隧道掘进爆破的损伤机理与振动危害_杨小林

1
2
2
( 1 洛阳理工学院 建筑工程系 , 河南 洛阳
471023 ; 2 河南理工大学 土木工程学院, 河南 焦作
454003)
摘
要 : 基于岩石在爆炸应力波和爆生气体作用下的损伤断裂机理, 对隧道掘进爆破对围岩的损
伤与危害作用、 爆破地震效应和安全判据标准进行了理论和实验研究 . 通过对渝怀铁路圆梁山岩 溶隧道 、青藏铁路风火山高原冻土隧道等掘进爆破中的爆破地震波的监测和分析, 确定了隧道掘 进爆破的安全判据和技术标准. 关键词 : 岩石隧道; 掘进爆破; 损伤机理; 地震效应 中图分类号 : TD23 文献标识码 : A
第 4期
杨小林等 : 隧道掘进爆破的损伤机理与振动危害
401
1 工程爆破作用分区
炸药在岩土等介质中爆炸时, 释放出的能量以不同的作用形式表现出来, 其中冲击波能量占 2 % ~ 20% , 空穴和介质 隆起能量 约占 40 % , 噪声、热 量及无用能量占 40 % ~ 60 % . 从中可 以看出, 用 于破碎和搬运介质的能量只占很少一部分 , 其余的 无用能量中很大一部分以空气冲击波、飞石和爆破 地震等工程灾害方式表现出来 . 而地下工程爆破危 害主要是爆破地震效应, 爆破地震的能量来源是炸 药在岩土介质中的爆炸作用, 在爆破的近区和中区 岩石产生了破坏 , 爆破震源范围内介质承受由剩余 变形产生的荷载 . 表 1 是前苏联根据等效折算距离 ( R = R / Q, 其中 R 为距爆 破点的距离 ; Q 为装 药量 ) 将爆破作用进行分区的结果 区:
1 , 2 1 2 2
471023 , Ch ina; 2 C ol lege of C iv il Eng in eering, H enan
Abstract : Based on the rock dam age and fracture m echanism in the e ffects of the exp losive stress w ave and the detonat io n gases, the da m age m echan ism on surrounding rock m ass, the seism ic effects and the sa fe criterion of ex plosion in tunnel b lastin g w ere ana ly zed w ith th eoretica l and experi m ental m ethod . T he safe se ism ic cr iterion and technique rules on excavation blast ing w ere proposed by m easure in g th e se ism ic w aves in the excavation blasting o f Yuan liangshan karst tunnel and Fenghuoshan frozen earth tunne. l K ey w ord s : rock tunne;l excava tio n blasting ; da m age m echanism; se ism ic effects of explosion 在隧道与地下工程的爆破开挖过程中 , 炸药在岩体内爆炸时 , 在将开挖范围内岩石爆破的同时 , 必然 要对保留岩体及周围环境造成损伤和破坏 , 这种损伤由多种效应和多个参数所控制 , 如岩体性质、节理方 向和间距、含水率、材料强度和原岩应力等; 对于 1~ 3 m 的近距离范围 , 除了这些自然限制条件外, 掘 进工作面的开挖技术决定了损伤区范围
