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爆炸与冲击-09-地应力对爆破过程中围岩振动能量分布的影响_图文

第 29 卷 第 2 期 2009 年 3 月 文章编号: 1001 1455( 2009) 02 0182 07











EXP LO SION A N D SHO CK W A VES

Vo l. 29, No . 2 M ar. , 2009

地应力对爆破过程中围岩振动能量分布的影响
严 鹏 , 卢文波 , 李洪涛 , 陈
1 1 2

*

明 , 周创兵

1

1

( 1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室, 湖北 武汉 430072; 2. 四川大学水利水电学院, 四川 成都 610065) 摘要: 对高地应力条件下隧洞爆破开挖过程 中围岩振动信号进行小波包分析, 得到了振动 信号不同 频带 上的能量分布。实测资料分析结果表明, 爆破开挖时, 初始地应 力动态卸 载诱发的围 岩振动的 频率范围和 爆 破荷载诱发的围岩振动频率范围基本相同, 但地 应力卸载诱发的振动中, 低频能量占较大的比例; 开挖面上的 卸载应力值的大小和卸载面的大小共同 决定卸 载效应 的强弱, 而这 两个因 素均与开 挖面上 的炮孔 布置和 起 爆网络的连接有关。 关键词: 爆炸力学; 能量分布; 小波包分析; 围岩振动; 爆破开挖 ; 地应力 中图分类号: O 329 国标学科代码: 130 35 文献标志码: A

1





一般条件下, 爆破过程中围岩振动是由装 入地下的炸药爆炸产生 的冲击波 通过岩土介 质传播到远 距离处 衰减而 引 起的弹性振动。然而, 深埋于地下的岩体中存在初始地 应力场。爆破开 挖时, 围 岩轮廓面 上的法 向应力 瞬间变 为零, 这 必然会在围岩中产生强烈的应力调整。卢文波等 [ 1] 、 长平等 [ 2] 、 鹏等 [ 3] 的研 究表明, 该初 始地应 力的卸 载是 1 个 与 易 严 常规准静态卸载不同的高速动态卸载过程, 它将在掌子 面附近的岩体中激起动态卸载振动。因此, 在高地 应力地区进 行 爆破施工时, 爆破过程诱发的围岩振动是由爆 炸荷载诱发的振动和开 挖轮廓面 上初始应力 瞬间释放诱 发的振 动二者 的 叠加 [ 4] 。进一步研究 [ 5] 表明, 在岩体初始地应力较低的 条件下, 隧洞 钻爆开挖过 程中围岩 振动主 要由爆 炸荷载 引起; 而 高地应力条件下, 开挖荷载动态卸荷诱发的振动可能超 过爆破振动而成为围岩振动的主要因素。因此, 研 究高地应力 条 件下隧洞开挖过程中诱发的围岩振动特性具有重大的理论意义和工程应用价值。 传统的爆破过程中围岩振动分析的方法是将其简化为 平稳信号( 伪平 稳) 问 题, 通过 Fo ur ier 变换来 处理, 然而爆 破 过程中的围岩振动是一个短时非平稳随机过程, 具有明 显的持时短、 突变快等特点。小波变换具有处理非 平稳信号的 优 势, 但目前利用小波变换处理爆破振动信号还 处于起步阶段 [ 6 7] 。凌 同华等 [ 8] 利 用小波理 论, 分析了无 初始地 应力作 用 或者初始地应力量级不高情况下爆破振动信号的能量分布和时频特性, 验证了该方法的可靠性。 本文中对高地应力条件下地下工程围岩振动信号进行小 波包分析, 以期得 到在地应力 量级较高地 区进行 爆破施 工 时围岩振动信号的某些特征。

