CN109239768A - 一种爆破围岩松动圈和损伤程度的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种爆破围岩松动圈和损伤程度的测试方法，需要在隧道围岩上钻设测试孔来放置速度传感器，深度超过围岩损伤范围，然后在隧道横断面上均匀布设6个测试孔，并布设速度传感器，速度传感器通过信号传输线分别连接到多通道爆破振动信号采集仪，测试填实压密后，选取上台阶爆破时得爆破能量作为激振源，根据速度传感器的峰值速度变化情况，确定松动的深度；将围岩松动圈内的爆破地震波的峰值振速与原岩的爆破地震波振速进行比值分析，称为围岩损伤指数d_损，来量化围岩的损伤程度，根据围岩的损伤程度采取相应的围岩加固措施和初期支护设计；其主体结构简单，设计构思巧妙，采用的设备系统简单易安装。

Description

一种爆破围岩松动圈和损伤程度的测试方法

技术领域：

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种爆破围岩松动圈和损伤程度的测试方法，能够准确计算出爆破围岩松动圈及损伤程度，指导隧道控制爆破施工。

背景技术：

近年来，随着高速铁路、公路和地下轨道交通工程的发展，隧道工程呈现出逐年增加的趋势。对于岩质隧道施工，采用钻爆法开挖时，隧道爆破产生的冲击波及振动经常会对隧道周边围岩造成损伤。一般以围岩松动圈的大小评价隧道围岩损伤的程度，并根据松动圈的大小进行隧道初期支护结构的设计。因此，准确测量围岩的松动圈具有重要的理论和工程实践指导意义。目前围岩松动圈的常用测试方法如下：

1)声波法。声波法是目前公认的测量围岩松动圈比较成熟的方法，大量的工程实践证明了该方法的可行性。

2)多点位移法。通常应用大量的多点位移计，得到大量的监测数据。通过分析监测数据，也可得到围岩松动圈的厚度范围。

3)地震波法。主要是根据探测围岩纵波波速的差异来判断其松动范围，根据探测方式及原理的不同可分为层析成像法和折射波法。

4)地质雷达法。地质雷达法同样是一种无损测试技术，用仪器从外表面发射高频电磁脉冲波，利用其在围岩内部界面上的反射波来探测裂缝的位置。

5)钻孔摄像方法。靖洪文(《钻孔摄像测试围岩松动圈的机理与实践》)利用全景钻孔数字摄像技术和数字图像处理分析方法研制了全景数字钻孔摄像煤矿巷道围岩松动圈测试系统，利用钻孔摄像技术测试巷道围岩松动圈。

以上测试方法中，均存在着工作量较大，周期较长，测量精度不高，仪器贵，操作较复杂，且需要隧道爆破之后再安装仪器或选用新的激振源对隧道进行量测的缺陷，同时对围岩损伤量化程度也较低，亟待提出一种爆破围岩松动圈和损伤程度的测试方法，以克服常规的方法的缺点。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种爆破围岩松动圈和损伤程度的测试方法来指导隧道控制爆破施工，能够有效的解决了隧道爆破引起围岩损伤的松动圈的测试难题，相比常规方法原理可靠，工艺简单，测试方法简便易行，对于隧道施工行业具有深远的影响。该方法利用隧道爆破产生的能量作为激振源，分别测试隧道爆破地震波在原岩和围岩中的传播速度，通过对比分析爆破地震波的传播速度，计算得出爆破围岩松动圈及损伤程度，并对损伤进行分级。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：本发明涉及的一种爆破围岩松动圈和损伤程度的测试方法，具体步骤按照如下方式进行：

