钻孔爆破是矿山开采、隧道(巷道)开挖、地下硐室建设等工程岩体开挖中常用和高效的施工手段。爆破施工完成工程岩体开挖的同时，不可避免地对周围岩体产生不利影响。循环爆破掘进对围岩的振动效应，导致围岩内壁应力快速释放，不可避免地对围岩产生损伤，并使其表层岩体力学参数大幅下降，形成所谓的爆破松动区，严重时可能引起保留岩体的局部开裂甚至失稳。同时，爆破松动区的形成还可能加剧岩体的后续卸荷松弛效应，给工程的安全施工和正常运行留下了隐患。

为此，对爆破作业产生的围岩损伤问题，有了卓有成效的研究。D.E.Grady等^[1]提出，在爆破荷载作用下，原岩中的裂纹扩展且服从指数分布规律，引入损伤变量D表示裂纹开裂引起的岩石强度降低。L.M.Taylor等^[2]提出了损伤变量D、裂纹密度和有效体积模量及有效泊松比之间的关系，扩大了损伤模型的适用性。T.J.Ahrens等^[3]将材料的裂纹发育和纵波波速变化联系起来，以纵波波速变化评价岩石材料微裂纹的发育程度，这是一种简单而有效的方法。I.L.Meglis等^[4]基于超声波速度和振幅对裂纹的敏感性，应用超声层析成像法，研究了加拿大原子能地下实验室隧道开挖诱发的围岩损伤问题。马建军^[5]在现场监测了回采爆破过程中围岩声波速度变化情况，分析了岩体损伤演化规律。Yan Changbin^[6]基于声波测试原理，对厂坝铅锌矿某巷道围岩在爆破作用下产生的累积损伤效应进行了现场实验研究。夏祥等^[7]通过多次爆破前后声波波速的变化率，开展了三峡临时船闸和核电基础开挖岩体的损伤特性研究。张国华等^[8]结合大帽山大断面隧道群的现场声波监测，研究了推进式往复爆破作业的双侧壁导坑法施工的大断面隧道的围岩累积损伤范围。杨国梁等^[9]利用超声波测试技术，对巷道侧壁爆破损伤进行了研究，揭示了爆破振动下岩体的损伤累积规律。目前，声波检测方法仍然是研究岩体爆破损伤问题最常用、高效的测试技术^[10-15]。

然而，上述相关研究大多在单孔装药的一次爆破或在单孔装药多次重复爆破等较理想的情况下进行的，与岩体工程实际的爆破作业方式并不相符，而实际的矿山开采、隧道(巷道)开挖、地下硐室建设等岩体工程开挖均采用推进式、往复式的循环多段延时爆破作业。因此，针对推进式循环爆破作业导致的围岩振动效应与损伤演化特性，很有必要进行深入而系统的研究。为此，本文中，以某铜矿运输巷道某施工标段爆破开挖为模拟对象，设计并制作相似材料模型，用于模拟运输巷道钻爆法施工开挖过程，分析推进式循环爆破开挖对隧道围岩振动效应及损伤作用机理。

1.   相似材料模型实验

1.1   模型缩尺比例和相似材料模型

根据该铜矿运输巷道开挖断面的实际尺寸，以及室内实验场地的空间大小，最终确定实验模型缩尺比例为1:15。这符合相似理论规定的实验模型缩尺比例的合理范围(1:20~1:4)^[16]。因此，根据实验模型的缩尺比例确定模型尺寸为3 000 mm×3 000 mm×2 500 mm。

武山铜矿运输巷道施工标段围岩主要为灰岩岩层，以灰岩岩体为围岩模拟对象。通过现场岩芯取样，经岩石力学实验获得灰岩岩石平均单轴抗压强度σ_c=103.6 MPa、平均弹性模量E=48.5 GPa，通过对现场开挖段和掌子面的地质调查，参照Hoek-Brown经验强度准则，估算灰岩围岩岩体抗压强度σ_m=30.5 MPa、变形模量E_m=27.8 GPa。模型相似材料选天然石英砂、粒径2~4 cm的碎石或卵石为骨料，参照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》，用强度32.5 MPa的硅酸盐水泥，配出强度为31.1 MPa、弹性模量为29.3 GPa的相似材料用来模拟灰岩围岩。图 1为实验室进行相似材料配比试件的强度实验。

