本發(fā)明一種考慮地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷的爆破振動(dòng)安全判定方法，涉及深部巖體鉆爆開挖時(shí)圍巖或鄰近建筑物的爆破振動(dòng)安全評(píng)估領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)高速迅猛發(fā)展的背景下，地面發(fā)展空間嚴(yán)重不足，地下空間被逐步開發(fā)利用，如水利行業(yè)的地下廠房、交通行業(yè)的隧道工程、核電行業(yè)的核廢料存儲(chǔ)庫等，地下工程的施工建設(shè)面臨著大埋深、高地應(yīng)力等不利條件。當(dāng)前巖體開挖方式主要有鉆爆法和機(jī)械(TBM)法兩種方式，對(duì)于大型地下洞室的施工，最常采用的手段仍是鉆孔爆破法，鉆爆法是一種經(jīng)濟(jì)、高效的開挖方式。在地下洞室爆破施工的同時(shí)，不可避免地會(huì)對(duì)鄰近既有洞室和開挖洞室本身產(chǎn)生不利影響，甚至有可能引起地下洞室的安全事故。目前我國對(duì)爆破地震安全評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)，主要是采用現(xiàn)行的爆破安全規(guī)程GB6722-2014，如表1：

表1爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

《爆破安全規(guī)程》GB6722-2014，是采用質(zhì)點(diǎn)峰值速度-主振頻率雙因素的安全判據(jù)，考慮到了不同頻率成分爆破地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響程度的差別，這種判據(jù)對(duì)爆破振動(dòng)頻率比較集中、只考慮爆炸荷載這一個(gè)激發(fā)源的大爆破比較適用。但針對(duì)高地應(yīng)力條件下，鉆爆開挖過程中會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)激勵(lì)源：爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷，二者都會(huì)引起圍巖的擾動(dòng)；且爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷耦合產(chǎn)生的地震波具有寬頻帶(高低頻具有明顯分界點(diǎn))的特點(diǎn)。因低頻波與鄰近建筑物的自振頻率相接近，容易造成共振破壞，所以籠統(tǒng)的采用一個(gè)主振頻率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)不一定適用，評(píng)價(jià)圍巖振動(dòng)的安全性不夠準(zhǔn)確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種考慮地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷的爆破振動(dòng)安全判定方法，可以解決高地應(yīng)力環(huán)境下采用《爆破安全規(guī)程》GB6722-2014，不能很好的反映爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷兩個(gè)激勵(lì)源耦合作用產(chǎn)生的地震波的寬頻特性、安全性評(píng)估不夠精確的問題，能更加準(zhǔn)確可靠的評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)的安全。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種考慮地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷的爆破振動(dòng)安全判定方法，包括以下步驟：

步驟1：預(yù)設(shè)爆破開挖的對(duì)象是深埋隧洞，設(shè)計(jì)爆破方案，對(duì)開挖隧洞本身和周圍建筑物采用爆破測振儀進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測，獲得實(shí)測圍巖振動(dòng)信號(hào)。

步驟2：根據(jù)爆破振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨時(shí)間的變化圖，也就是實(shí)測波形圖，從圖中可以獲得實(shí)測振動(dòng)峰值PPV₁。

步驟3：對(duì)爆破振動(dòng)實(shí)測波形進(jìn)行小波變換-時(shí)能密度分析，根據(jù)時(shí)能密度圖中的突峰群個(gè)數(shù)，證明深埋隧洞爆破開挖過程中產(chǎn)生了爆炸荷載(BL)和地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷(IS)2個(gè)激勵(lì)源，利用突峰群的時(shí)間分界點(diǎn)對(duì)爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷進(jìn)行識(shí)別。

步驟4：采用Matlab軟件提供的快速傅里葉轉(zhuǎn)化(FFT)工具箱函數(shù)對(duì)實(shí)測波形進(jìn)行幅值譜分析，由幅值譜曲線的突峰群進(jìn)一步說明爆破振動(dòng)是爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷共同作用的結(jié)果，依據(jù)低高頻突峰群分界的特點(diǎn)，分別得到2個(gè)激勵(lì)源耦合作用、地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷、爆炸荷載分別引起的振動(dòng)幅值A(chǔ)₁、A₂、A₃，和其相對(duì)應(yīng)的主振頻率f₁、f₂、f₃，以及爆炸高頻波與瞬態(tài)低頻波的頻率分界點(diǎn)f₄。

