爆炸应力波传播规律与TSP基本原理分析.pdf

第2 7 卷第2 期 爆破、瑚．27 N o ．2 2 0 1 0 年6 月B L A S T I N G J u n ．2 0 1 0 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 0 ．0 2 ．0 0 9 爆炸应力波传播规律与T S P 基本原理分析木 王国斌1 ’2 ，利奕年2 ，杨文东3 1 ．中国地质大学工程学院，武汉4 3 0 0 7 4 ；2 ．湖北省交通规划设计院，武汉4 3 0 0 5 1 ； 3 ．武汉理大学土木q - 程与建筑学院，武汉4 3 0 0 7 0 摘要T S P 是一种用微量炸药爆破产生地震波进行隧道地质超前预报的技术。为了更好地了解T S P 基 本原理，分析了炸药爆炸所产生的应力波在介质中的传播形式及其能量的分配，推导了应力波传播形式的波 动方程。在此基础上，详细地阐述了T S P 超前预报探测系统工作原理和T S P 测试爆破设计，最后应用T S P 法对某隧道掌子面进行了探测分析。这些成果可为探测人员进一步掌握T S P 技术提供一些理论参考。 关键词爆炸；应力波；“ I S P ；爆破设计 中图分类号0 3 8 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 0 0 2 0 0 3 2 一0 4 A n a l y s i so fP r o p a g a t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fE x p l o s i o n S t r e s sW a v ea n dB a s i cP r i n c i p l eo fT S P W A N GG u o ．b i n l ”，1 2Y i ．n i a n 2 ，Y A N GW e n ．d o n 9 3 1 ．S c h o o lo fE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n e e s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ； 2 ．C o m m u n i c a t i o n sP l a n n i n ga n dD e s i g nI n s t i t u t eo fH u h e iP r o v i n c e ，W u h a n4 3 0 0 51 ，C h i n a ； 3 ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t T S Pi sat u n n e lg e o l o g i c a la d v a n c e dp r e d i c t i o nt e c h n o l o g yt h r o u g hs e i s m i cw a v ep r o d u c e db ym i n i c h a r g ee x p l o s i o n ．I no r d e rt ou n d e r s t a n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fT P Sb e t t e r ，t h i sa r t i c l ea n a l y s i sp r o p a g a t i o nf o r m sa n d e n e r g yd i s t r i b u t i o no fe x p l o s i v es t r e s sw a v ei nt h em e d i u ma n dd e d u c e st h ev o l a t i l i t ye q u a t i o no fs t r e s sw a v ep m p a g a - l i o nf o r m s ．B a s e do nt h i s ．t h i sa r t i c l ed e t a i l e d l yd e s c r i b e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fT S Pa d v a n c e dp r e d i c t i o nd e t e c t i o n s y s t e ma n dT S Pt e s t i n gb l a s t i n gd e s i g n ．