隧道早龄期混凝土衬砌的爆破振动控制标准确定方法

技术领域

本发明属于隧道爆破振动效应控制领域，尤其涉及一种隧道早龄期混凝土衬砌的爆破振动控制标准确定方法。

背景技术

作为隧道开挖最为广泛使用的施工手段，钻孔爆破技术随着隧道建设的大规模展开也迎来了更为广阔的发展机遇。使用钻爆法进行隧道施工时，除了仅约20-30％的爆炸能量用于岩石破碎形成隧道外，剩余的爆炸能量不可避免地引发一系列爆破危害效应，如爆破振动、超压、飞石、粉尘等，尤其被认为“爆破危害之首”的爆破振动效应，更受到了普遍的关注和重视。在实际的隧道工程施工过程中，由于工作面交叉或进度要求，使得隧道掌子面爆破作业与混凝土衬砌浇筑在较短的距离内同步进行。早龄期混凝土衬砌强度低，隧道爆破作业产生的爆破振动会使水泥浆与骨料开裂，甚至形成贯通性裂缝，影响混凝土后期强度增长，损害混凝土衬砌质量。此外，多次频繁爆破作业会使围岩和衬砌结构产生累积损伤，导致围岩和衬砌结构力学性能劣化，强度降低，完整性变差，隧道围岩的稳定性将会受到影响甚至严重威胁。

为了保障隧道爆破施工过程中的早龄期混凝土衬砌结构安全，我国现行的《爆破安全规程》(6722-2014)规定了不同龄期新浇混凝土的爆破振动安全允许标准，该标准也是隧道工程爆破开挖和衬砌浇筑方案制定的重要参考依据和隧道工程爆破作业过程中早龄期混凝土衬砌结构的安全控制标准。由于该爆破振动安全允许标准是针对早龄期混凝土衬砌结构在单次爆破荷载作用下的振动效应制定，没有考虑钻爆法实际开挖隧道时的循环爆破(作用)推进过程,即没有考虑衬砌(和围岩)结构的累积损伤。另外，该标准对所有隧道工程早龄期混凝土衬砌给出了同一控制标准，既没有考虑不同隧道工程存在的差异性，同时也没有考虑同一隧道工程的围岩级别及实际状态的差异性。因此，采用该标准不能完全指导隧道工程现场施工，隧道爆破作业引发的早龄期混凝土衬砌损伤破坏甚至坍塌事故时有发生。基于此，有必要提出一种更加科学合理的隧道早龄期混凝土衬砌爆破振动控制标准确定方法，用来指导和保障隧道爆破工程的安全和高效施工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道早龄期混凝土衬砌的爆破振动控制标准确定方法，以解决上述背景技术中提出的问题之一。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

隧道早龄期混凝土衬砌的爆破振动控制标准确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定爆破振动测试方案中的初始安全爆心距

步骤2、制定和开展隧道工程的爆破振动测试方案

爆破振动测试方案在隧道工程爆破方案实施前期进行，在距开挖掌子面距离为R

在每个声波测点正上方处的早龄期混凝土衬砌位置设置一处振动测点，在每个振动测点处布设爆破振动测试仪，测试每个振动测点处的垂直方向、水平径向和水平切向三个方向爆破振动峰值速度；

开展爆破振动测试方案并重复执行n次，计算并记录第1次爆破作用前每个声波测点的纵波波速c

步骤3、处理爆破振动测试方案的测试数据

基于测试出的纵波波速数据，按照以下公式计算每次爆破作用后每个声波测点的累积损伤：

基于测试出的第1次爆破作用过程中的每个振动测点垂直方向、水平径向和水平切向爆破振动峰值速度数据，取每个振动测点三个方向中峰值速度最大值作为第1次爆破作用过程中的每个振动测点的优势爆破振动峰值速度，记为v

步骤4、预测每个测点的累积损伤最大值

基于每个声波测点的爆破作用次数和对应的累积损伤数据(i,D

D

式中，D

然后，基于拟合出的每个测点的累积损伤关于爆破作用次数的模型D

步骤5、求解临界累积损伤阈值对应的最小安全爆心距

基于所有测点的累积损伤最大值和对应的初始爆心距组成的数据，求解累积损伤最大值取临界累积损伤阈值0.19时的最小安全爆心距[R

步骤6、拟合隧道早龄期混凝土衬砌的优势爆破振动峰值速度模型；

基于第1次爆破作用过程中的所有振动测点的优势爆破振动峰值速度v

式中，R为各测点处的初始爆心距，m；Q为隧道爆破的单段最大药量，kg；k、α为与隧道工程围岩-衬砌结构状态及地形地质条件有关的峰值速度拟合系数；

步骤7、求解隧道早龄期混凝土衬砌的最大安全爆破振动峰值速度；

将步骤5求解的临界累积损伤阈值对应的最小安全爆心距和隧道爆破的单段最大药量代入步骤6拟合出的萨氏公式(4)，求解出的优势爆破振动峰值速度即为该隧道围岩段早龄期混凝土衬砌的最大安全爆破振动峰值速度。

