富水岩溶区隧道循环爆破所致围岩累积损伤的超声检测

王方立，姜 冰，曹 敏，樊毅华，常树芳，赵 超

(1.中交路桥华南工程有限公司，中山 528403；2.中南大学 资源与安全工程学院，长沙 410083)

随着建设规模的增大，中国隧道建设逐渐向地质条件极端复杂、岩溶区占地区总面积1/3以上的西部地区发展，施工中的突泥、突水、涌水等灾害的防控和处治一直是备受重视的难题。目前，钻爆法仍然是隧道开挖最常用的方法之一，但在充水裂隙岩体附近，特别是临近水体的隧道工程爆破开挖时，不可避免地会对围岩产生损伤，导致围岩松动，增加岩体孔隙度。围岩在上部水体的水楔作用和爆破振动耦合作用下，水体更容易进入隧道开挖空间，导致隧道内发生大量涌水和突水等灾害事故。据统计，在隧道地质灾害事故中，突水和突泥事故占比最高，约为45%[1]，造成了大量人员伤亡和经济损失。因此，需要对富水岩溶区隧道爆破开挖过程中的损伤累积效应进行进一步研究。

针对岩体的爆破损伤问题，各国学者在理论分析、现场测试、模拟试验等方面开展了大量的研究。在爆炸损伤模型研究方面，YANG等[2]假设岩石爆破过程中的脆性破坏是由拉伸应变控制的，提出了一种与裂纹密度和应变率有关的爆炸损伤本构模型，解释了爆炸应力波引起的岩体损伤。在爆破作用的数值模拟方面，MA等[3]通过AUTODYN软件研究了地下爆炸引起的冲击波在岩体中的传播过程，预测了地下岩体爆破中产生的破坏面积、损伤区和地面振动。WANG等[4]运用LS-DYNA软件对爆破漏斗进行了数值模拟，研究了爆破对岩石的破坏与拉伸损伤。在岩体损伤检测方面，SAYERS等[5]通过声波测试得出应力对裂纹扩展的影响，提出通过波速值对岩体损伤程度进行监测；MEGLIS等[6]对隧道内的围岩进行了超声波测试，研究了岩体微裂纹发育情况和区域应力状态与损伤程度之间的关系；闫长斌[7]在某巷道进行了10次爆破试验，通过超声波测量研究了爆炸荷载作用下工程岩体的累积损伤效应，验证了损伤累积规律的非线性特征；KURTULU等[8]采用大理石试块研究了节理数量和方向对超声波传播的影响，发现声波速度随节理密度的增加而降低，且在节理方向不一致的试块中衰减率更大。综上所述，岩体爆破损伤理论正在不断地完善和发展，但大部分研究对象主要是常规地质环境下的围岩，对于富水岩溶地区裂隙岩体的爆破损伤问题的研究较少。

为此，针对富水岩溶区岩体爆破施工过程，采用超声检测对多次爆破作用下围岩的累积损伤演化规律进行研究，以期为穿越富水岩溶区隧道的安全开挖、支护结构稳定性分析提供参考。

1 试验原理

试验采用跨孔测试法对隧道爆破前后的围岩进行测试，设置一对平行探孔，在其中分别安置脉冲发射源和接收源，一定能量的高频弹性脉冲波从发射源出发，经过岩石介质到达接收源。水作为发射源、接收源和岩石介质之间的耦合剂，可以大幅降低脉冲波在空气中传播引起的试验误差。传播路径中若存在裂隙、孔洞和软弱层等波阻抗界面，脉冲波将会产生透射、反射等行为从而损失部分能量，延长首波到达时间并形成复杂的声场。当岩石受到爆破等外部荷载扰动时，波阻抗界面会发生大幅变化从而改变脉冲波的传播，因此，根据探孔间超声波的主要参数变化规律，可以判断岩石受到荷载扰动的损伤程度，跨孔声波检测原理如图1所示。

图1 跨孔声波检测原理示意

岩体的超声检测系统主要由发射换能器、接收换能器、声波测试仪、个人终端以及其他辅助设备组成。试验中用来检测隧道围岩声波信息的主要仪器为RS-ST06D(T)型非金属超声检测仪，其主要技术参数为：① 拥有四个独立可控自发自收通道；② 最小采样间隔为0.1 μs；③ 采样长度为500～1 000个采样点；④ 增益范围为1～8 000倍；⑤ 采用信号触发；⑥ 可进行独立可控自动采样；⑦ 可控频带宽度为5 kHz～250 kHz。岩体超声检测换能实物如图2所示。

