一种隧道爆破中岩体损伤的检测及分析方法

技术领域

本发明属于隧道爆破技术领域，尤其涉及一种隧道爆破中岩体损伤的检测及分析方法。

背景技术

隧道开挖的施工方法主要有两种。一是掘进机进行开挖，这种施工方法被称为综合机械化施工法，如：隧道掘进机(TBM)整体掘进，这种方法有很多的优点使能够连续作业、安全、自动化程度高，但其投资大、机械设备重量大。二是钻孔爆破法(矿山施工法)，这种方法的优点是适用于各种地质结构，机动、灵活，缺点是施工机械多、组织管理复杂、各工序不连续等。

岩体是一种形成和构造极其复杂的物质，由于风化、侵蚀及地下水作用，岩体成份、结构及物理力学性质都会发生变化，各类岩体的物理力学性质各不相同。隧道的围岩在初始状态下一般都会有大量的地质缺陷，当采用钻爆法施工时，炸药在岩体中爆炸，必然会对围岩体造成损伤和破坏，从而导致岩体力学性能劣化，进而会使围岩的稳定性变差，承载能力也会随之降低。

损伤是指岩体受到外界荷载作用，岩体本身细观结构的缺陷引起的材料或结构劣化的过程。而累积损伤是相对首次破坏而言的，指的是在多次荷载作用下材料发生疲劳破坏甚至断裂。

目前，对于隧道爆破中岩体损伤的检测及分析方法主要有以下几种：

一种是基于应力波理论和数值模拟的方法，该方法通过建立爆破荷载模型和岩体动力响应模型，计算爆破过程中岩体应力波的传播规律和影响范围，并根据应力波对岩体损伤程度的影响因素进行分析。该方法可以定量地评价爆破参数对岩体损伤程度的影响，并给出最佳爆破参数。但该方法需要大量的数值计算和参数输入，并且对于复杂的地质条件和边界条件难以准确模拟。

现有技术中，对于岩体损伤的测量方法主要有以下几种：

一是基于应力波理论和数值模拟的方法，该方法通过建立爆破荷载模型和岩体动力响应模型，计算爆破过程中岩体应力波的传播规律和影响范围，并根据应力波对岩体损伤程度的影响因素进行分析。该方法可以定量地评价爆破参数对岩体损伤程度的影响，并给出最佳爆破参数。但该方法需要大量的数值计算和参数输入，并且对于复杂的地质条件和边界条件难以准确模拟。

二是基于电阻率法或电磁波法的方法，该方法通过在隧道壁面或孔内设置电极或线圈，测量岩体的电阻率或电磁波参数，从而判断岩体的损伤程度和范围。该方法可以检测较深层的岩体损伤，并且对于含水或含金属的岩体有较好的效果，但该方法受到岩体的非均匀性、非线性、非稳态等因素的影响，难以获得准确的电阻率或电磁波参数，而且对于干燥或非导电的岩体效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道爆破中岩体损伤的检测及分析方法，能够有效地评估爆破后岩体的损伤程度和分布，为爆破后岩体损伤程度提供规律支持，便于爆破施工的控制。

根据本发明的一个方面，提供了一种隧道爆破中岩体损伤的检测及分析方法，包括以下步骤：

S1岩体损伤与声波波速量纲分析：使用弹性模量的变化定义损伤变量，分析声波波速与岩体损伤的关系，确定声波波速与岩体损伤的量纲式；

S2数据监测：根据隧道挖掘方式的实际情况，选定所要检测的围岩，钻取声波孔，在爆破后，采用声波测试仪对声波孔内不同位置的声波波速进行测量；

S3数据分析：将S2中得到的数据进行分析，得到爆破后岩体损伤情况。

进一步，所述S1中，弹性模量定义损伤变量公式为：

式中：

D—损伤变量；

E

E—受损伤有效承载面积减小后的弹性模量；

根据弹性波理论，爆破前后岩体弹性模量为：

式中：

E

E—受损伤有效承载面积减小后的弹性模量；

ρ

μ

C

C—为爆破后对应C

假定爆破前后的岩体密度和泊松比近似相等，则岩体损伤与声波波速的量纲式为：

式中：

D—损伤变量；

E

E—受损伤有效承载面积减小后的弹性模量；

C

C—为爆破后对应C

进一步，所述S2中，数据监测的具体方法为：在所要检测的围岩上，钻取一定深度的声波孔，并在声波孔内设定多个间隔一定距离的测点；爆破后，将声波测试仪的探测器放入声波孔底，并依次向外拉出，在经过每个测点时，测定该测点的声波波速。

