分别为缓慢增长阶段、迅速增长阶段和基本稳定阶段。以强度为C40的试块为例，龄期为6～12 h 阶段，波速由3.151 km/s增长到3.178 km/s；龄期为12～24 h阶段，波速由3.178 km/s 增长到4.213 km/s；龄期为24～48 h 阶段，波速由4.213 km/s 增长到4.300 km/s。这表明6～12 h时，混凝土试块受爆破振动的损伤最大，原因在于爆破振动在混凝土试块原本细微裂纹因集中应力引起局部损伤，由于水泥刚完成终凝，还未达到较密的内部结构，而这段时间内爆破振动对混凝土试块产生的影响使混凝土的损伤大大增加。在12～24 h 阶段，混凝土抵抗爆破振动的能力迅速上升，该阶段由于爆破振动作用使混凝土试块内部结构发生反应，水泥发生水化作用补充了骨料之间的间隙，使孔隙率下降，混凝土密实程度增加，同时，在该阶段混凝土所受的超声波波速持续增加，混凝土的自我修复能力达到最佳效果，使爆破振动对其损伤效应变弱。在24～48 h 阶段，随着龄期增加，混凝土试块内部还有少量未发生水化反应的水泥，混凝土内部的结构裂纹扩张缓慢，而混凝土试块已经具有一定的抵抗爆破振动的能力，波速逐渐趋于稳定，表明在此阶段损伤的发展基本平稳且爆破振动对混凝土损伤较小。

图5所示为A 组的4 个测点(爆心距分别为15，30，45 和60 m)的波形。从图5可以发现：当爆心距为15 m 时，幅度变化很大且有2 处波形发生畸变，这表明在15 m 处混凝土试块最易受到爆破振动的影响；当爆心距为30 m 时，幅度变化比15 m时小，且波形没有发生畸变，但与图2相比波幅有明显降低，这表明在爆心距为30 m 的混凝土试块也有一定损伤，超声波在缺陷位置发生反射、散射使其波幅降低；当爆心距为45 m 时，幅度变化不大，且没有波形发生畸变；当爆心距为60 m时，幅度基本稳定，也没有波形发生畸变，这表明爆心距在45 m 之后的混凝土试块受爆破振动的影响较小，与图2相比虽然产生了一定损伤，但与爆心距在30 m之前的混凝土试块相比可以忽略不计。

通过以上结果并结合混凝土超声波波速变化和波形，得出爆心距30～60 m 的爆破振动对混凝土影响较小，而爆心距30 m 处为混凝土抵抗爆破振动的1个拐点，其波速达到最大值，内部密实度相对其他位置更大，孔隙率更低，虽然产生了一定的损伤，但其声时有最小值，裂缝宽度也较小。

图5 A组试验的波形图Fig.5 Waveforms of group A test

4 结论

1)在隧道围岩等级为Ⅳ级围岩、上台阶施工情况下，爆心距为15 m 时爆破振动对混凝土试块的影响最大，30 m 时爆破振动对混凝土试块的影响较小，30 m 之前波速增加明显，30 m 之后波速逐渐减小。爆心距为30 m 是混凝土抵抗爆破振动的1个拐点，在此条件下，二衬结构保持与掌子面30 m能有效减少爆破振动对二衬产生的不利影响。

2)在隧道围岩等级为Ⅳ级围岩、上台阶施工情况下，爆破振动对龄期在12 h 之内的混凝土试块影响较大，12～24 h的混凝土试块抵抗爆破振动的能力迅速增加，在24 h 之后损伤的发展随着龄期的增加缓慢减小。在隧道施工过程中，应该对龄期12 h 以内的混凝土进行重点保护，以减小爆破振动对二衬结构的不利影响。同时，隧道的掘进与二衬结构的跟进时间间隔为24 h 最合理，以保证结构处于最佳受力状态。

3)对于处于同一距离、同一龄期的混凝土试块，波速随着强度增加而增加。波速越大，混凝土强度越大，其内部越密实，孔隙率越低。在隧道围岩等级为Ⅳ级围岩、上台阶施工情况下，二衬结构采用C40混凝土较合理，其受爆破振动损伤程度与C45混凝土的相差不大，但比C30和C35混凝土要小得多，所以，选取C40混凝土作为二衬结构经济性和适用性都较强。