步驟5：將f₄作為截止頻率，選用Matlab信號(hào)處理工具箱函數(shù)設(shè)計(jì)的FIR低通濾波器對(duì)實(shí)測耦合波形進(jìn)行濾波，分離出地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷所誘發(fā)的振動(dòng)波形，在此基礎(chǔ)上，從原始實(shí)測波形中減去地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā)的圍巖振動(dòng)波形便可以得到爆炸荷載引起的振動(dòng)信號(hào)，并且分別從地應(yīng)力瞬態(tài)波形圖和爆炸荷載波形圖中獲得瞬態(tài)振動(dòng)峰值PPV₂與爆炸振動(dòng)峰值PPV₃。

步驟6：依據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB6722-2014，分別選取耦合振動(dòng)主頻f₁、瞬態(tài)主頻f₂、爆炸主頻f₃所對(duì)應(yīng)的爆破振動(dòng)安全允許值[PPV₁]、[PPV₂]、[PPV₃]。

步驟7：比較耦合振動(dòng)峰值PPV₁和耦合安全允許值[PPV₁]，地應(yīng)力瞬態(tài)振動(dòng)峰值PPV₂和瞬態(tài)安全允許值[PPV₂]，以及爆炸振動(dòng)峰值PPV₃和爆炸安全允許值[PPV₃]的大小，以此評(píng)估爆破振動(dòng)的安全性。

所述步驟1包括：

步驟1-1：在爆破開挖隧洞本身和鄰近建筑物的圍巖表面或內(nèi)部選擇監(jiān)測點(diǎn)，并在監(jiān)測部位布置測振儀。

步驟1-2：依次起爆各段炮孔，通過振動(dòng)監(jiān)測儀獲取監(jiān)測點(diǎn)處的圍巖振動(dòng)信號(hào)。

所述步驟3中，獲得相應(yīng)頻率范圍內(nèi)振動(dòng)信號(hào)能量密度隨時(shí)間變化的時(shí)能曲線的步驟為：

步驟3-1：基于小波變化中的能量守恒原理，由Moyal內(nèi)積定理可得，有下式成立：

式中：ψ(t)為基本小波，C_ψ為小波容許條件，a為伸縮因子，b為平移因子，W_f(a,b)為任意能量有限的函數(shù)f(t)關(guān)于ψ(t)的連續(xù)小波變換函數(shù)。

步驟3-2：在式(1)中，將|W_f(a,b)|²/C_ψ看作是(a,b)平面上的能量密度函數(shù)，由能量密度概念可知，式(1)可以寫成如下形式：

式中：E(b)為時(shí)能密度函數(shù)，其它參數(shù)如式(1)。

步驟3-3：選用目前在爆破地震信號(hào)分析中使用最多的db8小波基，取尺度下限為1，上限為125。利用式(3)計(jì)算出各測點(diǎn)處不同雷管段別起爆所引起的爆破振動(dòng)信號(hào)的時(shí)能密度。

所述步驟4包括以下子步驟：

步驟4-1：若瞬態(tài)振動(dòng)峰值A(chǔ)₂<爆炸振動(dòng)峰值A(chǔ)₃，則耦合振動(dòng)峰值A(chǔ)₁＝爆炸振動(dòng)峰值A(chǔ)₃，相對(duì)應(yīng)的主振頻率f₁＝f₃。

步驟4-2：若瞬態(tài)振動(dòng)峰值A(chǔ)₂>爆炸振動(dòng)峰值A(chǔ)₃，則耦合振動(dòng)峰值A(chǔ)₁＝瞬態(tài)振動(dòng)峰值A(chǔ)₂，相對(duì)應(yīng)的主振頻率f₁＝f₂。

所述步驟5中，為對(duì)原始耦合波形進(jìn)行FIR低通濾波分析得到地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷和爆炸荷載分別引起的圍巖振動(dòng)信號(hào)，還包括以下子步驟：

步驟5-1：根據(jù)窗函數(shù)法的設(shè)計(jì)思想是尋求一系統(tǒng)函H(Z)，使其頻率響應(yīng)H(e^jw)逼近濾波器要求的理想頻率響應(yīng)H_d(e^jw)，一個(gè)截止頻率為ω_c的理想數(shù)字濾波器，其傳遞函數(shù)的表達(dá)式為：