进一步，所述声波测试仪测量过程中，需要在声波孔内不断加水耦合，保持水量处于溢出声波孔状态。

进一步，所述的声波孔钻取时，需要向下倾斜一定角度钻取，使声波孔向下倾斜一定角度。

进一步，所述声波测试仪的探测器绑在辅助杆上。

进一步，所述的隧道挖掘方法为两台阶法，且将下断面分为左右两部分。

进一步，所述S3中，将S2中测量的声波波速数据进行整理，绘制声波孔内不同位置测点—声波波速图，再将声波波速代入S1得到的岩体损伤与声波波速的量纲式中，绘制声波孔内不同位置测点—岩体损伤统计图，分析得到岩体的累计损伤程度情况。

本发明的有益效果为：

1.本发明使用了物理意义明确且易于计算的损伤指标，可以反映岩体的力学性能劣化程度。弹性模量是岩体的重要力学参数之一，它反映了岩体的抵抗变形的能力，当岩体受到爆破作用时，岩体内部会产生裂纹、空隙等缺陷，导致弹性模量降低，从而表现为声波波速的减小，使用弹性模量的变化定义损伤变量，可以直观地反映岩体的损伤程度，通过岩体损伤程度与声波波速的量纲式，可以适用于不同类型和状态的岩体。

2.本发明通过设置一定深度的声波孔，并在声波孔内设置多个测点，利用声波检测仪，能够监测爆破后岩体内不同深度的声波波速，再通过损伤程度与声波波速的量纲式，能够得到岩体的损伤程度。

3.本发明通过将监测到的数据进行分析，并绘制关系图，从而得到爆破后岩体损伤程度的规律，便于控制隧道的爆破施工。

附图说明

图1是本发明声波孔布置图；

图2是本发明声波测试仪的工作原理图；

图3是本发明声波波速随距孔口距离的变化曲线图；

图4是本发明累积损伤程度随距离孔口距离的变化曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

一种隧道爆破中岩体损伤的检测及分析方法，包括以下步骤：

S1岩体损伤与声波波速量纲分析：使用弹性模量的变化定义损伤变量，分析声波波速与岩体损伤的关系，确定声波波速与岩体损伤的量纲式；

弹性模量定义损伤变量公式为：

式中：

D—损伤变量；

E

E—受损伤有效承载面积减小后的弹性模量；

根据弹性波理论，爆破前后岩体弹性模量为：

式中：

E

E—受损伤有效承载面积减小后的弹性模量；

ρ

μ

C

C—为爆破后对应C

假定爆破前后的岩体密度和泊松比近似相等，则岩体损伤与声波波速的量纲式为：

式中：

D—损伤变量；

E

E—受损伤有效承载面积减小后的弹性模量；

C

C—为爆破后对应C

S2数据监测：在所要检测的围岩上，钻取一定深度，并向下倾斜一定角度的声波孔，并在声波孔内设定多个间隔一定距离的测点；爆破后，将声波测试仪的探测器绑在辅助杆上，放入声波孔底，并依次向外拉出，在经过每个测点时，测定该测点的声波波速；测量过程中，需要在声波孔内不断加水耦合，保持水量处于溢出声波孔状态。

所述的隧道挖掘方法为两台阶法，且将下断面分为左右两部分。

S3数据分析：所述S3中，将S2中测量的声波波速数据进行整理，绘制声波孔内不同位置测点—声波波速图，再将声波波速代入S1得到的岩体损伤与声波波速的量纲式中，绘制声波孔内不同位置测点—岩体损伤程度图，分析得到岩体的累计损伤程度情况。

下面通过更具体的实施例进行说明。

实施例1

本实施例广西荣里隧道为例，该地呈现剥蚀浅丘地貌，地面高程约210～230m，地势较为平坦，预留围岩以薄层或厚层的砂岩为主，夹杂土沙和泥岩等碎石，结构较为松散。其中砂质泥岩中厚层状构造，粉砂质结构，强风化厚度约1.5m，强风化岩心的裂隙比较发达，中风化岩心比较完整，属于软岩类，分布较均匀。砂岩中厚层状构造，含有石英等碎石，同样强风化岩心碎块较多，中风化岩心呈现较为完整，基本质量等级为I级，属较软岩～较硬岩，岩石单轴抗压强度为48～110MPa。地下隧道全长约4公里，宽约16m，开挖方式为光面爆破，选用2#乳化炸药，并采用不耦合装药结构，药径0.1m，起爆方式为瞬时起爆。岩层倾向120°～150°，倾角约13°～20°。地下水文地质条件复杂，围岩存在变形，受岩体岩性和岩体上裂隙影响，含水率相对较弱，施工中易发生围岩失稳。

