地下水封洞库爆破振动监测及分析.pdf

第 31 卷 第 4 期 2014 年 12 月 爆 破 BLASTING Vol. 31 No. 4  Dec. 2014 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2014. 04. 010 地下水封洞库爆破振动监测及分析* 支 伟 1， 吴 立1， 2， 袁 青1 （1. 中国地质大学 （武汉）工程学院， 武汉 430074； 2. 岩土钻掘与防护教育部工程研究中心， 武汉 430074） 摘 要 通过对地下水封洞库进行爆破振动监测， 详细介绍了监测工作中的仪器、 布点、 数据获取等基本内 容。从现场实验获取的数据发现， 监测到的振动速度最大值与其各分量的最大值不是出现在同一时刻。研 究中以爆破振动速度全量为控制速度， 避免了以往使用振速竖直分量作为控制速度的缺陷。运用回归分析 手段得到了爆破振动衰减的基本规律， 结合爆破振动波形图等分析了爆破振动对洞库围岩的影响； 结合分析 成果， 及时对洞库后续爆破施工进行优化调整， 减少围岩损伤， 保证施工安全和施工质量。 关键词 爆破振动监测；控制速度；矢量合成；地下水封洞库 中图分类号 TD235. 1 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2014） 04 -0046 -03 Monitoring and Analysis of Blasting Vibration in Underground Water Sealed Caverns ZHI Wei1， WU Li1， 2， YUAN Qing1 （1. Faculty of Engineering， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China； 2. Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling Excavation and Protection， Ministry of Education， Wuhan 430074， China） Abstract According to the monitoring of blasting vibration in underground water sealed caverns， the monitoring work of the basic content was introduced including the instrument， stationing and data acquisition. The data obtained from the field experiment showed that the maximum value of total velocity and every component velocity didnt appear at the same time. The total velocity of blasting vibration was the controlling speed in the study which avoided taking the defect of the vertical component velocity as the controlling speed in the past. The regression analysis was used to get the basic law of blasting vibration attenuation which took into account the influence of blasting vibration on the surrounding rock combined with the blasting vibration wave. The ination fed back to the construction of the caverns blasting timely and some measures could be taken to control the stability of caverns， so the safety and quality of the construction was guaranteed by reducing the damage of surrounding rocks. Key words blasting vibration monitoring；controlling speed；vector synthesis；underground water sealed cav- erns 收稿日期 2014 -09 -30 作者简介 支 伟 （1989 - ） ， 男， 硕士研究生， 从事地质工程、 凿岩爆 破等方面的科研工作，（E-mail） zhiwei2012189. cn。 通讯作者 吴 立 （1963 - ） ， 男， 教授、 博士生导师， 从事工程爆破和 地下建筑工程理论技术研究，（E-mail） lwu cug. edu. cn。 基金项目 湖北省自然科学基金重点项目 （2013CFA110） 大型地下水封洞库作为重要的战略储备手段之 一， 因其具有容量大、 造价低、 节省建筑材料、 防护能 力强等优势， 被越来越多的用于储备原油、 化工原料 等物资。目前钻爆法仍是大型洞库开挖最常用的施 工手段 ［1］。在爆破开挖过程中， 爆破振动不可避免 的会影响洞库围岩及相邻洞库围岩结构的完整性， 特别是循环爆破条件下的累积爆破载荷作用， 使得 岩石内部微裂纹的形成、 扩大甚至贯穿， 导致岩体质 量劣化。因此， 开展爆破振动效应的监测和研究工 作， 对于工程的安全施工以及保证工程满足设计使 用要求具有重要的意义。以某地下水封洞库为研究 对象， 通过开展洞库开挖施工时爆破振动监测工作， 运用理论计算、 现场试验等方法， 研究爆破振动对地 下洞库围岩的影响， 分析在爆破地震波作用下地下 洞库围岩的动力响应规律， 建立爆破振动安全判据， 提出安全控制措施。 1 工程概况 洞库设计库容 100 万 m3， 按储存介质分为三个 洞库， 每个洞库包括 3 个相互平行的主洞室和数条 连接巷道， 洞库参数见表 1， 另有 4 个竖井、 10 条水 幕巷道、 1 条施工巷道等地下工程。 