步驟5-2：因單位脈沖響應(yīng)h_d(n)是無限長序列、非因果的，為了得到有限長度(設(shè)為N)的沖激響應(yīng)函數(shù)，所以要用有限長的序列h(n)來逼近無限長的序列h_d(n)，最有效的方法是對(duì)h_d(n)進(jìn)行加窗，利用矩形窗R_N(n)設(shè)計(jì)，加窗后的h(n)如式(5)：

h(n)＝R_N(n)h_d(n) (5)。

步驟5-3：因FIR數(shù)字濾波器具有線性相位的約束，故h(n)必須是偶對(duì)稱的，對(duì)稱中心為長度的一半，即τ＝(N-1)/2。由復(fù)卷積公式特點(diǎn)可知，在時(shí)域中的乘積關(guān)系可以表示成在頻域中的周期性卷積關(guān)系，從而可以得出FIR數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)，如式(6)：

步驟5-4：依照上述子步驟的設(shè)計(jì)原理，基于Matlab信號(hào)處理工具箱函數(shù)設(shè)計(jì)FIR低通濾波器，取步驟4中通過幅值譜分析得到的f₄作為截止頻率，對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行濾波分析，分離出地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā)的振動(dòng)波形。

步驟5-5：從原始實(shí)測波形中減去地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā)的圍巖振動(dòng)波形便可以得到爆炸荷載引起的振動(dòng)信號(hào)。

本發(fā)明一種考慮地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷的爆破振動(dòng)安全判定方法，有益效果如下：

1、能夠更加真實(shí)客觀的體現(xiàn)出中高地應(yīng)力條件下巖體鉆爆開挖過程中產(chǎn)生了2個(gè)振動(dòng)激勵(lì)源(地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷和爆炸荷載)的特征，充分考慮了低頻瞬態(tài)波與鄰近建筑物的自振頻率相接近，容易造成共振破壞的這一特點(diǎn)。

2、適用的地震波頻率分布范圍更廣，不僅適用于頻率比較集中的地震波，更加適用于深埋隧洞開挖產(chǎn)生的寬頻帶(高低頻具有明顯分界點(diǎn))的地震波。

3、能更加準(zhǔn)確可靠評(píng)估深埋隧洞爆破開挖時(shí)圍巖或周圍建筑物的振動(dòng)安全性，可廣泛應(yīng)用于水電、交通、采礦等深部地下工程。

4、本發(fā)明方法反映了大埋深、高地應(yīng)力環(huán)境下鉆爆開挖隧洞時(shí)產(chǎn)生2個(gè)激勵(lì)源(地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷和爆炸荷載)的特征，考慮了低頻地震波更加容易與建筑物引起共振破壞的特點(diǎn)。與現(xiàn)有的《爆破安全規(guī)程》GB6722-2014中的安全判據(jù)相比，評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一步驟1中隧洞鉆爆開挖和振動(dòng)監(jiān)測示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一步驟2中9#測點(diǎn)水平向MS9的實(shí)測振動(dòng)波形示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例一步驟3中9#測點(diǎn)水平向MS9的時(shí)能密度示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例一步驟4中9#測點(diǎn)水平向MS9的幅值譜示意圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例一步驟5中原始波形濾波得到的瞬態(tài)振動(dòng)波形示意圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例一步驟5中爆炸振動(dòng)波形示意圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例二采用不同的安全判據(jù)圍巖爆破振動(dòng)安全評(píng)估結(jié)果對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一：

工程背景：在某地區(qū)，具有大埋深、高地應(yīng)力的特點(diǎn)，開挖一條圓形水工隧洞A，在開挖隧洞的鄰近處有一條已建設(shè)完成的水工隧洞B，A、B隧洞處于同一高程，平行間距為50m，隧洞半徑均為R＝10m，隧洞周圍的初始地應(yīng)力為P₀＝30MPa。

一種考慮地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷的爆破振動(dòng)安全判定方法，包括以下步驟：