一种隧道爆破中岩体损伤的检测及分析方法，包括以下步骤：

S1岩体损伤与声波波速量纲分析：使用弹性模量的变化定义损伤变量，分析声波波速与岩体损伤的关系，确定声波波速与岩体损伤的量纲式；

损伤的过程实质上是材料参数的弱化，往往伴随着弹性模量、泊松比、粘聚力等物理参数的降低，弹性模量定义损伤变量公式为：

式中：

D—损伤变量；

E

E—受损伤有效承载面积减小后的弹性模量；

根据弹性波理论，爆破前后岩体弹性模量为：

式中：

E

E—受损伤有效承载面积减小后的弹性模量；

ρ

μ

C

C—为爆破后对应C

假定爆破前后的岩体密度和泊松比近似相等，则岩体损伤与声波波速的量纲式为：

式中：

D—损伤变量；

E

E—受损伤有效承载面积减小后的弹性模量；

C

C—为爆破后对应C

因此，岩体的损伤变量可以通过爆破前后岩体声波波速的变化来近似表示。

S2数据监测：广西荣里隧道的挖掘方法为两台阶法，且将下断面分为左右两部分，本实施例测量荣里隧道进口左洞的岩体损伤，在距离上台阶底部50cm高度处，钻取直径为6cm，深度5m的声波孔，由于测量过程需要加水耦合，因此声波孔钻取时，需要向下倾斜一定角度，本实施例中，声波孔向下倾斜10°，声波孔内设定22个测点，每个测点之间的间距为20cm，如图1所示，钻取完后，清理声波孔，保持孔内清洁；

声波孔设置好后，进行爆破。爆破后即进行测量，本实施例中采用的声波测试仪为一发双收单孔测试仪，该测试仪的原理如图2所示，

在检测时将收、发换能器置于同一钻孔中，声波从T时刻发射，到达R

式中：Vp—岩体声波波速；

Δt—R

t

由于声波孔的位置趋于水平，声波测试仪的探测器很难靠自身的重力到达孔底，或孔内清理不干净仪器时，探测器也无法到达孔底，此外，测量时，探测器需要从声波孔的底部逐渐拔出，如果直接拉导线可能会造成导线的损坏，因此，将声波测试仪的收、发换能器绑在辅助杆上，通过辅助杆能够将探测器顺利放入孔底，且在拉出时，能够直接将探测器带出，防止拉扯导线使仪器损坏，本实施例采用的辅助杆为长5m的PVC管，通过PVC管将收、发换能器放入声波孔底，并依次向外拉出，每次拉出20cm，在经过每个测点时，测定该测点的声波波速；测量过程中，需要在声波孔内不断加水耦合，且及时补充水，保持水量处于溢出声波孔状态。每次测量完毕后，将声波孔堵上，防止杂物进入声波孔，影响下一次的测量。

按照上述方法，对声波孔内每个测点进行声波波速测量，每爆破一次即进行一次测量，共爆破十次，得到十次数据，如表1所示。

表1现场实测波速

S3数据分析：将S2中测量的声波波速进行整理，绘制测点距孔口距离-波速折线图，如图3所示。

由图3可以看出，随着爆破次数的增加，声波速度越来越小，波速随爆破次数的变化而变化。随着爆破次数的增加，波速变化比较明显，在距离孔口1.0m到3.5m之间波速变化幅度较大。当距孔口的距离超过3.5m后波速变化趋于平缓。

由于测点是固定的，随着爆破次数的增加掌子面不断前移，这样爆源距测点的距离会逐渐增加，测点波速随着距爆源距离的增加变化幅度越来越小，理论上，当测点距爆源一定距离后，测点的波速不再发生变化。

将S2中测量的声波波速代入S1的岩体损伤与声波波速的量纲式中。通过仪器测量，本实施例中的岩体原始声波波速为6600m/s，得到各个测点的累计损伤程度，如表2所示。

表2测点的损伤程度

将表2数据绘制测点距孔口距离-损伤程度折线图，如图4所示：

从图4可以看出：

(1)距离孔口0.8m以内累积损伤程度最大，但是随着爆破次数的增加累积损伤程度变化不大。

(2)随着爆破次数的增加，各个测点的累积损伤程度越来越大，尤其是在距离孔口1.8m以外的部分。

(3)在距离孔口0.8m到2.0m之间，每次爆破后，随着距离孔口距离的减小，累积损伤程度的变化率最为明显。

综上，本方法通过采用声波波速检测爆破后岩体内不同位置的损伤程度，从而分析岩体累计损伤程度规律，对爆破后引起的围岩累计损伤提供参考，便于控制爆破施工。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。