小凈距隧道中夾巖爆破累積損傷預(yù)測新方法

1爆破力學(xué)研究在巖石隧道的開挖過程中，隧道結(jié)構(gòu)的損傷和最終沉降是主要原因。為此,人們投入了大量的時間和精力對其進(jìn)行研究。賈善坡等分析在孔隙壓力和塑性損傷演化共同作用下巖石損傷演化機(jī)制,然而,由于累積損傷過程機(jī)制的復(fù)雜性,目前大部分的理論研究主要集中在單次爆破造成巖體的損傷領(lǐng)域。對于多次爆破造成巖體累積損傷的研究明顯不足。文獻(xiàn)通過聲波法測試研究了多次爆破造成巖體的累計損傷,李樹春等運(yùn)用損傷力學(xué)方法對以累積塑性應(yīng)變表達(dá)的損傷變量進(jìn)行了分析,陽生權(quán)對隧道圍巖爆破地震累積效應(yīng)也作了研究,林大能建立了基于爆破震動速度的累積損傷的計算公式,但上述模型在應(yīng)用過程中均要對其中某一個參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場實測。本文運(yùn)用爆破動力學(xué)理論,建立一種不僅能反映爆破力學(xué)作用過程,而且在實際工程中容易獲取和度量參數(shù)的累積損傷新計算方法。并通過對大坪山隧道在爆破作用下中夾巖累積損傷的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果比較,驗證該方法是可行的。2累積損失計算方法2.1單位厚度巖石缺陷巖石材料含有各種原生裂紋、孔洞等缺陷,即巖體存在初始損傷。在爆破震動作用下,巖石的裂紋可能被激活而擴(kuò)展,造成新的損傷。因此,巖石損傷包括原有的初始損傷和基于裂紋擴(kuò)展累積的爆破損傷之和。取單位厚度巖石進(jìn)行研究。假定在長度為2L的巖體內(nèi),存在一長度為2a的單個初始裂紋,且裂紋在巖體中的分布滿足統(tǒng)計意義特征。根據(jù)有效面積定義的損傷度,巖石的初始損傷度為式中:D0為巖石初始損傷;A0為巖石有效面積;A為巖石面積;L為巖石長度的1/2;a為裂紋長度的1/2。巖石在頻繁爆破震動作用下,損傷累積演化規(guī)律可表示為式中:Dn為第n次爆破震動作用后巖石的累積損傷度;rimax第i次爆破損傷震動作用使裂紋擴(kuò)展長度。用以下無量綱關(guān)系式估算橢圓裂紋總擴(kuò)展長度:式中:ρr為巖石密度;Cr為縱波在巖石中的傳播速度;v為爆破震動速度;σd為單軸抗拉強(qiáng)度;at為裂紋長度。2.2計算負(fù)荷的性能2.2.1動態(tài)泊松比r由文獻(xiàn)可知,對于單孔爆破,考慮巖體的初使損傷,爆破應(yīng)力波在隧道中傳播不斷衰減,其應(yīng)力峰值衰減規(guī)律可取為式中:r為炮孔半徑;R為計算點(diǎn)到炮孔中心的距離;α為載荷衰減指數(shù),為巖石的動態(tài)泊松比,一般取ud=0.8u,u為巖石的靜態(tài)泊松比;P為不耦合裝藥爆破時單孔柱狀孔壁所受初始沖擊壓力(或稱為初始徑向應(yīng)力峰值),由文獻(xiàn)可知,其值為式中:ρ0為炸藥密度(kg/m3);ir為藥卷直徑(m);DC為采用的藥卷直徑下炸藥的爆速(m/s);k為氣體與孔壁碰撞壓力增大的系數(shù),可取k=8~11。2.2.2孔壁初始沖擊壓力隧道開挖一般為微差爆破,對于微差爆破中的同段爆破,由于有多個炮孔,因此,在計算同段多孔爆破產(chǎn)生的壓力時應(yīng)考慮多炮孔同時作用的綜合效應(yīng)。將多炮孔綜合效應(yīng)簡化為單一炮孔作用時,由文獻(xiàn)可知,孔壁初始沖擊壓力P′為式中:P′為微差爆破單段多炮孔爆破時的假想孔壁初始沖擊壓力(MPa);c為影響系數(shù),取c=0.621,n為炮孔數(shù)。在微差爆破時,對于不同爆破段,由于起爆時間不同,多段爆破可視為單段爆破的疊加。同理,多段爆破對巖石造成的損傷也可視為單段爆破對巖石造成的損傷的疊加,所以式(9)中nP為微差爆破第n段多炮孔爆破時的假想孔壁初始沖擊壓力;nn為第n段炮孔數(shù);pn′段為微差爆破第n段單炮孔爆破時的假想孔壁初始沖擊壓力。