爆破施工對(duì)隧道二襯結(jié)構(gòu)影響的試驗(yàn)研究

爆破施工對(duì)隧道二襯結(jié)構(gòu)影響的試驗(yàn)研究

Summary：隨著我國(guó)公路、鐵路、軌道交通等的飛速發(fā)展，山嶺隧道的施工建設(shè)成了克服高程障礙和平面障礙的首選。由于隧道圍巖的不穩(wěn)定性，隧道的施工可能造成巖土體變形、地面沉降、塌方等災(zāi)害。為了保證隧道的安全性與完整性，IV級(jí)、V級(jí)圍巖爆破開挖時(shí)二襯結(jié)構(gòu)采用緊跟掌子面的方法。而二襯結(jié)構(gòu)緊跟掌子面會(huì)導(dǎo)致爆破施工對(duì)二襯結(jié)構(gòu)的質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，所以研究爆破振動(dòng)對(duì)隧道二襯混凝土的影響對(duì)隧道的施工建設(shè)有重要的意義。Keys：隧道；爆破振動(dòng)；混凝土強(qiáng)度；二次襯砌1研究背景和意義二襯結(jié)構(gòu)作為隧道重要的支護(hù)結(jié)構(gòu)和安全儲(chǔ)備，其完整性和安全性對(duì)隧道的開挖有著重要的意義。在當(dāng)前隧道工程建設(shè)中，設(shè)計(jì)施工藍(lán)圖中有指出二襯結(jié)構(gòu)的施工距離掌子面大于50米的或75米可以參考，但是對(duì)圍巖較差的隧道沒有明確指出二襯結(jié)構(gòu)的跟進(jìn)距離。對(duì)于圍巖較差的隧道應(yīng)當(dāng)采用二襯結(jié)構(gòu)緊跟掌子面施工來保證隧道安全，但是二襯結(jié)構(gòu)距離掌子面太近，其爆破施工會(huì)對(duì)二襯結(jié)構(gòu)的承載能力以及混凝土的壽命產(chǎn)生很大影響。所以研究爆破振動(dòng)對(duì)隧道新澆筑超短齡期二襯混凝土結(jié)構(gòu)的影響對(duì)實(shí)際工程的施工建設(shè)有重要的指導(dǎo)意義，能為隧道圍巖支護(hù)體系提供有力的理論依據(jù)。爆破振動(dòng)對(duì)隧道新澆筑的二襯混凝土結(jié)構(gòu)有一定的影響，掌握爆破振動(dòng)對(duì)新澆筑二襯混凝土結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律為優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)體系和施工方案提供依據(jù)，創(chuàng)造直接的經(jīng)濟(jì)效益。爆破振動(dòng)對(duì)混凝土的影響不僅跟混凝土齡期、爆心距、混凝土強(qiáng)度有關(guān)，還跟圍巖的等級(jí)和爆破所需要的炸藥量有關(guān)。2工程背景某隧道是拓改建工程(景區(qū)段)項(xiàng)目的控制性工程之一。隧道區(qū)工程地質(zhì)較簡(jiǎn)單，附近無區(qū)域性斷裂構(gòu)造通過，地層巖性單一，基巖主要為頁巖。洞身涌水量小，但局部會(huì)出現(xiàn)滲水，主要為松散地層孔隙水和基巖裂隙水，水質(zhì)對(duì)鋼筋混凝土有微腐蝕性。未發(fā)現(xiàn)巖溶塌陷、崩塌、滑坡等不良地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害存在，無特殊性巖土分布。隧道全長(zhǎng)2060.00m，隧道穿越V(230m)，IV(1110m)和III(720m)級(jí)圍巖段。本次試驗(yàn)在IV級(jí)圍巖條件下進(jìn)行，采用鉆爆法開挖，大量裝藥爆破釋放的能量部分直接以應(yīng)力波的形式傳播到周圍巖體中。爆破振源為上臺(tái)階爆破，孔深4m，共有110炮孔，最大單孔裝藥量為30kg，爆破施工過程中以設(shè)計(jì)制定的最小安全控制基準(zhǔn)5cm/s為標(biāo)準(zhǔn)。3混凝土的質(zhì)量影響二襯混凝土結(jié)構(gòu)作為隧道工程施工的一個(gè)重要支護(hù)結(jié)構(gòu)，混凝土施工質(zhì)量的優(yōu)良直接影響到二襯結(jié)構(gòu)乃至整個(gè)隧道工程的安全。