表 1 洞库部分设计参数 Table 1 Part of the design parameters 洞库 库容/ m3 洞跨/ m 洞高/ m 截面积/ m2 主洞室 间距/ m 洞库顶 标高/ m 丙烷50 万2226474. 736-146 LPG25 万1826399. 536-116 丁烷25 万1826399. 536-116 洞库围岩主要为微风化中粗粒黑云二长花岗 岩， 块体干密度 2. 67g/ m3， 吸水率 0. 22％， 干燥和饱 和单抽抗压强度分别为 76. 66 MPa 和 63. 97 MPa， 弹性模量 4. 50 MPa， 泊松比 0. 20， 87％的围岩为Ⅱ 级岩体， 11％ 的围岩为Ⅲ级岩体， 其他为Ⅰ级和Ⅳ 级。主洞室截面形状近似为 “鸡蛋形” 。为减小对 上部建 （构） 筑物及洞库围岩的爆破振动影响， 同时 考虑到方便开挖施工， 主洞室分顶层、 1 层台阶、 2 层 台阶、 3 层台阶共四台阶五部分施工。其中， 顶层包 含中导洞， 各台阶开挖高度分别为 8 m、 6 m、 6 m、 6 m。爆破设计采用非电毫秒雷管微差起爆， 凿岩 台车打眼， 炮孔直径 47 mm， 乳化炸药直径 32 mm， 周边眼、 底板眼采用间隔装药结构， 线装药密度为 200 g/ m， 即每间隔 50 cm 放置 1/3 节药卷， 其它炮 眼采用连续装药结构。 2 爆破振动监测 2. 1 监测仪器 爆破振动监测仪器采用 TC-4850 爆破测振仪。 TC-4850 爆破测振仪是一种新型、 轻巧、 携带方便且 专门为工程爆破设计的振动监测仪器， 是由成都中 科测控有限公司生产的新一代智能爆破测振仪， 近 年来在爆破振动测试中得到广泛的应用。该仪器可 靠易用， 配接相应的传感器能完成加速度、 速度、 位 移等动态过程的监测、 记录、 报警和分析， 自带电池 供电， 不需外接电源， 与传感器相连放置在测点处， 经过简单的参数设置后启动信号采集， 当地震波信 号传来时， 仪器便自动记录下整个态波动形， 记录完 毕后可通过 USB 接口与台式或笔记本电脑连接， 并 利用提供的配套软件进行数据处理和分析。 2. 2 监测内容 目前， 大量爆破振动的实践观测及理论研究工 作表明， 爆破地震波的破坏程度与介质质点的振动 速度大小有非常密切的相关性。在实际工作中， 对 于位移、 加速度、 速度等物理量， 也大都采用振动速 度作为衡量地震波强度的标准。以往的研究中由于 监测仪器或技术的限制， 每个测点通常只测试振动 速度的水平和竖直分量 ［2， 3］。这就不可避免地忽略 了立体空间三轴方向的某一方向分量。因此， 本次 爆破振动监测工作将利用 TC-4850 的三向测振仪， 同时监测质点振动速度的垂直分量 z 及水平径向分 量 x 和水平切向分量 y ［4］。 2. 3 测点布置 洞内的监测工作主要是研究爆破地震波作用下 洞室围岩及相邻洞室围岩的动力响应和累计损伤规 律。因此， 根据不同的监测目的 ［5］， 测点的布设也 会有所不同。图 1 中的测点布设主要是研究爆破振 动对相邻洞室围岩的影响。其中 2测点布于连通 巷道内， 其余 4 点布于主洞室内。 图 1 测点布置示意图 Fig. 1 Sketch map of measuring points 在安置传感器时， 为保证其与围岩岩体保持刚性 连接， 采用锚固剂进行固定。同时， 测点布置的位置 会因现场条件而受到一定的限制， 例如为了防止爆破 后产生的飞石砸坏仪器， 测点布置需要与爆破面之间 有一定的安全距离。图2 所示为洞内仪器安置。 3 监测数据分析 3. 1 数据处理 现场监测的数据见表 2。 74第 31 卷 第 4 期 支 伟， 吴 立， 袁 青 地下水封洞库爆破振动监测及分析 图 2 现场布置图 Fig. 2 Layout of field 表 2 爆破振动监测数据 Table 2 Monitoring data of blasting vibration 测点 x 振速分量/ （cms -1） yz 矢量合成/ （cms -1） 10. 3870. 9350. 5460. 947 20. 4980. 6451. 0461. 113 30. 5970. 8210. 7100. 836 40. 8551. 3151. 1001. 518 50. 2640. 2800. 4010. 495 洞库钻爆开挖时的爆破振动对洞室围岩的影响 主要与炮孔装药量及与爆源的距离有关。目前的研 究一般采用 MA 萨道夫斯基经验公式 V K Q1/3 R α （1） 式中 R 为测点与爆源的距离， m； Q 为最大单段装 药量， kg； V 为测点的最大振动速度， cm/ s； K 为介质 系数； α 为地震波衰减指数。 目前， 以萨道夫斯基经验公式为基本形式进行 拟合时多采用振动速度的竖直分量 ［3］， 但是， 振动 速度全量最大值与其竖直分量的最大值往往不在同 一时刻。如图 3 所示为 1测点三个分量合并显示 的爆破振动速度波形图， 其中振速的竖直分量最大 值在 0. 1355 s 测得， 图 4 所示为 1测点振速矢量合 成图， 振速的全量最大值在 0. 3078 s 测得。 图 3 爆破振动波形图 Fig. 3 Wave of blasting vibration 因此， 在使用最小二乘法进行拟合时， 采用振速 的全量最大值， 即矢量合成的最大值。 图 4 振速矢量合成图 Fig. 4 Vector resultant of vibration velocity 3. 2 回归分析 现场测得的参数见表 3。 表 3 现场相关参数 Table 3 The scene relevant parameter 测点 与爆源距 R/ m 炸药单耗/ （kgm -3） 炸药量 Q/ kg 振速全量 V/ （cms -1） 5820. 7230. 495 3550. 7230. 836 1500. 7230. 947 2430. 7231. 113 4350. 7231. 518 由萨道夫斯基经验公式变换得 ln V ln K α ln Q1/3 R （2） 将式 （2） 的一元非线性函数转化为一元线性函 数后进行回归分析 ［6］， 如图 5 所示。 图 5 线性回归分析 Fig. 5 Linear regression analysis 由线性回归分析图得出的洞库钻爆开挖时的爆 破振动衰减规律如下 V 148. 4 Q1/3 R 1. 30 （3） （下转第 67 页） 84爆 破 2014 年 12 月 ment in underground mining ［J］ . 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