I nt h ee n d ．髑Pi sa p p l i e dt od e t e c tat u n n e lf a c e ．T h e s er e s u l t sC a np m v i d e s o m et h e o r e t i c a lr e f e r e n c e sf o rp r o b i n gp e r s o mt Og r a s p7 r S Pt e c h n o l o g yf u r t h e r ． K e yw o r d s e x p l o s i o n ；s t r e s sw a v e ；t u n n e ls e i s m i cp r e d i c t i o n ；b l a s t i n gd e s i g n U 5J 吾 T S P T u n n e lS e i s m i cP r e d i c t i o n 是目前隧道施 工超前地质预报最为有效的方法之一，它是一种无 损的地震波反射探测技术。该技术采用微量炸药爆 破人为形成多个微振源，利用爆破地震波在岩土体 中传播规律来探测隧道施工前方的地质状况。为了 收稿日期2 0 1 0 一O l 1 4 作者简介王国斌 1 9 7 4 一 ，男，博士生．E ．m a i l v o c a r s i n a ．c o m 。 基金项目湖北省交通科技项目 鄂交科教[ 2 0 0 5 ] 3 6 1 号 探测技术人员更好地了解T S P 基本原理及其使用， 首先，对炸药爆炸所产生的应力波在介质中的传播 规律进行了分析，然后，详细地阐述了T S P 超前预 报探测系统工作原理和T S P 测试爆破设计及其 应用。 l 爆炸应力波传播形式及波动方程 1 爆炸应力波传播形式 炸药包爆炸所产生的应力波，在介质中的传播 形式及其能量的分配是不同的，如图1 所示。在靠 万方数据 第2 7 卷第2 期王国斌，利奕年，杨文东爆炸应力波传播规律与T S P 基本原理分析 3 3 近爆源3 7 倍药包半径的距离内，以冲击波的形式 出现，占爆炸能量的6 0 ％以上；在距爆源1 2 0 1 5 0 倍药包半径的距离内，以压缩波的形式出现，占爆炸 能量的3 0 ％以上；直到距爆源超过药包半径1 5 0 倍 的距离后，才以地震波的形式出现，只占爆炸能量的 1 0 ％左右‘1 引。 图1 爆炸应力波在介质中的传播形式 2 波动方程 设有一平面余弦行波，沿x 轴的正向传播，波 速为C ，取O 作为计算坐标的原点，x 表示各质点在 波线上的平衡位置，Y 表示振动位移，则质点的振动 方程为‘3 { 】 y A c 。s ∞ t 一吾 1 式中，A 为振幅；∞为频率；，，为距离坐标原点x 处 质点在时刻的位移。 ①平面波波动方程 由 1 式分别对t 和x 求二阶偏微分，得到 盎O t 2 一A t 0 2 c o st O t 一百X O t 、 0 ， 壹 一A 0 万9 2 0 X 2Cc o s ∞ t 一墨C 2 一＼， 比较上列2 式，即得 盎O X 2 两1 0 2 r _ 2 C 2a t 2 、 式 2 所反映的是平面波的共同特征，统称为 平面波波动方程，可以证明，在三维空间中传播的一 切波动过程，只要介质是理想的，无吸收的各向同性 的均匀介质，都符合下式 盘O x 2 篓 盘0 2 2 孕10 a 2 ￡4 0 yO z “ 3 ‘ C ‘a ￡‘ 式中，f 为位移，该式常称为平面波波动方程。 ②球面波波动方程 将式 3 化成球坐标的形式，并注意到各个径 向方向上的传播完全相同，即可得到球面波的波动 方程为 挚 去C 掣O t 4 a r 2 22、- t 7 式中，f 为位移，r 为沿任一半径方向上离点波源或 球心的距离。 2 T S P 超前预报探测系统工作原理 a s P T u n n e lS e i s m i cP r e d i c t i o n 2 0 3p l u s 系统是 瑞士A m b e r g 工程技术公司的最新产品，是一种快 速、有效、无损的地震波反射探测技术，人为形成多 个微振源，采用微量炸药爆破产生地震波并以球面 波的形式在岩体中传播，其中一部分沿掌子面轴向 传播，当地震波遇到地层界面、节理面，特别是断层 破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落带、淤泥等不良地质界 面时，将产生反射波，反射波的传播速度、延迟时间、 波形、强度和方向等均与相关界面的性质和产状相 关，并通过不同数据表现出来，然后被高灵敏度的特 制地震检波器接收，并被转换成电信号加以放大。 