隧道爆破振动对新浇超短龄期混凝土二衬的影响
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第51卷第2期2020年2月
中南大学学报(自然科学版)
Journal of Central South University (Science and Technology)
V ol.51No.2Feb.2020
隧道爆破振动对新浇超短龄期混凝土二衬的影响
贺泳超1,陈秋南1,2,衣利伟1,黄向韬1,曾奥1,周相识3,周光裕3
(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)
摘要:为探究隧道施工爆破振动对隧道二衬新浇筑混凝土的影响,以Ⅳ级围岩台阶法施工的上台阶掌子面爆破作为震源,对不同新浇超短龄期的4个等级强度的混凝土试块分别在不同爆心距下进行爆破振动试验。
待所有试块养护28d 后,采用非金属超声检测仪分别测试超声波在受振混凝土试块和普通混凝土试块中的传播速度,通过对两者传播速度进行对比分析,判断爆破受振混凝土试块的缺陷与损伤程度。
研究结果表明:在Ⅳ级围岩上台阶施工情况下,爆心距为15m 处的混凝土试块受爆破振动的影响最大,在30m 处的混凝土试块具有最强抵抗爆破振动的能力,30m 之后爆破振动对混凝土试块的损伤较小且逐渐趋于稳定。
这可为缩短二衬至掌子面距离、确保隧道施工安全提供参考。
关键词:爆破振动;超短龄期混凝土;超声波检测;混凝土缺陷中图分类号:TU94
文献标志码:A
开放科学(资源服务)标识码(OSID)
文章编号:1672-7207(2020)02-0507-07
Influence of tunnel blasting vibration on secondary lining of
new ultra short age concrete
HE Yongchao 1,CHEN Qiunan 1,2,YI Liwei 1,HUANG Xiangtao 1,
ZENG Ao 1,ZHOU Xiangshi 3,ZHOU Guangyu 3
(1.School of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;2.Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stabilility Control and Health Monitoring,
Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;
3.Hunan Communication &Water Conservancy Group Ltd,Changsha 410022,China)
Abstract:In order to explore the influence of blasting vibration in tunnel construction on newly poured concrete of the second lining of tunnel,taking the blasting of upper bench face of stage IV surrounding rock bench construction as the source of vibration,blasting vibration tests were carried out on four kinds of concrete blocks with different strengths of different newly poured ultra-short ages at different spacings of blasting centers.After 28
DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.02.024
收稿日期:2019−04−22;修回日期:2019−06−26
基金项目(Foundation item):国家自然科学基金资助项目(41372303);湖南交通科技创新项目(201712)(Project(41372303)
supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(201712)supported by Traffic Science and Technology Innovation Program of Hunan Province)
通信作者:陈秋南,博士,教授,博士生导师,从事岩土与隧道工程研究;E-mail:
**************
第51卷
中南大学学报(自然科学版)
d of curing,non-metallic ultrasonic testing instrument was used to test th
e propagation speed o
f ultrasonic wave in vibration concrete and ordinary concrete.Through the comparative analysis of the propagation speed,the defect and damage degree of the blastin
g vibration concrete were judged.The results show that under the condition of step construction in grade IV surrounding rock,the concrete blocks wit
h a distance of15m from the blasting core
are most affected by blasting vibration,and the concrete blocks with a distance of30m have the strongest ability
to resist blasting vibration.Beyhond30m,the damage of blasting vibration to the concrete blocks is less and tends
to be stable.The conclusion provides a reference for shortening the distance between the second lining and the face of tunnel to ensure the safety of tunnel construction.
