隧洞二衬结构施工爆破振动影响的实验分析探究

（吉安市公路局安福分局,江西 安福 343200）

0 引言

在隧洞工程建设中二衬砼结构发挥着重要的支护作用，其施工质量是该结构以致隧洞整体系统安全实现的关键。砼的抗拉强度相对比较低，拉伸极限值亦比较小，属于一种脆性材料，在施工爆破状态下，二衬结构极易遭受损坏。砼的强度在早期通常都比较低，因此，新筑浇的二衬砼受爆破振动的破坏通常很大，尤其在0～3 d龄期。国内近年就砼结构受爆破振动的破坏程度开展了相当数量的探究，但对不同强度的受振砼在不同爆心距、不同龄期的综合状态下的安全问题探究却相对较少。对于二衬结构存在影响的问题，在隧洞施工爆破中，通常较为复杂，在不同情况下爆破振动形成的影响亦有所不同。故很有必要依据二衬砼结构特征，多方面综合考虑各要素对砼结构的影响。本研究对不同强度的4个自制砼试件在不同4个爆心距与不同4个龄期状态下开展爆破振动实验，经过正交实验得出二衬砼结构的实验成果，以利于指导隧洞支护结构优化和组织安全高效的隧洞施工。

1 案例工程介绍

案例2号隧洞是位处我省南部地区，区域地层岩性单一，地质相对简单，无断裂构造贯通，基岩主要是页岩。洞身涌水量不大，但在局部存在基岩裂缝水及松散地层孔隙水渗水，水质对砼、钢筋蚀损性相对不高。没有特殊性岩土，不存在滑坡、崩塌、塌陷等不良地质灾害。隧洞全长2 060.00 m，穿越Ⅲ（720 m）、Ⅳ（1110 m）及Ⅴ（230 m）级围岩段。本次实验在Ⅳ级围岩状态下开展，选用钻爆法破土作业，爆破所释放的能量以波的形式直接传导至周围岩体。上台阶爆破是主要爆振源，共存在110炮孔，孔深4 m，单孔最大装药量是30 kg，爆破施工最小安全控制设计标准为5 cm/s。选用钻爆法，爆破能量释放大部分被以应力波直接的传导释放至周围岩体中。

2 试件及实验方案

2.1 试件制备

参照常规砼试件制备标准，试件呈立方体，集料颗径≤40 mm，规格150×150×150（mm），各组制备3个。参考案例施工所选择的砼配比，试件目标强度C45、C40、C35及C30。为研究隧洞爆破中砼结构所受振动载荷的影响，本次实验测量先用ZBL-U5 200非金属超声测量仪测量出所有砼试件的波速，然后选择应用DYE- 3 000压力实验机及RFP- 0 3型智能应力测量仪，对养护28 d后不同强度、不同龄期砼的最大抗压强度与载荷分别开展测量，并与未通过爆破振动的砼开展比对分析[1]。

2.2 正交实验设计

表1 正交表格

选取典型实验点开展实验，依据现场情况，本实验共开展了16组实验。本实验设计了3种影响要素分别是：爆心距、砼龄期及砼强度；设计4种砼强度分别为：C45、C40、C35及C30强度，48 h、36 h、24 h及12 h龄期下的砼，60 m、45 m、30 m及15 m的爆心距[2]。将相应的强度与要素条件输入所选的正交表格，即构成了实验方案，见表1具体所示。

2.3 实验过程与测量

首先本次实验为保证实验变量单一，要在同一次爆破中开展。故需于爆破前48 h制成龄期是48 h的试件，爆破前36 h制成龄期是36 h的试件，其它龄期以此类推，间隔时间要保证等同。然后将制作好的砼试件依据实验需求，由近及远置放在距爆破中心15 m、30 m、45 m及60 m 4个测点上。各个测点配置实验方案中等同的3个砼试件。最后将所有通过爆破振动的砼试件养护28 d以后开展超声波测量与砼强度测量[3]。经过正交实验得出重点影响要素与最佳组合，基于正交实验的实验成果把受振砼试件与未通过爆破振动的C45、C40、C35及C30砼试件开展比对，分析对二衬功效的影响和重点要素的变化规律。

采用ZBL-U5 200非金属超声测量仪中的超声波检测砼空洞及不密实区，以及测量砼的波速。原理系经过脉冲波频率、接受波的振幅及在砼中传播时间等声学参数变化，进行分析砼的欠缺。本实验选用对测法，先调整仪器，把首波前沿基线的弯曲初始点，正对游标脉冲前沿，然后开展测量，测量成果取等同3个砼试件的均值。

利用DYE- 3 000压力实验机及RFP- 0 3型智能应力测量仪将未通过爆破振动的砼试件与通过爆破振动后的砼试件在标养28 d后开展测量。利用DYE- 3 000压力实验机，先清理干净砼试件的表面，查看外观是否存在显然欠缺，如无显然欠缺，便在下压板正中间放置砼试件，并按试件规格，转动丝杠及手轮至上压板于合适部位，最后启动调控送油阀，控制好油速，稳定开展加载实验，持续观察直到砼试件压碎，载荷开始降低时立刻关闭回油阀。实验结束时，记下RFP- 0 3型智能应力测量仪上的速度与方值，并用智能应力测量仪打印出本次的实验数据。