2

小波包分析原理
小波分析是把信号分解成低频和高频 2 部分。在分解中, 低频部 分失去的信 息由高频 部分捕 获。下一步 将低频 部

分继续分解, 而高频部分不再被分解。而 在小波 包分解 中, 高 频部分 也像低 频部分 一样被 分解 成 2 部 分。在一 维情 况 下, 它产生一个完整的二叉树。小波包分解能根据信号 特性和分析要 求, 自适 应地选择 相应的频 带与信 号频谱 相匹配, 是一种比小波分解更精细的分解方法。

2. 1

振动信号的小波包分解
采用的振 动波形自记 仪的采样频 率为 2 kHz, 根据 N yquist 采样 定理 [ 7] , 该自记 仪所采信 号的最高频 率为 1 kHz。

*

收稿日期: 2007 09 20; 修回日期: 2007 12 04 基金项目: 国家自然科学基金委员会 雅砻江水电开发联合基金项目( 50639100) ; 国家杰出青年科学基金项目( 50725931) ; 国家自然科学基金面 上项目( 50779050) ; 湖北省自然科学基金杰出青年人才项目( 2007ABB026) 作者简介: 严 鹏( 1981 ) , 男, 博士研究生。

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鹏等: 地应力对 爆破过程中围岩振动能量分布的影响

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对 振动信号进行 5 层小波包分解, 最低频带为 0. 00~ 31. 25 Hz。分解后得到 32 个第 5 层小波 包重构信号, 分别对应 32 个频率带, 依次为 0. 00~ 31. 25、 25~ 62. 50、 968. 75~ 1 000. 00 H z, 每个重构信号的频带宽都是 31. 25 Hz。 31. !、

2. 2

各频带的能量表征
将爆破振动信号分解到第 5 层, 设 s5, j 对应的能量为 E 5, j , 则有 [ 8] E 5, j =

?

N

s5, j ( t)

2

dt =
k= 1

j, k

2

( 1)

式中: N 为离散信号的采样点数,

j,k

( j = 0, 1, 2, !, 25 - 1; k = 1, 2, !, N ) 为重构信号 s5, j 的离散点的幅值。
25- 1

被分析信号的总能量 E 0 可以写成 E0 =
j= 0

E 5, j

( 2)

各频带能量占被分析信号总能量的比例为 E j = E 5, j / E 0 这样, 由式( 1) ~ ( 3) 可以得到信号经小波分解后不同频带的能量。 ( 3)

3

爆区地应力估算
在建的瀑布沟水电站, 装机容 量为 3. 3 G W, 位于 长

江流域岷江水系的 大渡 河中 游, 地 处四 川省 西部 汉源 和 甘洛两县境内。该工程地下厂 房群由 主厂房、 主变 室、 尾 水闸门 室、 母线洞、 通洞、 水隧洞 和压 力引水 管道 等 交 尾 纵横交错的洞室组 成复 杂的 地下 空 间结 构, 位于 坝轴 线 下游左岸花岗岩 山体 中, 上覆 岩体 厚 220~ 360 m。6 条 压力引水管道平行布置, 中 心间距 为 28. 86 m, 隧 洞断 面 为圆形, 开挖直径为 10. 7 m。 前期的研究 [ 9] 表明, 该电 站地 下厂 房区 域的 地应 力 场是一个以构造应 力为 主, 由 构造 和自 重综 合影 响而 构 成的中等偏高的地应力场。为了 对比监 测初始 应力场 的 存在对围岩振动的影响, 选取了 2# 引水隧 洞的 2 次典 型 的爆破, 开挖掌子面桩号分别为 0+ 44 和 0+ 100, 洞口 的 桩号为 0+ 20, 如图 1 所示。这 2 次开挖爆破相隔 20 d。 掌子面 0+ 44 距离洞口仅 24 m, 洞 顶覆盖 层厚 20~ 30 m, 该部位的地 应力值 较小, 主 要 为自 重应 力, 大小 为 0. 5~ 0. 7 M Pa, 因此 这一 部位 地应力 对爆 破振动 的影 响 可以忽略。掌子面 0+ 100 距洞口 80 m, 附近有一地应 力 测点, 实测地应力值约 10 M Pa, 属中 等地应力水平 [ 9] 。 引水施工区的围岩主要 为 #、 ?类围 岩, 因 此采用 断 面分部法施工, 一次开 挖进尺 1. 5 m, 其上 半部分 爆破 设 计简图如图 2 所 示。采 用手 风 钻 造孔, 孔径 为 45 mm。 光爆孔的 孔距为 50 cm, 光 爆层 厚 80 cm, 崩 落孔 孔距 为 70 cm, 排距为 85 cm, 采用 2# 岩 石乳化 炸药和 非电毫 秒 微差雷管。周边 孔采 用竹 片和 导爆 索分 节间 隔装 药, 爆 破孔采用柱状连续装药。 当开挖区域存 在地 应力, 按 图 2 所 示的 方案 进行 爆 破施工时, 每一段 炮 孔起 爆都 将引 起周 围岩 体中 初始 地 图 2 引水隧洞开挖钻爆设计 F ig. 2 T he blasting desig n fo r inlet tunnel ex cav atio n 图 1 引水隧洞开挖爆破掌子面示意图 Fig . 1 D iagr ammatic sket ch of t he w or king face o f inlet tunnels under excavat ion