S1、在隧道围岩上钻设测试孔来放置速度传感器，深度超过围岩损伤范围，钻孔到原岩中；测试孔与掌子面的垂直距离应大于5m；

S2、在隧道横断面上均匀布设6个测试孔，分别编号为A～F；

S3、在A～F测试孔内每隔1m布设1个速度传感器，速度传感器通过信号传输线分别连接到多通道爆破振动信号采集仪，用以采集围岩中的爆破振动信号；

S4、采用钻孔的岩粉依次对A～F测试孔进行填实压密，以保护和固定传感器和传输线；

S5、选取上台阶爆破时得爆破能量作为激振源，采用多通道爆破振动信号采集仪测试上台阶爆破时掌子面后方围岩内速度传感器的振速，并记录传感器速度时程曲线；

S6、分析每个测试孔内5个速度传感器的峰值速度变化情况，速度数据中衰减较大(速度陡降点)的分割点即为围岩损伤的分界点，根据距离可以确定松动的深度；隧道爆破后，围岩发生损伤，介质破碎，会引起爆破地震波的大幅衰减；反之，围岩为原岩状态，则爆破地震波衰减较小；

S7、根据每个炮孔中速度突变的点，连接A～F测试孔中突变点就能够得到围岩松动圈的损伤范围；

S8、将围岩松动圈内的爆破地震波的峰值振速与原岩的爆破地震波振速进行比值分析，称为围岩损伤指数d_损，用以量化围岩的损伤程度，根据围岩的损伤程度采取相应的围岩加固措施和初期支护设计；

其中：V_围岩：通过现场监测获得；

V_原岩：由于松动圈通常不会超过3m，因此取最外侧点的振速值作为原岩的爆破地震波振速；

隧道围岩的损伤级别评价标准如下：

1)d_损≥1：隧道围岩无损伤；

2)0.6≤d_损<1：隧道围岩轻度损伤，I级损伤；

3)0.3≤d_损<0.6：隧道围岩中度损伤，II级损伤；

4)d_损<0.3：隧道围岩重度损伤，Ⅲ级损伤。

进一步的，本发明S1中测试孔的孔径尺寸以大于速度传感器5cm为最佳，在该尺寸下既能便于速度传感器安装，同时能够便于后续对安装孔填实压密。

进一步的，考虑各级围岩的损伤范围，本发明S1中测试孔采用钻孔深度范围为4-7m，最佳深度为5米。

本发明与现有技术相比，取得的有益效果如下：本发明的监测方法简单易行，采用速度传感器，直接利用隧道爆破产生的能量作为震源，一次爆破测试多个测试孔和多个振动速度，既可以得到围岩损伤的范围，还可以量化围岩损伤的程度，从而科学指导围岩的加固措施和初期支护设计，具有重要的工程指导意义，其主体结构简单，设计构思巧妙，采用的设备系统简单易安装，

附图说明：

图1为本发明涉及隧道围岩松动圈测试孔的横断面孔位布置图。

图2为本发明涉及的测试孔内速度传感器的布置图。

图3为本实施例涉及的松动圈范围图。

图4为本实施例涉及的围岩分级图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例涉及一种隧道爆破引起的围岩损伤松动圈的测试方法，其具体操作实施步骤按照如下方式进行：

S1、在隧道围岩上钻设测试孔，钻孔深度为5m，测试孔孔径为10cm，测试孔与掌子面的垂直距离为6m；

S2、在隧道横断面上均匀布设6个测试孔，编号为A～F；

S3、在A～F测试孔内每隔1m布设1个速度传感器，每个钻孔内总计布设5个速度传感器，速度传感器通过信号传输线分别连接到多通道爆破振动信号采集仪，用以采集围岩中的爆破振动信号；

S4、采用钻孔的岩粉对测试孔进行填实压密，以保护和固定速度传感器和传输线；

S5、选取上台阶爆破时得爆破能量作为激振源，上台阶掏槽孔爆破药量为10kg，总药量80kg；采用多通道爆破振动信号采集仪测试上台阶爆破时掌子面后方A～F测试孔内围岩内速度传感器的振速，并记录每一速度传感器速的度时程曲线；峰值振速如表1所示；

测试孔号	1(cm/s)	2(cm/s)	3(cm/s)	4(cm/s)	5(cm/s)
						A	8.60	9.50	14.90	15.00	15.50
B	7.52	10.47	16.20	16.40	16.50
						C	6.75	8.70	9.52	15.40	15.60
D	8.56	9.30	14.20	14.40	14.50
						E	10.50	14.95	15.30	15.23	15.40
F	8.46	10.45	16.50	17.55	17.85