3 正交实验成果及砼结构强度变化规律分析

3.1 正交实验成果分析

分析砼强度对实验指标的影响，通过表1能够发现、C30砼的影响反应在1#～4#号实验中、C35砼的影响正反在5#～8#号实验中、C40砼的影响反应在9#～12#号实验中、C45砼的影响反应在13#～16#号实验中。依据正交表获得砼强度的实验指标影响。

第1强度：

第2强度：

第3强度：

第4强度：

从4个强度指标能够发现，砼强度的强度变动对实验成果有影响，并且 KAC30＜KAC35＜KAC40＜KAC45，故确定C45为砼强度要素的较优化强度。同理，能够计算出24 h砼龄期，60 m爆心距分别是爆心距与砼龄期的较优化强度。为了便于发现不同要素对实验指标的影响，绘制趋势图时，用影响要素爆心距、砼龄期及砼强度分别系为横坐标，实验指标均值波速系纵坐标[4]。如图1具体所示。

图1 波速-要素指标关系

依据正交实验定义的表1的数据及各要素指标趋势，可计算实验成果的极差，成果如表2具体所示。

表2 实验成果极差分析

由此可知，本实验要素的主次顺序为：砼强度＞爆心距＞砼龄期。即砼强度对实验的影响作用最，爆心距其次，而砼龄期相对于爆心距及砼强度对实验影响比较小。从正交实验能够得到爆破振动对距爆破中心60 m位置24 h龄期时的C45强度砼的影响最小。

3.2 砼结构强度变化规律分析

依据正交实验的试验成果，得出爆破振动对砼二衬结构影响的重点影响要素为砼强度。选用压力实验机测得受振砼试件在不同爆心距、不同龄期的极限载荷与抗压强度并与未通过爆破振动的砼开展比对分析。

依据砼结构设计规范，可按以下公式计算砼试件的抗压强度：

公式中：P是砼立方体试件抗压强度系MPa；F是砼试件承受的极限载荷系N；A为试件的承压面积系mm2。本实验制作了标准立方体试件，其边长是150 mm，应用压力实验机能测量出各砼试件的极限载荷，经过计算得到抗压强度，见表3具体所示。表中选用爆心距分别在60 m及15 m，龄期是24 h的砼试件。还设计了未通过爆破振动的C45、C40、C35及C30砼试件作为对比参照组。

表3 抗压强度

由表3数据可知，制作的所有砼试件与目标强度砼相比均要比目标强度低。等同目标强度状态下距爆破中心60 m及15 m的受振砼试件与未通过爆破振动的砼试件相比，受振砼试件都比未通过爆破振动的砼试件的强度低。定义砼强度折减比β：

公式中：σ2系为爆破受振后的砼试件的强度，MPa；σ1系为未通过爆破振动的砼试件的强度，MPa；β系为砼强度折减比。由计算可知在等同龄期，爆心距15 m的状态下，C45、C40、C35 及 C30 的砼强度折减比β4、β3、β2及β1分别为0.1097、0.1316、0.1676及0.2114；在等同龄期，爆心距60 m的状态下C45、C40、C35及C30的砼强度折减比β8、β7、β6及β5分 别 为 0.0209、0.0219、0.0312 及 0.0409。由强度折减比得出，伴随砼强度的加强受爆破振动影响将逐步降低，但是爆心距60 m位置C40砼比C45砼只高了0.1%的强度折减比。等同目标强度下15 m位置的砼试件受振影响程度远高出60 m位置的砼试件受振影响程度。

4 结论

（1）于Ⅳ级围岩台阶法工作状态下，对于隧洞爆破开挖，影响二衬质量的重点要素为砼强度，爆破振动的影响程度随砼强度的增高而减小。掌子面与二衬之间的距离与筑浇二衬的时间亦影响二衬质量。爆破振动的影响程度随距爆破中心越远将越小；爆破振动在砼龄期是24 h时影响比较小。对此在施工时应该引发足够重视。

（2）隧洞二衬施工中，科学制作受爆破振动计划，施工操作合理安排，此是有效降低二衬施工受爆破振动出现不利影响的关键。本研究经过研究，总结于Ⅳ级围岩台阶法工作状态下，距爆破中心60 m位置的24 h龄期时C45强度砼受爆破影响最小。故能够以此为基础探究其它工况下的最佳方案。

（3）于Ⅳ级围岩台阶法工作状态下，爆心距15 m位置的C45、C40、C35及C30的砼强度折减比系为11.0%、13.2%、16.8%及21.1%，远高出爆心距60 m位置的C45、C40、C35及C30的砼强度折减比2.1%、2.2%、3.1%及4.1%。故施工二衬结构在与掌子面距离很近时，二衬结构选用高强度砼十分重要，将确保对隧洞不良地段的施工具备有效性，同时亦增加整体隧洞作业的安全性。

（4）通过隧洞爆破振动后的砼试件比未通过爆破振动的砼试件的强度都有所减少。爆心距60 m位置的C40砼与C45砼强度折减比只低了0.1%。但是选取C45砼实际工程的成本将加增，因此，作为二衬结构选取C40砼经济性较强。