图  1  相似材料配比试件强度实验

Figure  1.  Strength experiment of samples with similar material ratios

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1.2   爆破作业

根据相似理论^[16]，相似材料模型爆破实验应与隧道开挖推进式循环爆破作业方式一致。模型实验每个循环爆破作业均采用掏槽眼、崩落眼和周边眼等3次爆破形式，1次循环爆破开挖进尺约300 mm，进行4个循环的爆破开挖，共计12次爆破作业，本次实验隧道推进式循环爆破开挖总长约1 200 mm。

由本次实验模型的缩尺比例确定的模拟隧道开挖截面尺寸，隧道爆破开挖断面的炮孔布置如下：最里圈为掏槽眼、中间圈为崩落眼、最外圈为周边眼，采用先掏槽、再崩落、后周边的分次爆破顺序，以及延时起爆方式，如图 2所示。经过4个循环爆破开挖，共计12次爆破作业后，模型实验隧道爆破开挖的实物照片，如图 3所示。

图  2  隧道截面尺寸与炮孔布置图

Figure  2.  Tunnel section size and blasting hole layout

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图  3  模型实验的隧道爆破开挖

Figure  3.  Tunnel blasting excavation for model experiment

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采用乳化炸药，为了提高和改善爆破效果，装药方式为耦合装药，装药时将炸药捣入孔底，捣压密实并使之紧贴孔壁，采用黏土制作炮泥堵塞炮孔，堵塞长度约150~200 mm。模型实验的掏槽眼、崩落眼和周边眼爆破均采用延时爆破起爆，根据相似理论和隧道开挖截面尺寸，可确定循环爆破作业所需的毫秒延时雷管段位数，具体爆破参数见表 1。

表  1  模型隧道循环爆破作业的爆破参数

Table  1.  Blasting parameters for circulation blasting in tunnel model

炮眼	开挖进尺 /mm	起爆段位	段药量/g	总药量 /g	装药 方式
掏槽眼	300	1, 3, 5, 7	50, 50, 55, 55	210	耦合
崩落眼	300	1, 3, 5, 7, 9, 11, 13	50, 50, 50, 50, 55, 55, 60	370	耦合
周边眼	300	1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 20	55, 55, 60, 60, 55, 55, 60, 60, 55, 55, 60	630	耦合

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1.3   实验测试

围岩损伤检测采用武汉中岩科技有限公司的RSM-SY5型智能声波检测仪，它具有操作简单、携带方便、性能可靠以及功能强大等特点。为了全面检测隧道推进式循环爆破开挖导致的围岩损伤程度，由隧道推进式循环爆破开挖的总长1 200 mm，在隧道围岩的上方、左侧分别布置了3个平行等距的检测剖面，平行隧道开挖走向钻取了11个孔径为50 mm、孔深为1 200 mm的测试孔，如图 4所示。

图  4  模型实验的测点布置图

Figure  4.  Layout of measuring points of model experiment

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采用一发一收跨孔测试方式，检测时在测试孔注满盐水作为耦合剂，且发射和接收探头始终保持在同一个水平面，爆破前后均需对6个检测剖面进行声波测试。因隧道循环爆破开挖的总长为1 200 mm，除去换能器探头端部，实际每个剖面的测试深度均为1 150 mm，测试步距为50 mm，一个剖面共需测试23次，模型实验声波测试的实物照片，如图 5所示。

图  5  模型实验的声波测试

Figure  5.  Acoustic measurement of model experiment

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爆破振动测试采用Blastmate Ⅲ爆破振动监测仪，它具有检测频带宽、量程大和精度高等特点，速度传感器为三向地震检波器。测试时，拾振器布置在每个声波检测剖面的中央，共计布置了6台，如图 4所示。为了提高爆破振动监测的效果，特地使用膨胀螺栓将速度传感器牢牢地固定在模型上，实验现场爆破振动测试的实物照片，如图 6所示。

图  6  模型实验的振动测试

Figure  6.  Vibration measurement of model experiment

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2.   结果与分析

2.1   围岩振动效应

由文献[17]，炸药爆炸引起介质内部的质点振动有垂直、径向和切向3个速度分量，在高差不大和近距离范围的情况下，一般是垂直速度分量对爆破振动起控制作用。因此，本文中选择垂直质点振动速度作为监测量。