具体的，对于包含不同级别围岩段早龄期混凝土衬砌的隧道爆破工程，可针对另外级别围岩段早龄期混凝土衬砌，重复步骤1-步骤7，就可以确定该隧道工程其他不同级别围岩段早龄期混凝土衬砌的最大安全爆破振动峰值速度。

具体的，声波测点的布置数量不少于5个，相邻声波测点间的距离为2～8m。

具体的，爆破振动测试方案中的初始安全爆心距由以下公式确定：

R

式中，D

具体的，声波测试采用单孔声波法，采用一发双收换能器在声波测点的测孔中进行测试，发射和接收在同一测孔中进行，测孔中注水作为探头换能器的耦合介质。

具体的，测孔孔深1.5～2m，测试过程中一发双收换能器置于测孔孔底，由孔底往上进行3～5次测试。

具体的，在每个声波测点正上方0.5～1m处的早龄期混凝土衬砌位置设置一处振动测点。

具体的，采用最小二乘法按照如下的萨氏公式形式拟合出该隧道围岩段早龄期混凝土衬砌的优势爆破振动峰值速度模型。当然也可以采用其他非线性回归方法。

具体的，采用三次样条插值方法求解累积损伤最大值取临界累积损伤阈值0.19时的最小安全爆心距。

具体的，n≥10。

与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有如下有益效果：

(1)本发明提出的隧道早龄期混凝土衬砌的爆破振动控制标准确定方法，既考虑了循环爆破作用下不同隧道工程早龄期混凝土衬砌结构的累积损伤效应，同时考虑了具体隧道工程不同级别围岩段早龄期混凝土衬砌结构的动态劣化过程，能够更加科学合理地指导隧道工程施工，有效控制隧道早龄期混凝土衬砌结构的爆破振动效应，保障隧道工程在反复爆破施工作业条件下的围岩-衬砌结构安全。

(2)采用所提方法，可以通过萨氏公式将隧道工程爆破方案中的单段最大药量优化到最大值，在保证安全爆心距内和反复爆破施工作业条件下隧道早龄期混凝土衬砌结构安全的前提下最大限度地提高爆破施工效率。

(3)所提方法步骤明确，实施简单，只需针对隧道不同级别围岩段的早龄期混凝土衬砌，在隧道工程爆破方案实施前期布设若干个声波测点和采集数次爆破作用下的声波测试数据，及布设若干个振动测点和采集一次爆破振动测试数据即可；无需在隧道施工期间一直进行现场跟踪测试，测试工作量少，测试成本低，具有较强的适用性和推广价值。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的测点布置示意图。

具体实施方式

一种隧道早龄期混凝土衬砌的爆破振动控制标准确定方法，包括如下步骤：

步骤1、确定爆破振动测试方案中的初始安全爆心距。

爆破振动测试方案中的初始安全爆心距由以下公式确定：

R

式中，D

步骤2、制定和开展隧道工程的爆破振动测试方案。

爆破振动测试方案在隧道工程爆破方案实施前期进行。在距开挖掌子面距离为R

其中，声波测试建议采用单孔声波法，采用一发双收换能器在声波测点的测孔中进行测试，发射和接收在同一测孔中进行，孔中注水作为探头换能器的耦合介质。建议声波测孔孔深1.5～2m，测试过程中一发双收换能器置于孔底，由孔底往上进行3～5次测试，取每个声波测孔测出的几次波速值的平均值作为每个声波测点的纵波波速。在每个声波测点正上方0.5～1m处的早龄期混凝土衬砌位置设置一处振动测点，在每个振动测点处布设一台爆破振动测试仪及其配套的垂直方向、水平径向和水平切向等三个方向速度传感器，测试每个振动测点处的三个方向爆破振动峰值速度。

开展爆破振动测试方案并重复执行n(n≥10)次，计算并记录第1次爆破作用前每个声波测点的纵波波速c

步骤3、处理爆破振动测试方案的测试数据。

基于测试出的纵波波速数据，按照以下公式计算每次爆破作用后每个声波测点的累积损伤：

基于测试出的第1次爆破作用过程中的每个振动测点垂直方向、水平径向和水平切向爆破振动峰值速度数据，取每个振动测点三个方向中峰值速度最大值作为第1次爆破作用过程中的每个振动测点的优势爆破振动峰值速度，记为v

步骤4、预测每个测点的累积损伤最大值。

首先，基于每个声波测点的爆破作用次数和对应的累积损伤数据(i,D

D

式中，D

然后，基于拟合出的每个测点的累积损伤关于爆破作用次数的模型D

步骤5、求解临界累积损伤阈值对应的最小安全爆心距。

基于所有测点的累积损伤最大值和对应的初始爆心距组成的数据，采用三次样条插值方法求解累积损伤最大值取临界累积损伤阈值0.19时的最小安全爆心距[R

步骤6、拟合隧道早龄期混凝土衬砌的优势爆破振动峰值速度模型。

基于第1次爆破作用过程中的所有振动测点的优势爆破振动峰值速度v

式中，R为各测点处的初始爆心距，m；Q为隧道爆破的单段最大药量，kg；k、α为与隧道工程围岩-衬砌结构状态及地形地质条件有关的峰值速度拟合系数。

步骤7、求解隧道早龄期混凝土衬砌的最大安全爆破振动峰值速度。

将步骤5求解的临界累积损伤阈值对应的最小安全爆心距和隧道爆破的单段最大药量代入步骤6拟合出的萨氏公式(4)，求解出的优势爆破振动峰值速度即为该隧道围岩段早龄期混凝土衬砌的最大安全爆破振动峰值速度。