二襯結(jié)構(gòu)是隧道工程施工在初期支護(hù)內(nèi)側(cè)施作的模筑混凝土或鋼筋混凝土襯砌，與初期支護(hù)共同組合成復(fù)合式襯砌。水泥作為混凝土的主要原料，隨著齡期的增加，水化反應(yīng)逐漸完全，在正常的養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土強(qiáng)度在3d為28d齡期的30%左右。在0-3d，水泥的水化反應(yīng)還不完全，而此時(shí)爆破振動(dòng)卻對(duì)混凝土有較大的影響，它會(huì)阻礙水化反應(yīng)的正常進(jìn)行，使其內(nèi)部產(chǎn)生裂縫。在爆破振動(dòng)的作用下二襯結(jié)構(gòu)的抗?jié)B能力下降，嚴(yán)重將會(huì)導(dǎo)致鋼筋生銹，混凝土碳化，它降低了混凝土的耐久性。隨著隧道爆破施工的掘進(jìn)，二襯結(jié)構(gòu)也都會(huì)緊跟掌子面進(jìn)行澆筑，通常在圍巖收斂還沒有完全穩(wěn)定的情況下就澆筑了二襯混凝土，而爆破開挖所產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)對(duì)周邊的圍巖有一定的作用，如果長(zhǎng)期在此環(huán)境下會(huì)使二襯混凝土承受較大的外部壓力，這樣圍巖最后沉降或者應(yīng)力的釋放可能會(huì)導(dǎo)致二襯結(jié)構(gòu)的開裂。我國(guó)相關(guān)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)把新澆筑的混凝土0-3d劃分為一個(gè)階段，而實(shí)際上0-3d正是混凝土增長(zhǎng)較快的階段。所以研究超短齡期爆破振動(dòng)對(duì)二襯混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響對(duì)優(yōu)化隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、指導(dǎo)隧道施工具有重要的理論價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。4試驗(yàn)檢測(cè)方法利用ZBL-U5200非金屬超聲檢測(cè)儀中的超聲法不密實(shí)區(qū)和空洞檢測(cè)，檢測(cè)混凝土的波速。其原理是通過脈沖波在混凝土中傳播的時(shí)間、接受波的振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化，來判斷混凝土的缺陷。本試驗(yàn)采用對(duì)測(cè)法，儀器參數(shù)調(diào)整完后，使首波前沿基線彎曲的起始點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)游標(biāo)脈沖的前沿開始進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果取相同3個(gè)混凝土試塊的平均值。利用DYE-3000壓力試驗(yàn)機(jī)和RFP-03型智能測(cè)力儀將經(jīng)過爆破振動(dòng)作用后的混凝土試塊與未經(jīng)過爆破振動(dòng)作用的混凝土試塊在標(biāo)養(yǎng)28d后進(jìn)行檢測(cè)。使用DYE-3000壓力試驗(yàn)機(jī)，首先將混凝土試塊表面擦拭干凈，檢查外觀是否有明顯缺陷，若無明顯缺陷，然后將混凝土試塊放入下壓板正中間，并按試件大小，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪和絲杠，調(diào)節(jié)上壓板至適當(dāng)位置，最后按下啟動(dòng)按鈕，調(diào)控送油閥，按正常速率穩(wěn)定進(jìn)行加荷試驗(yàn)，持續(xù)觀察直至混凝土試塊壓碎，負(fù)荷開始下降時(shí)迅速關(guān)閉回油閥。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將RFP-03型智能測(cè)力儀上的方值與速率記下，并按面板上打印鍵。