应力场的变化和调整, 都将存在初始力的动态卸载效应 。与隧洞 分段微差起爆顺序对应的岩体分步开挖荷载( 即炮孔 中 心上的初始地应力值) , 可利用外径为无穷大的厚壁圆筒远场受压条件下的弹性应力公式计算
r

= ( 1 - r 2/ r 2) p 0 0

( 4)

式中: r 0 为圆柱体的内径, r 为即将起爆的炮孔中心连线 的半径, p 0 是岩体的远场均匀初始应力。

184











第 29 卷 d = r - r0 , 则式( 4) 变为 ( 5)

r 0 与 r 之间的岩体为本段炮孔起爆需要爆 掉的岩体, 设崩落孔的排距或者光爆层厚度
r

= [ 2 d/ r - ( d/ r) ] p 0

2

式( 5) 说明, 爆破场区的远场地应力确定后, 炮孔的布置, 即崩落孔的排距和崩落孔距掌子面中心的距离决 定开挖面上 的 地应力的大小。 考虑到开挖掌子面上的炮孔是一圈圈由里往外起爆, 与某一圈炮 孔起爆对 应的分步开 挖荷载为前 一圈炮 孔起爆 后 在该圈炮孔处形成的二次应力。如图 3 所示, 在第 M S9 圈 炮孔起爆 前, 第 M S1、 S3、 S5 和 M S7 圈炮 孔均已 起爆, 并 M M 已形成了具有一定内径的圆筒体, 与第 M S9 圈炮孔对应的开挖荷载 即为炮孔所处部位的围岩二次分布 应力。当远场 地 应力值取 10. 0 M Pa 时, 由式( 4) 计算得到的分步开挖荷载
r

见表 1, 其中 r 为地应力卸载半径。 表 1 与不同微差起 爆对应的开挖荷载 Table 1 Excavation loads corresponding to different blast delays 起爆延迟 M S1 M S3 M S5 M S7 M S9 M S11 M S13 炮孔类型 掏槽孔 掏槽孔 崩落孔 崩落孔 崩落孔 缓冲孔 光爆孔 r/ m 0. 60 1. 15 2. 00 2. 85 3. 70 4. 55 5. 35
r