3 3 3
3
2 爆破对围岩的损伤作用机理
2 1 岩石爆破损伤作用机理 根据以上的工程爆破作用分区, 对于地铁和隧道等工程开挖爆破危害问题 , 应该考虑地震作用区的作 用甚至非弹性介质状态区域的影响. 根据岩石损伤断裂理论和岩石爆破机理, 岩石在爆炸载荷作用下的损 伤机理分为 2 个阶段: 爆炸应力波作用下的动态损伤断裂初期效应, 该阶段在爆破近区产生宏观裂纹, =
收稿日期 : 2007- 04- 16 责任编辑 : 柴海涛 基金项目 : 河南省杰出青年科学基金资助项目 ( 0312000500 ) ; 河南省高校杰出科研人才工程资助项目 ( 2006KY CX 012) 作者简介 : 杨小林 ( 1963 ) , 男 , 湖南邵东人, 教授 , 博士 . T e: l 0379 - 65928999, E - m ai: l yangx@ l hpu edu cn
c c [ 4]
, 即 ( 1)
=
/ 4aK IC ,
为微裂纹发生扩展的临界应力; a 为微裂纹的初始半径 , 由于地下工程的地质条件复杂、围岩
402
煤
炭
学
报
2008 年第 33 卷
差别大 , 应根据岩层条件和爆炸应力波强度等确定 a 值. 对于爆破远区的弱地震振动区 , 岩体产生弹性振 动 , 根据弹性动力学理论 , 应力 计算式为 = Cv. 式中, 为岩石密度 ; C 为岩石中的纵波波速 ; v 为岩石质点振动速度, 可由现场测试得到 . 2 2 爆破对岩石的损伤作用 为了研究爆炸作用对岩石的损伤和破坏规律, 在相似模拟试件中的不同距离处预埋应变砖 , 应变砖的 配比与模型材料一致 , 尺寸为 2 c m 2c m 2c m, 沿爆破径向布置 2 个测点, 应用超动态应变测试系统对 耦合装药和不耦合装药条件下的爆炸应变波进行测试, 测试到的应变波形如图 1 所示 . 爆破前后采用超声 波检测手段 , 对爆破损伤程度进行测量. 爆炸应变参数和声波测试结果见表 2 .
Da m age m echanism and vibration effects in tunnel blasting
YANG X iao lin , HOU A i jun , L IANG W ei m in , YU Yong qiang
( 1 D epartmen t of C iv il E ng ineering, Lu oyang In sti tu te of Science and T echnology, Luoyang Poly technic U niversi ty, Jiaozu o 454003 , Ch ina )
u
在爆破中区使微裂纹激活并扩展, 此时岩石损伤断裂准则可采用纯脆性损伤断裂准则 :
, 其中
u
为岩石的断裂应力; 爆生气体作用下的损伤断裂后期效应, 该阶段是在爆炸应力波造成的损伤场基础 上产生二次损伤断裂的过程. 从岩石细观损伤力学出发 , 在爆生气体压力场作用下 , 裂纹的扩展是由于局 部塑性变形而造成的 , 可采用准脆性材料的微裂纹扩展条件 = 其中,
[ 2]
. 在钻爆法开挖条件
下 , 爆破技术和爆破参数的选择对损伤区的范围和强度影响很大 , 而控制爆破损伤和危害作用的关键是建 立岩土介质在爆炸作用下的损伤和破坏机理. 因此 , 应用岩石在爆炸作用下损伤断裂的基本理论, 将爆破 近区的破坏、中区的爆破损伤和远区的振动效应作为一个系统来分析 , 研究和应用控制爆破危害的新技术 和监测分析方法 , 制定科学合理的安全控制标准, 是解决爆破施工和爆破危害这一矛盾的关键 .