Key words:blasting vibration;ultra short age concrete;ultrasonic test;concrete defects
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28d 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12h内强度增长最快且对外界扰动最敏感,当龄期大于24h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7~28d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28d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7~28d的混凝土喷层的影响。
结合以上研究发现龄期为0~3d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48h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25m。
隧道起于ZK8+896.00m,终于ZK10+956.00m,隧道高程为489.04~528.24m,全长2060.00m。
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,3d时的混凝土强度为28d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
508
第2期贺泳超,等:隧道爆破振动对新浇超短龄期混凝土二衬的影响
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6h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30m 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30m,龄期都为6h的混凝土。
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28d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。
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30m。
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4m,共有110个炮孔,最大单孔装药量为30kg,总计用药量260kg。
根据前期现场质点安全振动速度v为5~15cm/s,所以,安全允许距离R取30m最合适。
因龄期越短,爆破对试块影响越大,所以,选取龄期6h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C3组试验。
龄期为6,12,24和48h的试块分别在爆破前6,12,24和48h制成,确保时间间隔相同。
在15~60m 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60m。
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28d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150mm的正方体(骨料颗径小于等于40mm),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48h。
图1现场试块测点
Fig.1Spot test points
表1试验方案Table1Test plans
编号A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 B5 C1 C2 C3 C4强度
C40
C40
C40
C40
C40
C40
C40
C40
C40
C30
C35
C40
C45
龄期/h
6
6
6
6
6
12
24
36
48
6
6
6
6
爆心距/m
15
30
45
60
30
30
30
30
30
30
30
30
30
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第51卷
中南大学学报(自然科学版)
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28d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28d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48h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15~30m的混凝土试块波速由2.953km/s增至3.151km/s,爆心距为30~60m的混凝土试块波速由3.151km/s降低至3.099km/s;在15m位置其波速有最小值,表明爆心距为15m的位置混凝土最容易受到爆破振动的影响;30m处的波速较15m
表3仪器参数
Table3Instrument parameters
编号
A1
A2
A3
A4
B2
B3
B4
B5
C1
C2
C4
对照1试块
对照2试块
对照3试块
对照4试块
对照5试块
声时/μs
50.8
47.6
48.0
48.4
47.2
35.6
35.2
34.8
54.8
47.6
46.4
44.8
46.4
35.5
34.8
34.4
波速/(km·s-1)
2.953
3.151
3.125
3.099
3.178
4.213
4.261
4.300
2.737
3.131
3.233
3.348
3.233
4.261
4.310
4.360
表2C30混凝土配合比
Table2Mix ratios of C30concrete kg/m3
水160.0水泥
280.0
粉煤灰
80.0
砂
832.0
碎石
1020.0
外加剂
7.5
图2标准试块波形图
Fig.2Waveforms of standard test block
510
第2期
贺泳超,等:隧道爆破振动对新浇超短龄期混凝土二衬的影响
处的波速明显增大许多,产生最大值,表明在30m 处的混凝土抵抗爆破振动的能力达到最佳效果;但在30~60m 时波速呈缓慢下降趋势,从3.151km/s 减小至3.099km/s ,表明30m 之后爆破振动对混凝土试块的影响较小且波速趋于稳定。
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6~12h 阶段,波速由3.151
km/s 增长到3.178km/s ;龄期为12~24h 阶段,波速由3.178km/s 增长到4.213km/s ;龄期为24~48h 阶段,波速由4.213km/s 增长到4.300km/s 。
这表明6~12h 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12~24h 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24~48h 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60m)的波形。
从图5可以发现:当爆心距为15m 时,幅度变化很大且有2处波形发生畸变,这表明在15m 处混凝土试块最易受到爆破振动的影响;当爆心距为30m 时,幅度变化比15m 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30m 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45m 时,幅度变化不大,且没有波形发生畸变;当爆心距为60m 时,幅度基本稳定,也没有波形发生畸变,这表明爆心距在45m 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30m 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30~60m 的爆破振动对混凝土影响较小,而爆心距30m 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
强度:l ─C30;2─C35;3─C40;4─C45。
图3试块波速与爆心距关系
Fig.3Relationship between test block velocity and
blasting center
distance
强度:l ─C30;2─C35;3─C40;4─C45。
图4
试块波速与龄期关系
Fig.4
Relationship between wave velocity and age of test
block
511
第51卷
中南大学学报(自然科学版)定的损伤,但其声时有最小值,裂缝宽度也较小。
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15m 时爆破振动对混凝土试块的影响最大,30m 时爆破振动对混凝土试块的影响较小,30m 之前波速增加明显,30m 之后波速逐渐减小。
爆心距为30m 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30m 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12h 之内的混凝土试块影响较大,12~24h 的混凝土试块抵抗爆破振动的能力迅速增加,在24h 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12h 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24h 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。
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爆心距/m:(a)15;(b)30;(c)45;(d)60
图5
A 组试验的波形图
Fig.5Waveforms of group A test
512
第2期贺泳超,等:隧道爆破振动对新浇超短龄期混凝土二衬的影响
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(编辑陈灿华)
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