/ MPa 7. 28 6. 69 5. 08 4. 07 3. 39 2. 77

10. 00

图 3 开挖荷载的确定 F ig . 3 Determ inat ion of ex cavatio n load

4
4. 1

实测围岩振动资料分析
围岩振动测试情况
为保证施工过程 中施 工人员 的安 全及相 邻隧 洞围 岩的 动力

稳定, 引水隧洞开挖中规定, 相邻隧洞爆破开挖至少要错开 50 m。 隧洞开挖和振动监测的布置见图 4。 爆破测试采用重庆地质仪器厂生产的 CDJ 系 列传感器, 波形 记录仪器为 M CS 2000 瞬态波形存储自记 仪。图 5 给出了 2# 引 水隧洞 0+ 44 桩号和 0+ 100 桩号处 两次开 挖爆破 的实测围 岩质 点振动速度时程曲线, 图 5( a) 为 0+ 100 桩号处的 围岩振动曲 线, 图 5( b) 为 0+ 44 处的围岩振动曲线, 简写 为信号 1 和 2。 图 4 爆破振动测点布置 示意图 F ig. 4 A rr ang ement o f vibrat ion monito ring po ints

图 5 2# 引水隧洞爆破振动实测波形 Fig. 5 M onito red v ibrat ion velocity versus time in inlet tunnel 2 为了排除 Ray leig h 波的干扰, 这里 仅给出在其邻洞正对开挖部位边墙上布置的测点( 6# 测点) 测 得的正对爆源方向 的振动信号, 这样爆炸荷载和初始应力动态卸 载诱发的振动经岩体直达振动传感器, 便于进一步分 析。这 2 次开挖爆 破 采用了完全相同的爆破设计, 分 7 段起爆, 具体爆破及测试参数见表 2。

第2期



鹏等: 地应力对 爆破过程中围岩振动能量分布的影响 表 2 测试点的爆破条件 Table 2 Blast conditions of measuring points

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信号 1 2

地应力/ M P a 10. 0 0. 5~ 0. 7

爆心距/ m 23 23

最大段药量/ kg 34 30

总药量/ kg 141 130

爆破分段 7 7

测点布置 临洞 临洞

4. 2

围岩振动信号的能量分布
对信号进行小波包分析, 首要问题是确定 小波基, 因为用不同的小波基分析同一个信号会产生 不同的结果 [ 6] 。Dau

bechies 小波系列具有较好的紧支撑性、 光滑性及近 似对称 性, 已 被成功 地应用 于分析 包括爆 破地震在 内的非 平稳信 号 问题。该小波系列按正整数 N 具有不同的序列( dbN ) , 图 6 给出了几种 db 小波基函数。

图 6 几种常用于爆破振动信号分析的小波函数 F ig . 6 Commo n w avelet functio ns for blast vibr atio n analy sis 目前爆破振动信号处理中用得最多的是 db8, 本文中 也选用 db8 小 波基。在 M at lab7. 0 的 W avelet T oo lbox 中利 用 db8 将图 5 所示的爆破振动信号分别进行 了 5 层小波包分解, 再根据式( 1) ~ ( 3) 分别得到了这 2 个振 动波形各频带的能 量分布, 如图 7 所示, 其中频带宽度为 31. 25 H z, n 为频带序号。 从图 7 可以看出, 信 号 1 和 2 的能量 基本 都在 1~ 7 频 带( 0. 00~ 218. 75 Hz) 以内。虽然 2 组信号的能量分 布频带 相同, 但信号 1 的低频能量比重 明显高 于信号 2 的。信号 1 的 2、 4 等 3 个频带的能量 均占信 号总能量 的 15% 以上, 3 3、 个频带( 62. 50~ 125. 00 Hz) 的 能量 之和 占总 能量 的 70% , 而信号 2 中 大于总能量 15% 的 3 个 频带为 3、 5, 3 个 频带 4、 ( 93. 75~ 156. 25 H z) 的能量之和占总能量的 72% 。 这 2 次爆破的爆破设计及装药结构基本一样( 因 为洞口 岩体条件稍差, 故每 孔 的装 药量 适当 减少) , 测 试条 件 也相 同, 差别最大的就是这 2 个断面处的地应力水平。这 说明地 应力对爆破过程中围岩振动的能量分布影响较大, 使 振动信 号中低频能量的比例增加。 这种现象在理论上也容易得到解释。爆破开挖时, 炮孔内的 爆炸荷载作用历时数百微秒, 而岩石爆破 现场高速摄 影 资料
[ 10]