[ 3] 3
表 1 Tab le 1
分 区
爆破的振动作用分区
Zon es of vibration effects in b lasting
岩石形变特征 开放裂缝和强裂缝发展 产生放射状和平行表面 裂缝剩余的微形变 非线性弹性形变 非线性弹性形变 弹性形变 等效折算距离 /(m kg
- 1 /3
衰减 指数 3 0 2 0 2 0 2 0 1 5 1 0
表 2 应变参数和声波测试结果 u ltrason ic measure
测点距离 /mm 50 100 50 100 不耦合 系数 1 6 1 6 1 0 1 0 1 2 1 2 应变峰 值 1 813 748 4 897 1 801 2 085 1 021 波速 / ( m 爆破前 3 283 3 135 3 592 3 777 3 351 3 296 s- 1 ) 爆破后 2 987 3 001 2 775 3 386 2 782 3 115 损伤 变量 0 172 0 083 0 403 0 196 0 311 0 106
第 33 卷第 4 期 2008 年 4月
煤
炭
学
报
V o.l 33 N o . 4 A pr . 2008
JOURNAL OF CH I NA COAL SOC IETY
文章编号 : 0253- 9993( 2008) 04- 0400- 05
隧道掘进爆破的损伤机理与振动危害
杨小林
1 , 2
, 侯爱军 , 梁为民 , 余永强
( 2)
Table 2 Param eters of stra in w aves and resu lts of
Biblioteka Baidu
图 1 模拟爆破的应变波 F ig 1 Stra in w aves from laboratory b lasting
50 100
结果表明: 岩石的损伤与应力波的强度和加载条件有关 , 在爆炸应力波作用下 , 岩石损伤破坏呈现脆 性断裂特性 , 损伤随着应变值的增加而加剧; 而应变峰值不是决定岩石损伤破坏的唯一条件, 岩石的爆破 损伤还与应变波的作用时间、爆破参数等因素有关 , 如耦合装药产生的爆炸应力波要比不耦合装药时强度 高、作用时间短 , 对围岩产生的直接损伤就更严重 . 对于一个特定的地下工程 , 爆破损伤影响的岩体范围是有限的, 随着距开挖边界距离增加 , 岩体爆破 [ 5] 损伤逐渐减小. 掘进爆破试验结果 表明 : 爆破对围岩质量的影响范围超过了 25 倍的装药半径距离, 在 该范围内岩体基本质量指标减小了 10 % ~ 30 % . 因此, 围岩稳定性的评价不仅要考虑岩石本身的力学性 质、岩层压力, 还要考虑爆破对其弱化作用, 其影响程度与岩层条件、装药条件和爆破参数等密切相关 .
)
非弹性 介质状态 地震作用区 同上 , 较远处 弱地震振动区
0 1~ 0 6 0 6~ 3 0 3~ 6 6~ 10 10~ 170 > 170
. 根据该分区结果 , 从震源开始到爆破地震影响区总体可分为 3 个
( 1) 非弹性介质状态 . 在 R 6 Q范围内 , 纵波强度最大. 该区域主要是爆炸应力波的作用区 , 应力 波的强度大于岩石的破坏强度 , 岩体产生了塑性变形和破坏, 从爆破对周围环境的影响程度和范围来看, 该区域属于爆炸的直接作用范围, 其研究方法一般采用爆炸动力学的方法 . ( 2) 地震作用区. 在 6 Q R 30 Q范围内, 爆炸地震波振动的主体波由纵波转变为表面波 . 该区 域在岩体的破坏和弹性变形区之间, 爆破地震波的强度小于岩体的破坏强度, 不足以使岩体产生破坏, 但 岩体发生了非弹性形变而产生损伤或失效 , 该范围传播的波有体波和面波 , 可以采用爆炸动力学和弹性动 力学的方法进行研究 . ( 3) 弱地震振动区 . 在 R > 30 Q范围内, 爆炸地震波以表面波为主. 爆炸地震波的强度小于岩体的 弹性极限, 岩体产生弹性振动或损伤 , 对建 ( 构 ) 筑物产生振动危害, 一般采用弹性动力学的研究方法. 在以前的研究中 , 大部分的研究工作是针对弱地震振动区, 即爆破远区的振动问题 , 采用结构物对爆破地 震的响应分析方法来研究结构物的破坏情况 , 往往以介质的质点振动速度作为评价建、构筑物的破坏判 据 . 临近隧道的爆破、近地表的地铁爆破、边坡下的爆破以及坝基上的爆破开挖等工程对于围岩和临近结 构的危害, 爆破地震影响区还可能出现在地震作用区的范围以内 , 因此, 必须研究地震作用区的作用甚至 非弹性介质状态区域的影响.
[ 1]
. 在对地铁、隧道和核废料储藏所等敏感地下工程结构设计中,
必须严格控制开挖对围岩稳定性和水导通性的影响程度 . 开挖损伤由两部分组成: 技术方面决定的直接损 伤和由于如原岩应力场的改变引起的二次作用损伤 , 这 2 种作用是互相重叠和很难区分的 . 第 1种作用在 2 m 范围内的围岩占有主要地位 , 而第 2 种作用能够延伸到开挖直径几倍的范围外