智能測(cè)力儀即可打印本次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。5爆破振動(dòng)對(duì)二襯結(jié)構(gòu)的影響因素5.1爆心距的影響二襯襯砌結(jié)構(gòu)距爆破震源中心的距離為爆心距。爆心距是爆破振動(dòng)對(duì)二襯結(jié)構(gòu)的主要影響因素之一，爆破所產(chǎn)生的沖擊波能量會(huì)隨著爆心距的增大而發(fā)生衰減。由此可知，二襯結(jié)構(gòu)如果跟進(jìn)掌子面太緊，爆破施工可能會(huì)對(duì)二襯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)前，在設(shè)計(jì)施工藍(lán)圖中指出某些工況二襯的施工距離掌子面大于50米或75米可以參考，由于高地應(yīng)力大變形隧道需要二襯結(jié)構(gòu)緊跟掌子面以保證隧道安全，但沒有具體規(guī)程規(guī)定二襯結(jié)構(gòu)與掌子面的具體距離，所以研究爆心距能為控制爆破提供有力的理論依據(jù)。5.2澆筑二襯混凝土強(qiáng)度的影響二襯結(jié)構(gòu)一般根據(jù)不同的隧道斷面采用不同的移動(dòng)模筑混凝土臺(tái)車，首先將二襯臺(tái)車安裝就位，然后進(jìn)行二襯混凝土的制備，最后把混凝土拌和、運(yùn)輸至輸送泵進(jìn)行澆筑二襯結(jié)構(gòu)。制備混凝土強(qiáng)度的不同也會(huì)導(dǎo)致爆破振動(dòng)對(duì)其響應(yīng)不同，常規(guī)二襯混凝土配合材料有水泥、砂、石、水、外加劑等，不同的混凝土的配合比將制備出不同強(qiáng)度的混凝土。相關(guān)學(xué)者指出，降低單位用水量和水膠質(zhì)量比，能提高混凝土的耐久性，當(dāng)砂石粉含量在8%~12%時(shí)混凝土的物理性能、力學(xué)性能將達(dá)到最佳。因此，在研究爆破振動(dòng)對(duì)二襯的影響時(shí)，二襯混凝土強(qiáng)度這一因素應(yīng)當(dāng)考慮在內(nèi)。結(jié)論（1）在IV級(jí)圍巖臺(tái)階法施工情況下，對(duì)于隧道爆破開挖，混凝土強(qiáng)度是影響二襯質(zhì)量的主要因素，混凝土強(qiáng)度越高，受爆破振動(dòng)的影響越小。二襯與掌子面保持的相對(duì)距離與澆筑二襯的時(shí)間也對(duì)二襯質(zhì)量有一定影響，距爆破中心越遠(yuǎn)，受爆破振動(dòng)的影響越小；混凝土齡期為24h時(shí)受爆破振動(dòng)影響較小。在施工時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)此引起足夠重視。（2）科學(xué)的制定隧道二襯受爆破振動(dòng)的方案，是合理安排施工作業(yè)，有效減少爆破施工對(duì)二襯不利影響的關(guān)鍵。本文通過分析，提出在IV級(jí)圍巖臺(tái)階法施工情況下，24h齡期時(shí)距爆破中心60m處的C45強(qiáng)度混凝土受爆破影響最小。以此為基礎(chǔ)可以研究其他工況下的最優(yōu)方案。（3）在IV級(jí)圍巖臺(tái)階法施工情況下，爆心距15m處，C30，C35，C40和C45的混凝土強(qiáng)度折減比分別為21.1%，16.8%，13.2%和11.0%，遠(yuǎn)大于爆心距60m處C30，C35，C40和C45的混凝土強(qiáng)度折減比4.1%，3.1%，2.2%和2.1%。因此二襯結(jié)構(gòu)在緊跟掌子面施工時(shí)，二襯結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度混凝土尤為重要，能確保施工過程中隧道不良地段施工的有效性及整個(gè)隧道施工的安全性。（4）經(jīng)過隧道爆破振動(dòng)后的混凝土試塊比未經(jīng)過爆破振動(dòng)的混凝土試塊的強(qiáng)度都有所降低。爆心距60m處C40混凝土與C45混凝土強(qiáng)度折減比只相差0.1%。但在實(shí)際施工工程中，選取C45混凝土使工程成本增加，所以，選取C40混凝土作為