图2 岩体超声检测换能器实物

岩石爆破损伤属于动态损伤，根据一维弹性波理论，当声波在岩石中传播时，脉冲波波速与弹性模量之间存在如下关系

E/E＇=ρc2/ρ＇c＇2

(1)

式中：E和E＇分别为受扰动前后岩石的弹性模量；c和c＇分别为受扰动前后岩石内的声波波速；ρ和ρ＇分别为扰动前后岩石密度。

当介质为硬岩时，岩石在爆破扰动过程中产生的变形较为微弱，可以认为硬岩爆破损伤属于小变形问题，因此可以假设硬岩介质在受爆破扰动前后的密度变化不大，则有

E/E＇=c2/c＇2

(2)

介质弹性模量的变化与介质内声速平方的变化成正相关，从而可以定义损伤变量D与波速之间的关系为

D=1-(c/c＇)2

(3)

当D=0时，表明岩体无损伤；当0

Df=1-(cf/c＇)2

(4)

式中：Df为损伤度临界值；cf为损伤临界值对应的声波波速。

根据标准DL/T 5389—2007 《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》，当爆破前后岩石声波波速下降率达到15%时，可以判断岩石受爆破荷载扰动而产生了破裂。此时，根据上述公式，破裂区岩石的损伤变量和声波波速满足以下关系

D≥Df=0.28

(5)

c≤cf=0.85c＇

(6)

式(5)～(6)可作为工程应用中通过声波试验来判断岩石受到荷载扰动程度的依据。

此外，声波能量在介质中呈球面波的形式不断扩散，随岩体介质的不断劣化以及传播距离的增加，声波能量密度也会逐渐降低，表现为声波幅度的衰减，因此声波最大振幅的变化也可作为判断岩体损伤情况的依据。

2 试验方案

试验现场位于贵州省玉石高速某隧道，该隧道所处山脉受大尧寨向斜构造影响，呈南北向展布。隧道洞口为碎屑岩构造剥蚀低山地貌区，隧道中部为碳酸盐岩构造溶蚀中山地貌区，剖面上沿隧道走向呈现两山夹一槽的地形。两侧山脊中间为一呈串珠状展布的由岩溶洼地组成的岩溶槽谷，隧道从西向东几乎横穿该地貌区的山脊和山谷。隧道地理位置及其灾害情况如图3所示。

图3 隧道地理位置及其灾害情况

隧址区碳酸盐岩发育，在特殊的地形和地质构造的作用下，岩溶作用强烈，地下水丰富。岩层中的节理裂隙发育，岩层完整性较差，给隧道施工带来了较大安全隐患。在隧道入口YK21+125处，施工期间出现了涌水点，其流量和水质随天气情况变化；在ZK21+220处发生有突泥灾害，伴随砂砾、卵石、黏土和小股流水，并揭露出大型溶洞。

该试验通过测试隧道掌子面爆破开挖作用下的围岩声波曲线变化，反映爆破对围岩的累积损伤作用。测区围岩以灰岩为主，围岩等级为Ⅳ级。隧道掌子面单次开挖2.5 m，单次爆破总药量为204 kg。测试孔布置在距离隧道掌子面8 m的边墙上，共钻设2个平行的声波测试孔A和B，其孔径为50 mm，孔深为2 m，孔距为1 m，孔口连线平行于下台阶顶面且垂直于掌子面，孔身向下倾斜5°。在测孔后方的边墙上布置了两个振动传感器，相距10 m，振动传感器与爆破测振仪连接以测量掌子面爆破开挖时围岩处产生的振动信息，测孔位置如图4所示，测孔和测振现场如图5所示。

图4 测孔位置示意

图5 测孔和测振现场

现场围岩爆破累积损伤的超声检测步骤如下。

(1) 初次检测前，在边墙上标记声波测试孔位置，然后打孔。

(2) 测孔成型后，进行超声检测，将该测试值作为爆破前围岩的初始值。

(3) 每次测试前，先将发射换能器和接收换能器分别插到测孔A、B的孔底，然后持续向测孔注水作为耦合剂，调整仪器参数。

(4) 检测时，将两个声波换能器平行地从孔底逐渐向孔口移动。通过计数滑轮测量移动距离，每移动0.1 m，超声检测仪会记录一个波形数据，换能器移动到孔口时停止测试，保存数据。重复该过程3次，提取相应的声速和振幅，取其平均值作为检测的最终值。