图 7 爆破振动波形各频带上的能量分布 Fig. 7 Energ y distr ibution of fr equency bands for the blast v ibration signals

表明: 爆破破岩过程中, 被爆落岩体从母 岩上脱离并发生抛掷运动的时间为几 十毫秒。因此, 岩体 爆破开挖过 程

中, 地应力动态卸载的时间大于爆破荷载的作 用时间, 因而和爆 炸荷载产生 的围岩振 动相比, 地应力动 态卸载 产生的 围 岩振动含有较多的低频能量。

4. 3

动态卸载效应的影响因素
在应力波波阵面上, 动应力与质点振动速 度存在如下关系
r

= !c p v
r

( 6) 为 波阵面上的应力。 可以表示为 ( 7)

式中: !为岩石的密度, cp 为岩体中的纵波波速, v 为 质点峰值振动速度, 因此, 动态荷载在岩体中诱发的质点峰值 振动速度的衰减规律 v= k p0 !c p r d
[ 11] ?

186











第 29 卷

式中: p 0 表示开挖面上地应力的平均值, r 表示荷载所作用的圆面 的半径, d 表示测试 点到荷载作 用面的距 离, r/ d 表 示荷载相对作用距离。 式( 7) 表明, 若不考虑测试场地条件( 即波阻抗 !c p ) 的影响, 开挖面 上的卸载应 力值的大 小和卸载 面的大 小共同 决 定卸载效应的强弱。 将式( 5) 带入式( 7) , 可得 v= k p0 2 d!c p r d r
2

r d

?

( 8)

由式( 8) 可知, 当地应 力水平 p 0 和波阻抗 !c p 一定时, 地应力的动态卸载诱发的围岩 质点峰值振 动速度由 炮孔的相对 排 距 ( d/ r ) 与荷载相对作用距离 ( r/ d ) 共同决定。而 d/ r 和 r / d 均与开挖面上的炮孔布置和起爆网络的连接有关 。 由表 1 和式( 5) 、 8) 可知: ( d/ r 从 M S1~ M S13 段依次增大, 而 r / d 则依次减小, 因此可以预知, 在引 水隧洞开挖 过 d/ r 和 r / d 两个 因素的综合作用最大的某段。 程中, 动态卸载效应最强的不在 M S1 段和 M S13 段, 而在中间

利用前文提到的小波包分析的方法对每一段波形都进行了分析。图 8 给出了信号 1 和 2 中每个爆破 分段诱发的 振 动波形的能量在各个频段上分布的情况, 图中 n 为频带序号, 带宽为 31. 25 Hz。 从图 8 可以看到, 如同整个波形的能量分布规律( 见图 7) 一样, 振动信号 1 和 2 的每一段波形的能量都集 中在 1~ 7 频带( 0. 00~ 218. 75 Hz) 内 , 这说明初始地应力动态卸载诱发的振动的频率范围 和爆破荷载诱发的振动的频率范围基 本 相同, 都在 0. 00~ 250. 00 H z 之间。 除第 1 段和第 2 段外, 信号 1 的其余各段振动波形的低 频能量比 例都明显大 于信号 2 的各段 波形的。为 了更明 确

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鹏等: 地应力对 爆破过程中围岩振动能量分布的影响

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地体现信号 1 和 2 中低频能量的关系, 定义低频能量集中因数
n n

K =
i= 1

E AK i

i i= 1

EBK i i

( 8)