2.2.3微差爆破荷載累積損傷當(dāng)測得某點(diǎn)的振動速度為v時,該點(diǎn)爆破所引起的動應(yīng)力取應(yīng)力波峰值cP為則聯(lián)立式(2)~(5)和式(10)對于單孔爆破荷載即可求出累積損傷公式。聯(lián)立式(5)、(3)、(4)、(7)和式(10)對于多孔爆破荷載可求出一次微差爆破荷載第一段起爆多孔爆破荷載的累積損傷D1-1。以D1-1為巖石的初使損傷,聯(lián)立(2)、(3)、(4)、(8)和(10)即可求出一次微差爆破荷載第2段起爆多孔爆破荷載的累積損傷D1-2。同理,以D1-(n-1)為巖石的初使損傷,聯(lián)立式(2)、(3)、(4)、(9)和式(10)即可求出微差爆破荷載第n段起爆多孔爆破荷載的累積損傷D1-n。3使用示例3.1道左線、隧道右線大坪山隧道為泉廈高速公路新建隧道。原大坪山隧道為左右洞分離式隧道,新建隧道與原隧道構(gòu)成4洞小凈距隧道群。隧道左線在原既有2隧道中間新建,距原洞中心距離25m,邊距11m,全長1088.3m;隧道右線在原既有右洞外側(cè)新建,距原洞中心距離19m,邊距5.18m,全長為1082.5m,如圖1所示。施工過程中原洞正常運(yùn)營,為確保施工中原洞的安全,必須對新建洞進(jìn)行控制爆破,且對中夾巖累積損傷的現(xiàn)場測試顯的尤為重要。3.2爆破段累積損傷的計算對泉廈高速公路大坪山新建左隧道運(yùn)用上述計算方法進(jìn)行預(yù)測。為了進(jìn)行對比,取ρr=3000kg/m3,初始損傷取0D=0.34,初始裂紋長度0l=2m,巖石動態(tài)抗拉強(qiáng)度σd=20MPa,炮孔直徑r=40mm,藥卷直徑1r=32mm,炸藥密度ρ0=800kg/m3,采用的炸藥的爆速CD=4000m/s,靜態(tài)泊松比u=1/3,氣體與孔壁碰撞壓力增大的系數(shù)k=8。由于分段爆破段數(shù)比較多,且聲波測試孔孔數(shù)也較多,所以取第1次爆破時,第1段藥量(孔數(shù)n=10)對孔1造成的累積損傷為例來進(jìn)行計算。計算步驟如下:(1)根據(jù)假設(shè)的各個參數(shù)取值和式(5),可求得不耦合裝藥爆破單孔柱狀孔壁所受初始沖擊壓力。(2)根據(jù)式(7)可求得多孔孔壁初始沖擊壓力。(3)根據(jù)式(4),可求得爆破應(yīng)力波在隧道中應(yīng)力峰值衰減規(guī)律。(4)根據(jù)式(10)可求得ρrCrV。(5)根據(jù)式(3)可求得裂紋總擴(kuò)展長度。(6)根據(jù)式(2)可得第1次爆破時,第1段藥量對測孔1造成的累積損傷。重復(fù)上述步驟,即可求得2次爆破各段藥量對各個測孔的累積損傷,每次爆破段數(shù)均是9段,數(shù)據(jù)都是第9段累積損傷達(dá)到的值,具體數(shù)值見表1。與爆源相同距離的巖石,第1次爆破后每次爆破的累積損傷增量(損傷度D的增加量),都小于第1次爆破后的損傷,說明第1次爆破對巖石的損傷最大。3.3離孔口的距離測試測試地點(diǎn)位于新建左隧道I類圍巖,為了得到和掌子面不同距離的巖層的爆破累積損傷規(guī)律和地震波沿隧道縱向的衰減規(guī)律,本次測試共設(shè)計7個聲波孔,各聲波孔沿著中夾巖縱向布置,離掌子面的距離依次增大.鉆孔深度為4.0~4.7m,孔徑都為60mm,這樣就可以得到離孔口不同距離的巖層受爆破影響的情況。在打孔過程中,鉆頭卡在第3個孔中了,孔3作廢。同時為了保證水不流出孔外,所有鉆孔均水平向下傾斜5°,且所有鉆孔均保持平行。具體測點(diǎn)布置圖見圖2。4累積損傷計算為了達(dá)到驗證的目的,對泉廈高速公路大坪山隧道新建左隧道用聲波法進(jìn)行測試,用現(xiàn)場試驗結(jié)果來驗證這種方法的準(zhǔn)確程度。計算值誤差見表2,實測值與計算值比較見圖3。從表2和圖3可以看出:(1)無論是實測值還是計算值都反映距離爆源越遠(yuǎn),爆破沖擊載荷對巖石的累積損傷效應(yīng)越小的規(guī)律;(2)通過聲波法得出的大坪山隧道中夾巖6個測孔累積損傷平均達(dá)到4.3%,測孔1最大累積損傷增量達(dá)到6.1%;(3)通過計算得6個測孔累積損傷平均值為4.1%。兩者平均誤差為12%左右。5基巖累積損傷計算(1)新