步驟1：在A隧洞掌子面處鉆孔裝藥，采用8段延時(shí)雷管(MS1(0ms)、MS3(50ms)、MS5(110ms)、MS7(200ms)、MS9(310ms)、MS11(460ms)、MS13(650ms)、MS15(880ms))作為起爆源，主爆孔孔徑90mm，孔深900cm，孔距240cm，排距200cm，堵塞段長度250cm。采用φ60或φ70mm藥卷連續(xù)裝藥，爆破最大單響藥量120kg，總裝藥量約1500kg。利用TC-4850測震儀對(duì)A、B隧洞進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測，以此獲得實(shí)測圍巖振動(dòng)信號(hào)，隧洞鉆爆開挖和振動(dòng)監(jiān)測如圖1。

步驟2：以9#測點(diǎn)的水平徑向?yàn)槔?，根?jù)爆破振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制出測點(diǎn)的振動(dòng)波形圖，如圖2，從圖中得出耦合實(shí)測振動(dòng)峰值PPV₁；

步驟3：對(duì)9#測點(diǎn)爆破振動(dòng)實(shí)測波形進(jìn)行小波變換-時(shí)能密度分析，時(shí)能密度圖如圖3所示，根據(jù)時(shí)能密度圖中的突峰群個(gè)數(shù)，證明深埋隧洞爆破開挖過程中產(chǎn)生了爆炸荷載(BL)和地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷(IS)2個(gè)激勵(lì)源，利用突峰群的時(shí)間分界點(diǎn)對(duì)爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷進(jìn)行識(shí)別；

步驟4：采用Matlab軟件提供的快速傅里葉轉(zhuǎn)化(FFT)工具箱函數(shù)對(duì)9#測點(diǎn)實(shí)測波形進(jìn)行幅值譜分析，由幅值譜曲線的突峰群進(jìn)一步說明爆破振動(dòng)是爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷共同作用的結(jié)果，低高頻突峰群分界的特點(diǎn)，分別得到2個(gè)激勵(lì)源耦合作用、地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷、爆炸荷載分別引起的振動(dòng)幅值A(chǔ)₁、A₂、A₃，和其相對(duì)應(yīng)的主振頻率f₁、f₂、f₃，以及爆炸高頻波與瞬態(tài)低頻波的頻率分界點(diǎn)f₄，如圖4。

步驟5：將f₄作為截止頻率，選用Matlab信號(hào)處理工具箱函數(shù)設(shè)計(jì)的FIR低通濾波器對(duì)9#測點(diǎn)實(shí)測耦合波形進(jìn)行濾波，分離出地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷所誘發(fā)的振動(dòng)波形，如圖5。在此基礎(chǔ)上，從原始實(shí)測波形中減去地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā)的圍巖振動(dòng)波形便可以得到爆炸荷載引起的振動(dòng)信號(hào)，如圖6。并且分別從地應(yīng)力瞬態(tài)波形圖和爆炸荷載波形圖中獲得瞬態(tài)振動(dòng)峰值PPV₂與爆炸振動(dòng)峰值PPV₃；

步驟6：依據(jù)《爆破安全規(guī)程》GB6722-2014(表1)，分別選取耦合振動(dòng)主頻f₁、瞬態(tài)主頻f₂、爆炸主頻f₃所對(duì)應(yīng)的爆破振動(dòng)安全允許值[PPV₁]、[PPV₂]、[PPV₃]，如表2；

表2爆破振動(dòng)安全允許值

步驟7：比較耦合振動(dòng)峰值PPV₁和耦合安全允許值[PPV₁]，地應(yīng)力瞬態(tài)振動(dòng)峰值PPV₂和瞬態(tài)安全允許值[PPV₂]，以及爆炸振動(dòng)峰值PPV₃和爆炸安全允許值[PPV₃]的大小，以此評(píng)估爆破振動(dòng)的安全性。

如圖1所示，步驟1包括：

步驟1-1：在爆破開挖隧洞本身和鄰近建筑物的圍巖表面或內(nèi)部選擇監(jiān)測點(diǎn)，并在監(jiān)測部位布置測振儀。

步驟1-2：依次起爆各段炮孔，通過振動(dòng)監(jiān)測儀獲取監(jiān)測點(diǎn)處的圍巖振動(dòng)信號(hào)。

步驟3中，獲得相應(yīng)頻率范圍內(nèi)振動(dòng)信號(hào)能量密度隨時(shí)間變化的時(shí)能曲線的步驟為：

步驟3-1：基于小波變化中的能量守恒原理，由Moyal內(nèi)積定理可得，有下式成立：

式中：ψ(t)為基本小波，C_ψ為小波容許條件，a為伸縮因子，b為平移因子，W_f(a,b)為任意能量有限的函數(shù)f(t)關(guān)于ψ(t)的連續(xù)小波變換函數(shù)。