模型实验隧道爆破开挖采用了掏槽眼、崩落眼和周边眼等3种爆破作业，每次作业均进行了爆破振动监测，3种爆破作业产生的典型爆破振动速度，如图 7所示。

图  7  爆破振动曲线

Figure  7.  Blasting vibration curves

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从图 7可以看出，掏槽眼、崩落眼和周边眼等爆破监测的振动速度曲线，分别存在4、7和11个峰值。可见，延时分段爆破效果十分明显，并与表 1中所列的起爆雷管段位分布情况完全对应。

隧道推进式循环爆破开挖的掏槽眼、崩落眼和周边眼等3种爆破作业监测的相关数据，见表 2。由表 2可知：在相同的地质环境下，当爆心距相同时，起爆段数越多，爆破地震波的主频越高；在同一炮次爆破下，爆心距越大，爆破地震波的主频越低；峰值质点振动速度PPV取决于最大段药量和爆心距，符合萨道夫斯基公式。萨道夫斯基公式为：

表  2  爆破振动监测的相关数据

Table  2.  Related data of blasting vibration monitoring

测点	爆心距/m	爆破类型	段数n	主频/Hz	PPV/ (cm·s-1)
		掏槽爆破	4	137~162	6.14~7.62
1, 4	0.6	崩落爆破	7	153~192	6.07~7.51
		周边爆破	11	201~258	6.02~7.78
		掏槽爆破	4	105~141	4.03~5.21
2, 5	0.9	崩落爆破	7	117~149	4.38~5.62
		周边爆破	11	161~201	4.17~5.55
		掏槽爆破	4	41~85	1.82~3.29
3, 6	1.2	崩落爆破	7	68~111	2.08~3.62
		周边爆破	11	85~143	2.22~3.56

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式中：v为峰值质点振动速度(cm/s)，K为介质系数，Q为最大段药量(kg)，R为爆心距(m)，α为衰减系数。

由文献[12]，由于隧道循环爆破开挖采用分段起爆方式，因此起爆点与测点之间的距离需采用等效距离代替。等效距离和最大段等效药量为：

式中：R′为等效距离(m)，Q′为最大段等效药量(kg)，q_i为第i个炮眼的药量(kg)，r_i为第i个炮眼离测点的距离(m)。

根据爆破振动的监测数据，先由式(2)分别计算各个测点在每次爆破时的等效距离和最大段等效药量，再以式(1)采用最小二乘法，对监测数据按起爆段数不同分别进行线性回归分析，确定介质系数K、衰减系数α和线性回归分析的相关系数γ，见表 3。以4个起爆段数的爆破监测数据为例，其线性回归分析如图 8所示。

图  8  监测数据的线性回归分析图

Figure  8.  Linear regression analysis of monitoring data

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表  3  爆破振动监测数据线性回归分析的参数

Table  3.  Parameters of linear regression analysis of blasting vibration monitoring data

段数n	介质系数K	衰减系数α	相关系数γ
4	108.42	1.253 9	0.943 5
7	109.25	1.367 3	0.954 1
11	106.63	1.614 5	0.936 9
4, 7, 11	107.86	1.384 1	0.852 3

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由表 3可知，起爆段数对萨道夫斯基公式的介质系数K影响很小，而对萨道夫斯基公式的衰减系数α影响较大。其主要原因是：在相同的地质环境下，起爆段数越多，产生的爆破地震波的主频较高，而高频信号在岩土传播中衰减较快；另外，针对起爆段数相同的爆破监测数据，进行爆破振动效应分析，其相关性更好。由此可见，起爆段数对爆破振动效应的影响不容忽视。

2.2   围岩累积损伤演化特性

由文献[12-15]，可采用岩体声速在爆破前、后的变化率η来判定爆破荷载作用下岩体的破坏程度：

式中：c′为岩体爆破后的声速，c为岩体爆破前的声速。

由弹性波理论，可将岩体损伤变量D表示为：

根据DL/T 5389-2007《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》，当爆破前、后岩体声速降低率η>10%时，即判定岩体发生损伤破坏。因此，取η_cr=10%代入式(4)，可计算获得对应的损伤变量阈值D_cr=0.19。

循环爆破开挖前各测试剖面的声波速度，如图 9所示。各测试剖面的声速离散地分布在4.37~4.64 km/s之间，且没有随着测试孔深度增加而递增，这充分说明了实验模型浇筑较均匀密实。各剖面声波速度的差异值(即离散性)反映了实验模型结构强度的各向异性特征。

图  9  循环爆破开挖前各测试剖面的声速分布

Figure  9.  Acoustic velocity of each experiment section before cyclic blasting excavation