S6、分析每个测试孔内5个速度传感器的峰值速度变化情况，速度数据中衰减较大(速度陡降点)的分割点即为围岩损伤的分界点，根据距离可以确定松动的深度；隧道爆破后，围岩发生损伤，介质破碎，会引起爆破地震波的大幅衰减；反之，围岩为原岩状态，则爆破地震波衰减较小；

S7、根据每个炮孔中速度突变的点，连接A～F测试孔中突变点就可以得到围岩松动圈的损伤范围；各孔发生突变的点距离隧道洞壁距离为该点对应的松动圈厚度；A：2m，B：2m，C：3m，D：2m，E：1m，F：2m；根据突变点画出松动圈来，见图3；

S8、将围岩松动圈内的爆破地震波的峰值振速与原岩的爆破地震波振速进行比值分析，称为围岩损伤指数d_损，能够量化围岩的损伤程度，根据围岩的损伤程度采取相应的围岩加固措施和初期支护设计；

进行比值分析，判定围岩损伤级别表：

测试孔号	1(cm/s)	2(cm/s)	3(cm/s)	4(cm/s)	5(cm/s)
						A	II级	I级	无	无	无
B	II级	I级	无	无	无
						C	II级	II级	I级	无	无
D	II级	I级	无	无	无
						E	I级	无	无	无	无
F	II级	I级	无	无	无

根据围岩损伤级别表得出围岩分级图，见图4；然后根据围岩分级图来进行对应的围岩加固措施和初期支护设计。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种爆破围岩松动圈和损伤程度的测试方法，其特征在于具体步骤按照如下方式进行：

S1、在隧道围岩上钻设测试孔来放置速度传感器，深度超过围岩损伤范围，钻孔到原岩中；测试孔与掌子面的垂直距离应大于5m；

S2、在隧道横断面上均匀布设6个测试孔，分别编号为A～F；

S3、在A～F测试孔内每隔1m布设1个速度传感器，速度传感器通过信号传输线分别连接到多通道爆破振动信号采集仪，用以采集围岩中的爆破振动信号；

S4、采用钻孔的岩粉依次对A～F测试孔进行填实压密，以保护和固定传感器和传输线；

S5、选取上台阶爆破时得爆破能量作为激振源，采用多通道爆破振动信号采集仪测试上台阶爆破时掌子面后方围岩内速度传感器的振速，并记录传感器速度时程曲线；

S6、分析每个测试孔内5个速度传感器的峰值速度变化情况，速度数据中衰减较大(速度陡降点)的分割点即为围岩损伤的分界点，根据距离可以确定松动的深度；隧道爆破后，围岩发生损伤，介质破碎，会引起爆破地震波的大幅衰减；反之，围岩为原岩状态，则爆破地震波衰减较小；

S7、根据每个炮孔中速度突变的点，连接A～F测试孔中突变点就能够得到围岩松动圈的损伤范围；

S8、将围岩松动圈内的爆破地震波的峰值振速与原岩的爆破地震波振速进行比值分析，称为围岩损伤指数d_损，用以量化围岩的损伤程度，根据围岩的损伤程度采取相应的围岩加固措施和初期支护设计；

其中：V_围岩：通过现场监测获得；

V_原岩：由于松动圈通常不会超过3m，因此取最外侧点的振速值作为原岩的爆破地震波振速；

隧道围岩的损伤级别评价标准如下：

1)d_损≥1：隧道围岩无损伤；

2)0.6≤d_损<1：隧道围岩轻度损伤，I级损伤；

3)0.3≤d_损<0.6：隧道围岩中度损伤，II级损伤；

4)d_损<0.3：隧道围岩重度损伤，Ⅲ级损伤。

2.根据权利要求1所述的一种爆破围岩松动圈和损伤程度的测试方法，其特征在于S1中测试孔的孔径尺寸以大于速度传感器5cm为最佳，在该尺寸下既能便于速度传感器安装，同时能够便于后续对安装孔填实压密。

3.根据权利要求1所述的一种爆破围岩松动圈和损伤程度的测试方法，其特征在于考虑各级围岩的损伤范围，本发明S1中测试孔采用钻孔深度范围为4-7m，最佳深度为5米。