步驟3-2：在式(1)中，將|W_f(a,b)|²/C_ψ看作是(a,b)平面上的能量密度函數(shù)，由能量密度概念可知，式(1)可以寫成如下形式：

式中：E(b)為時(shí)能密度函數(shù)，其它參數(shù)如式(1)。

步驟3-3：選用目前在爆破地震信號(hào)分析中使用最多的db8小波基，取尺度下限為1，上限為125。利用式(3)計(jì)算出9#測點(diǎn)MS9段雷管起爆所引起的水平徑向爆破振動(dòng)信號(hào)的時(shí)能密度。

步驟4包括以下子步驟：

步驟4-1：若瞬態(tài)振動(dòng)峰值A(chǔ)₂<爆炸振動(dòng)峰值A(chǔ)₃，則耦合振動(dòng)峰值A(chǔ)₁＝爆炸振動(dòng)峰值A(chǔ)₃，相對(duì)應(yīng)的主振頻率f₁＝f₃。

步驟4-2：若瞬態(tài)振動(dòng)峰值A(chǔ)₂>爆炸振動(dòng)峰值A(chǔ)₃，則耦合振動(dòng)峰值A(chǔ)₁＝瞬態(tài)振動(dòng)峰值A(chǔ)₂，相對(duì)應(yīng)的主振頻率f₁＝f₂。

步驟5中，為對(duì)原始耦合波形進(jìn)行FIR低通濾波分析，得到地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷和爆炸荷載分別引起的圍巖振動(dòng)信號(hào)，還包括以下子步驟：

步驟5-1：根據(jù)窗函數(shù)法的設(shè)計(jì)思想是尋求一系統(tǒng)函H(Z)，使其頻率響應(yīng)H(e^jw)逼近濾波器要求的理想頻率響應(yīng)H_d(e^jw)，一個(gè)截止頻率為ω_c的理想數(shù)字濾波器，其傳遞函數(shù)的表達(dá)式為：

步驟5-2：因單位脈沖響應(yīng)h_d(n)是無限長序列、非因果的，為了得到有限長度(設(shè)為N)的沖激響應(yīng)函數(shù)，所以要用有限長的序列h(n)來逼近無限長的序列h_d(n)，最有效的方法是對(duì)h_d(n)進(jìn)行加窗，利用矩形窗R_N(n)設(shè)計(jì)，加窗后的h(n)如式(5)：

h(n)＝R_N(n)h_d(n) (5)。

步驟5-3：因FIR數(shù)字濾波器具有線性相位的約束，故h(n)必須是偶對(duì)稱的，對(duì)稱中心為長度的一半，即τ＝(N-1)/2。由復(fù)卷積公式特點(diǎn)可知，在時(shí)域中的乘積關(guān)系可以表示成在頻域中的周期性卷積關(guān)系，從而可以得出FIR數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)，如式(6)：

步驟5-4：依照上述子步驟的設(shè)計(jì)原理，基于Matlab信號(hào)處理工具箱函數(shù)設(shè)計(jì)FIR低通濾波器，取步驟4中通過幅值譜分析得到的f₄作為截止頻率，對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行濾波分析，分離出地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā)的振動(dòng)波形。

步驟5-5：從原始實(shí)測波形中減去地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷誘發(fā)的圍巖振動(dòng)波形，便可以得到爆炸荷載引起的振動(dòng)信號(hào)。

實(shí)施例二：

圖7為A隧洞鉆爆開挖過程中實(shí)際觀察得到的圍巖振動(dòng)破壞部位數(shù)和分別采用現(xiàn)有評(píng)價(jià)手段和本發(fā)明方法的圍巖安全性評(píng)估的結(jié)果，從圖7中可以看出，相比已有的爆破振動(dòng)安全判據(jù)，采用該發(fā)明所提供的考慮地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷的爆破振動(dòng)安全判據(jù)，評(píng)估結(jié)果更接近實(shí)測數(shù)據(jù)，評(píng)估精度更高。

本發(fā)明中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改、補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。