经过电脑处理后，形成反应相关界面或地质体反射 能量的影像点图和隧道平面、剖面图；一部分直接向 接受器方向传播，被接受器接受，形成首到波，由此 可计算波速∞剖。 纵波波速计算公式 鲁 5 』1 式中，L 。为振源到传感器的距离，m ；T 1 为首波到达 传感器的时间，s 。 从起爆到反射信号被接受，这段时间与距反射 界面的距离成比例，由反射时间和地震波的速度进 行换算，得出反射面的位置和与隧道轴线的夹角，从 而确定出距掌子面的距离和大体的形状，同时还可 以通过对波速的计算将岩性的变化显示出来。进而 结合具体的地质情况，预测诸如断层破碎带、软弱岩 层、溶洞等影响施工的不良地质构造的位置、宽度、 产状等，见图2 所示。 接 图2T S P 超前预报探测系统工作原理 万方数据 爆破2 0 1 0 年6 月 反射波传播时间计算公式 z 2 墼粤掣 6 1 一 T ， 一 I ， ＼u ， 式中，死为反射波传播时间，s ；岛为爆破孑L 到反射面 的距离，m ；厶为传感器到反射面的距离，m 。 3T S P 测试爆破设计与测试结果分析 1 T S P 测试现场爆破设计 图3 为T S P 测试现场探测布置示意图。在隧道 出边墙距地面约1 ．0m 高的水平线上，按间距约1 ．0 r n 、孔深约1 ．5 0m 、孔径3 5 3 8m m 、下倾1 5 0 一2 0 0 的标准钻2 4 个炮孔，最后1 个炮孔距掌子面约5 0 m 。1 只传感器布置在边墙距第1 个炮孔约1 5 ．0m 的位置，安装传感器的接收孔深约2 ．0r l l 、孔径4 2 4 5m m 、上倾5 0 。1 0 0 。 炮孔 图3T S P 测试现场探测布置示意图 单位m 爆破使用乳化炸药和瞬时电雷管，每个孑L 装炸 药量一般为5 0g 左右。为保证炸药与炮孔严密合， 各炮孔装药后灌满水，用软塑一可塑状泥土或锚固剂 等进行炮孑L 填塞。炮孔按顺序逐个引爆，并由仪器 记录下各道信号。数据采集时，为减少噪声对采集 数据的影响，工区内应停止其它施工作业，尤其是针 对岩体的作业。 2 T S P 测试结果分析 应用1 ’S P 法某隧道K 2 5 6 8 5 4 掌子面进行了 探测，经过资料整理，形成了该掌子面的T S P 二维 反射层面图，见图4 所示。 图4 某隧道K 2 5 6 8 5 4 掌子面T S P 探测反射层面图 从2 D 反射层面图中可以看出，在本预报区段 内，主要反射面在K 2 5 6 8 0 4 一K 2 5 6 7 7 4 处，从 2 D 图上看，反射面主要由隧道左边墙外侧向隧道方 向延伸。结合现场地质观察情况，推测围岩工程地 质水文地质条件如下 K 2 5 6 8 5 7 一K 2 5 6 8 0 6 段，长5 1m 。围岩为薄 层状微风化灰岩，硬质岩石。从2 D 图上来看，该段围 岩反射面较密集，主要由左边墙外侧向隧道延伸，纵 波速度无明显变化，K 5 ．0k m ／s 。横波速度在 K 2 5 6 8 4 0 一K 2 5 6 8 2 0 段偏低，推测该小段在雨季 时有少量裂隙水。结合地质条件，推测该段围岩裂隙 发育岩体呈块碎状结构，局部有少量裂隙水。 K 2 5 6 8 0 6 一K 2 5 6 7 7 0 段，长3 6i n 。围岩为薄 层状微风化灰岩，硬质岩石。从2 D 图上来看，该段围 岩反射面密集，纵波速度有一处明显偏低，K 4 ．0 5 ．0k r n ／s 。里程桩号为K 2 5 6 8 0 6 一K 2 5 6 7 8 8 。该 段围岩横波速度变化较大，总体由低升高，推测在 K 2 5 6 8 0 6 一K 2 5 6 7 8 8 里程段推测该段围岩破碎， 裂隙较发育，岩体呈块碎状结构，有少量裂隙水。局 部岩溶较发育，有形成溶洞 穴 的地质条件。 4 结语 在利用T S P 进行隧道超前地质预报的实践中， 涉及爆破技术、应力波理论和工程地质水文地质等 多方面的知识，作为工程技术人员，必须全面地了解 这些相关的基础理论知识，才能有效地利用T S P 对 隧道掌子面前方的地质情况作出准确预报判断，从 而更好的服务生产实践。本研究成果可为超前地质 预报工程技术人员进一步掌握T S P 技术提供一些 万方数据 第2 7 卷第2 期王国斌，利奕年，杨文东爆炸应力波传播规律与T s P 基本原理分析 3 5 理论参考。 参考文献 [ 1 ] 马建军，程良奎．爆破应力波的传播及其远区破坏效 应研究现状述评[ J ] ．爆破，2 0 0 5 ，2 2 2 1 7 - 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