式中: E A 、 B 分别表示信号 A 和 B 各个频段上的能量百分比 , K i 为加权因数, 这里 K i = 1/ i , n 为进 行小波包分析时最 Ei i 底层的小波包个数。显然, K 表示了被比较的 2 个信号中低频能量相对含量的多少, 当 K %1 时, 表示信号 A 中低频 能 量的比例大于信号 B 中低频能量的比例。 利用式( 9) 计算了信号 1 和 2 的每一段振动波形 低频能 量成分的相对含量比值, 计 算结果见 图 9, 其中 nd 表示 爆破 延迟段数。 如图 9 所示, 信号 1 和 2 的每一段振动波形低频 能量的 比值 K 都大于 1, 这表明信号 1 的其余各段振动波形的低频 能量比例都大于信号 2 的各段波形的, 这也说明初始 地应力 动态卸载效应对围岩振动的能量分布影响很大。 从图 9 还可以看到, 第 5 段 ( M S9) 波形的 K 最大, 说明 在这一段中地应力动态 卸载效应 最强, 第 5 段炮孔 起爆 时, 炮孔连线上的地应力值和荷载相对作用半径都不是最大, 这 一现象是这 2 种因素共同作用的结果。 图 9 各段围岩振动波形各频带上的低频能量比较 Fig. 9 Lo w fr equency energ y co mpar ison of the ro ck v ibration signals between different delays

5





对高地应力条件下地下工程爆破振动信号进行多层次的小波包分解, 得到了爆破振动信号不同频段上的 能量分布。 分析能量分布规律, 得到如下结论。 ( 1) 在高地应力地区进行爆破施工时, 地应力的动态卸载效应是影响爆破地震能量分布的重要因素 之一。地应力 的 动态卸载效应会增加围岩振动信号中的低频成分, 提高低频能量在总振动能量中的比重, 由于工程 结构的自振频率一 般 较低, 因此这种效应不利于地下工程中构筑物 的安全。 ( 2) 若不考虑测试场地条件的影响, 开挖面上的卸载应力值 的大小和 卸载面的大 小共同决定 卸载效 应的强 弱, 而 这 两个因素均与开挖面上的炮孔布置和起爆网络的连接有关。 ( 3) 地应力动态卸载诱发的振动的频率范围和爆破荷载诱发 的振动的频率范围基本相同, 二者主要的 振动能量都 集 中在 0. 00~ 250. 00 Hz 之间。 本文中所得到的结论只是地应力对围岩振动的影响研究的初步结果, 对爆破开挖时, 初始地应 力动态卸载诱发的 振 动的机理, 以及爆炸荷载诱发的振动与开挖卸 荷诱发振动间的分离与识别等重要问题尚需开展深入研究。

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第 29 卷

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Influences of geo stress on energy distribution of vibration induced by blasting excavation
YAN Peng
1*

, L U W en bo , LI H ong tao , CH EN M ing , ZH OU Chuang bing

1

2

1

1

( 1. St at e K ey L aborator y of Water Resour ces and H y dr op ow er Engi neeri ng Science, Wuhan Uni ver sit y , Wuhan 430072, H ubei, China; 2. School of W ater Resour ce and H y dr op ow er , S ichuan Univ ersi ty , Chengdu 610065, S ichuan, Chi na) Abstract: Adopt ing t he w avelet packet analysis technique, t he ener gy distr ibution of t he v ibrat ion, w hich w as induced in t he pr ocess o f tunnel blasting ex cav at ion under t he high in situ st ress condi t ions, w as obtained. Analysis on t he test data show s that t he f requency rang es o f t he vibrat ion in duced by the t ransient unloading o f t he in sit u st ress( VI) and the vibration induced by blast lo ad( VB) ar e almost t he same, but t he pro port ion o f the low frequency ener gy in VI is higher t han t hat in VB. T he eff ect o f the t ransient unloading depends on the magnitude of t he in sit u st ress f or t he t ransient unloading and t he size of t he unloading ar ea, bo th of w hich ar e det er mined by t he dist ribut io n of the blast holes and explosiv e circuit . Key words: mechanics of explosio n; energ y dist ribut ion; w avelet packet analy sis; r ock mass vibra t ion; blasting ex cav at ion; g eo st ress
*

Cor respo nding autho r: Y A N Peng T elephone: 86 571 56738877

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( 责任编辑

张凌云)


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