对于包含不同级别围岩段早龄期混凝土衬砌的隧道爆破工程，可针对另外级别围岩段早龄期混凝土衬砌，重复步骤1-步骤7，就可以确定该隧道工程其他不同级别围岩段早龄期混凝土衬砌的最大安全爆破振动峰值速度。

实施例

以下将结合具体实施例对本申请方案作进一步说明。

参见图1和图2，一种隧道早龄期混凝土衬砌的爆破振动控制标准确定方法，包括如下步骤：

步骤1、确定爆破振动测试方案中的初始安全爆心距。

某隧道工程洞径为6.5m，正洞围岩级别包含Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级，模筑混凝土作为二次衬砌。首先，针对采用全断面开挖的Ⅲ级围岩段龄期为6天的混凝土衬砌确定爆破振动控制标准。

由公式(1)确定出爆破振动测试方案中的初始安全爆心距R

步骤2、制定和开展隧道工程的爆破振动测试方案。

爆破振动测试方案在隧道工程爆破方案实施前期进行。在距开挖掌子面距离为30m的隧道一侧围岩拱腰处的早龄期混凝土衬砌位置设置一处声波测点，以该声波测点为最小爆心距基点，沿掘进反方向共布置5个声波测点，相邻声波测点间的距离为5m，沿掘进反方向各声波测点依次编号，分别记为S1、S2、S3、S4和S5。声波测试采用单孔声波法，采用RSM-SY5声波仪和FSS-20型一发双收换能器，孔中注水作为探头的耦合介质。声波测孔孔深为1.5m，测试过程中一发双收换能器置于孔底，两个接受换能器探头的距离(测距)为20cm，发射换能器探头与上部接受换能器探头的距离为30cm，由孔底往上进行4次测试。取每个声波测孔测出的4次波速值的平均值作为每个声波测点的纵波波速。在每个声波测点正上方0.5m处的早龄期混凝土衬砌位置设置一处振动测点，沿掘进反方向共布置5个振动测点，沿掘进反方向各振动测点依次编号，分别记为Z1、Z2、Z3、Z4和Z5。在每个振动测点处布设一台TC-4850爆破振动测试仪及其配套的垂直方向、水平径向和水平切向等三个方向速度传感器，测试每个振动测点处的三个方向爆破振动峰值速度。

开展爆破振动测试方案并重复执行10次，计算并记录第1次爆破作用前每个声波测点的纵波波速c

步骤3、处理爆破振动测试方案的测试数据。

基于测试出的纵波波速数据，按照以下公式(2)计算每次爆破作用后每个声波测点的累积损伤，如表1所示。

表1为本发明具体实施例所述每个声波测点的累积损伤数据。

基于测试出的第1次爆破作用过程中的爆破振动峰值速度数据，取每个振动测点垂直方向、水平径向和水平切向中峰值速度最大的水平切向对应值作为第1次爆破作用过程中的每个振动测点的优势爆破振动峰值速度(记为v

表2为本发明具体实施例所述第1次爆破作用过程中的每个振动测点的优势爆破振动峰值速度。

步骤4、预测每个测点的累积损伤最大值。

首先，基于每个声波测点的爆破作用次数和对应的累积损伤数据(i,D

表3为本发明具体实施例所述拟合出的每个测点的累积损伤关于爆破作用次数的模型。

然后，基于拟合出的每个测点的累积损伤关于爆破作用次数的模型D

步骤5、求解临界累积损伤阈值对应的最小安全爆心距。

基于5个测点的累积损伤最大值和对应的初始爆心距组成的5组数据，采用三次样条插值方法求解累积损伤最大值取临界累积损伤阈值0.19时的最小安全爆心距[R

步骤6、拟合隧道早龄期混凝土衬砌的优势爆破振动峰值速度模型。

基于第1次爆破作用过程中的5个振动测点的优势爆破振动峰值速度(3.65cm/s、2.94cm/s、2.19cm/s、1.96cm/s、1.64cm/s)、初始爆心距(30m、35m、40m、45m、50m)和隧道爆破的单段最大药量(15.2kg)，采用最小二乘法按照萨氏公式形式拟合出该隧道围岩段早龄期混凝土衬砌的优势爆破振动峰值速度模型为：

步骤7、求解隧道早龄期混凝土衬砌的最大安全爆破振动峰值速度。

将步骤5求解的临界累积损伤阈值对应的最小安全爆心距38.87m和隧道爆破的单段最大药量15.2kg代入步骤6拟合出的萨氏公式(4)，求解出的优势爆破振动峰值速度为2.41cm/s，即该隧道Ⅲ级围岩段龄期为6天的混凝土衬砌的最大安全爆破振动峰值速度[v

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。