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经过4个循环爆破开挖(共12次爆破)后，各测试剖面声速降低率，如图 10所示。同一测试剖面不同深度的测点，随着循环爆破开挖向下推进，其声速降低率基本呈递减趋势；不同测试剖面同一深度的测点，距离爆区越近，其声速降低率越大。在推进式循环爆破加载下，以岩体声速降低率10%作为围岩爆破损伤阈值，以距离爆区相同的3组剖面(即AB与AC剖面、DE与FG剖面、HI与JK剖面)加以分析可知：AB剖面损伤深度为0.85 m，AC剖面为0.75 m，DE剖面为0.15 m、而FG、HI与JK剖面则没有损伤。由此可见，隧道循环爆破开挖下，围岩的爆破损伤范围在深度和广度方面，均具有典型的各向异性特征。

图  10  4个循环爆破开挖后各测试剖面的声速降低率

Figure  10.  Decrease rate of acoustic velocity of each experiment section after four cyclic blasting excavations

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AB测试剖面0.15 m测点的声速降低率与爆破次数的相关性，如图 11所示。在爆炸参量(即最大段药量、起爆段位和炸药埋深)大致相同情况下，同一循环的3次爆破(即掏槽眼爆破、崩落眼爆破和周边眼爆破)对同一测点的声速降低率的影响大致相同，累积声速降低率基本上呈线性增长趋势。第1循环爆破开挖时0.15 m测点的声速降低率最大，随着循环爆破开挖向下延伸，围岩声速降低率越来越小，第4循环开挖爆破对0.15 m测点的声速降低率几乎没有影响。因此，在爆炸参量基本相同的情况下，不同循环爆破开挖对同一剖面测点的累积声速降低率呈非线性增长趋势。

图  11  AB剖面0.15 m测点声速降低率与爆破次数的相关性

Figure  11.  Correlation of decrease rate of acoustic velocity of 0.15 m measuring point on section AB and times of blasting

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对AB、DE剖面0.15 m测点爆破累积损伤量进行非线性拟合分析，如图 12所示。可建立相应测点的爆破累积损伤扩展模型：

图  12  循环爆破开挖下不同测点的累积损伤扩展曲线

Figure  12.  Growth curves of the cumulative damage for different measuring points under cyclic blasting excavation

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式中：n为爆破次数，D₁、D₂为测点爆破累积损伤量的拟合值，R₁、R₂为非线性拟合的相关系数。

由图 12和式(5)~(6)可知，根据实验结果建立的爆破累积损伤扩展模型，非线性拟合的相关系数接近于1，能充分反映爆破累积损伤量D与爆破次数n之间的非线性演化特性。在相同的循环爆破作用下，不同的测点具有各自的爆破累积损伤演化规律，距离爆源越近爆破损伤扩展越快。因此，循环爆破开挖下的围岩累积损伤具有典型的非线性增长趋势和各向异性特征。

3.   结论

(1) 在隧道开挖的循环爆破作业中，爆破参数设计除了控制最大段药量外，还需注意起爆段数对爆破振动效应的影响。在最大段药量大致相同情况下，起爆段数对萨道夫斯基公式的介质系数K影响很小，而对萨道夫斯基公式的衰减系数α影响较大。采用合理的起爆段位，既可取得较好的岩体破碎效果，又有利于控制围岩的稳定性。

(2) 在推进式循环爆破开挖下，隧道同一测试剖面不同深度的测点，随着循环爆破开挖向下推进，其声速降低率基本呈递减趋势；不同测试剖面同一深度的测点，距离爆区越近，其声速降低率越大。同一深度距离爆区相同的测点，其声速降低率存在较大差异，围岩的爆破损伤范围在深度和广度方面均具有典型的各向异性特征。

(3) 在相同的循环开挖爆破作用下，围岩声速降低率、爆破累积损伤量与爆破次数之间并非简单叠加，而是一种非线性变化关系；在爆炸参量基本相同的情况下，不同循环爆破开挖对同一剖面测点的累积声速降低率呈非线性增长趋势；测试剖面各个测点的爆破累积损伤扩展模型是不同的，具有各自的爆破累积损伤演化规律，围岩累积损伤效应具有典型的非线性演化特性和各向异性特征。

应当指出的是，上述结论仅在模型实验中获得，仍需实际岩体工程的循环爆破开挖作业验证。