(5) 最后，保存每次掌子面爆破后测振仪采集到的振动数据，以待分析。

3 结果分析

测孔成型后，通过超声检测可得到多次爆破作用后围岩的声速和振幅信息。共测试8次，包括围岩的初始声波测试和7次掌子面爆破后的声波测试。因为孔口处的水耦合不完全，测试数据误差较大，所以0～0.4 m深度范围内的数据不作为参考，以0.4 m为起始深度进行分析。多次爆破作用下围岩声波波速变化曲线与声波幅度变化曲线如图6，7所示。

图6 多次爆破作用下围岩声速变化曲线

图7 多次爆破作用下围岩声波幅度变化曲线

根据图6，7可得到以下测区隧道围岩的爆破累积损伤规律。

(1) 在孔深0.4 ～1.2 m处，隧道围岩的声速和最大振幅均随孔深增大而增大；在孔深1.2～2 m处，声速和最大振幅变化基本稳定，并且基本不随爆破次数增加而变化，可以认为1.2 m为该隧道爆破影响的临界深度，该深度范围内为弹性振动区，围岩不受循环爆破累积损伤的影响。

(2) 第6次爆破后，爆源距测孔23.0 m，相比第5次爆破后的围岩声速-深度关系曲线，第6次爆破后的关系曲线基本不变；同样，第6次爆破往后声波最大振幅变化不大，可认为第6次和第7次爆破作用对测点处围岩的影响较小。因此，当掌子面爆破药量保持不变时，距爆源23 m以内为该隧道爆破作用的影响范围。

(3) 在围岩深度0.4～1.2 m的区域内，相同深度处的围岩声速和振幅会随着爆破累积作用而降低。虽然单次爆破损伤程度较低，不会出现破坏，但损伤弱化效应会不断累积，最终可能导致岩体剥落甚至围岩的整体性失稳。

为了进一步分析隧道围岩的损伤累积规律，根据现场测试结果，采用式(3)计算围岩损伤度并与相应的声波最大振幅进行对比，得到的不同深度处围岩累积损伤度与爆破次数的关系如图8所示，最大振幅与爆破次数的关系如图9所示。

图8 不同深度处围岩损伤度与爆破次数的关系

图9 不同深度处最大振幅与爆破次数的关系

在临界范围以内，各测点随着爆破次数增加，损伤度不断增大，声波最大振幅呈现明显的下降趋势。其中，越靠近孔口的测点，损伤累积速率越快，损伤度增长幅值更大，岩石最终损伤程度也更大。根据标准DL/T 5389—2007，当岩体声速降低率超过10%，即损伤度超过0.19时，可以判断为岩体出现损伤破坏。而该试验中最大损伤度为0.132，出现在孔深0.4 m处，可以认为该测试区域没有出现整体性破坏，但损伤程度接近阈值，说明在多次爆破作用下，岩体完整性降低。若在富水岩溶环境中，隧道容易因爆破累积损伤而引发突涌水及围岩失稳事故。

现场测试中通过测振仪监测隧道围岩的振动速度，根据监测结果进一步分析掌子面爆破开挖对边墙的扰动作用，隧道左洞围岩质点峰值振速随爆破次数的变化曲线如图10所示。

图10 隧道左洞围岩质点峰值振速随爆破次数的变化曲线

测得的围岩质点最大振动速度为9.981 m/s。随着隧道不断向前开挖，爆源与测点之间的距离以单次进尺2.5 m循环增加。在单次爆破药量不变的情况下，随爆源距离的增加，爆破作用对岩体的影响会逐渐减弱。与声波速度和声波最大振幅的变化相同，在第5次爆破后，测点处振动速度变化不大，说明在该距离下掌子面爆破作用对围岩产生的影响已经比较微弱。

4 结论

阐述了隧道爆破开挖时围岩产生损伤的机理，依托贵州某富水岩溶公路隧道，开展了多次爆破作用下的围岩累积损伤测试，对超声检测结果和振动监测结果进行分析，得到如下结论。

(1) 跨孔声波检测法能有效地检测出围岩的劣化程度，根据声速和声波最大振幅的对比分析，可以发现隧道围岩在不同孔深处受爆破的影响程度不同，孔深越浅所受影响程度越大，1.2 m为该隧道爆破影响的深度临界值，距爆源23 m内为该隧道爆破作用的影响范围。

(2) 随着爆破次数增加，隧道围岩产生了明显的累积损伤，越靠近孔口的测点，损伤累积速率越快，岩石最终损伤程度也越大。多次爆破作用下围岩的损伤弱化效应会不断累积，最终有出现围岩整体性失稳的可能性。

(3) 围岩质点峰值振速与爆源距离呈现正相关关系，测点离爆源越远，爆破所产生的振动速度越小，可以通过振速来评判单次爆破作用下围岩受掌子面爆破开挖的影响程度。