地下厂房开挖爆破地震能量分布特征.pdf

第2 7 卷第2 期 2 0 1 0 年6 月 爆破 B L A S T I N G V o l - 2 7N o ．2 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 2 地下厂房开挖爆破地震能量分布特征水 李洪涛，杨兴国，高星吉，周家文，周宏伟 四川大学水利水电学院，成都6 1 0 0 6 5 摘要利用基于功率谱的爆破地震能量分析方法，针对向家坝隧洞掘进爆破和下部梯段爆破的地震能量 分布特征进行了研究，并与天然地震的能量特征进行了对比，分析结果表明地下厂房开挖爆破地震能量分 布对应频带宽度达到了2 0 0H z 以上，1 0 0I - I z 以上的能量成分占了超过8 5 ％，小于4 0H z 的能量比例非常小， 而天然地震的所有能量均分布在5m 以内的频段内。在地下厂房开挖爆破振动影响分析计算中，不论在荷 载，还是在计算方法的选取上，都应注意到爆破地震与天然地震在能量分布特征上的这种差别。 关键词爆破地震；能量；地下厂房；开挖；爆破 中图分类号T D 2 3 5 ．1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 0 5 0 5 S t u d yo nE n e r g yD i s t r i b u t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fB l a s t i n g V i b r a t i o ni nU n d e r g r o u n dP o w e r h o u s eE x c a v a t i o n uH o n g t a o ，Y A N GX i n g - g u o ，G A Ox 洫g - j i ，Z H O UJ i a w e n ，Z H O Ul - l o n g w e i S c h o o lo fW a t e rR e s o u r c ea n dH y d r o p o w e r ，S i c h u a nU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 0 6 5 ，C h i n a A b s t r a c t U t i l i z i n gt h ee n e r g ya n a l y s i sm e t h o do fb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l sb a s e do np o w e rs p e c t r u m ．t l l ee n e r g y d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs e i s m i cw a v 鹤i n d u c e db yt u n n e lb l a s t i n ga n db e n c hb l a s t i n gi nX i a n g j i a b au n d e r g r o u n d p o w e r h o u s ew e r es t u d i e d ．a n dw e mc o m p a r e dw i t l lo ft h ee a r t h q u a k ew a v e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tf o rM a s t i n gv i b r a t i o n i nt h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e ，t h ef r e q u e n c yb a n d w i d t ho fe n e r g yd i s t r i b u t i o ni so v e r p a s s2 0 0H z ，a n dt h er a t eo f e n e r g yc o m p o n e n to v e r1 0 0H za c c o u r l t sf o rm o r et h a n8 5p e r c e n t ．t h er a t eo fe n e r g yl o w e rt h a n4 0I - l zi sm u c hl e s s ． F o rt h ee a r t h q u a k e ，t h ef r e q u e n c yb a n do fe n e r g yd i s t r i b u t i o ni sf o c u s e do nf r o m0H zt o5H z ．F o ra n a l y z i n ga n dc a l c u l a f i n gt h eb l a s t i n gv i b r a t i o no fu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s ee x c a v a t i o n ，t h ed i f f r e n c eo fe n e r g yd i s t r i b u t i o ne h a m e t e f i s t i cb e t w e e nb l a s t i n gv i b r a t i o na n de a a h q u a k en om a t t e ro fl o a d i n go rc h o s i n gt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d ． K e yw o r d s b l a s t i n gv i b r a t i o n ；e n e r g yd i s t r i b u t i o n ；u n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e ；e x c a v a t i o n ；b l a s t i n g U 引罱 伴随着爆破作用而产生的爆破地震负面效应， 特别是爆破地震对周围建 构 筑物和设施所造成 的危害，越来越受到关注和重视。爆破地震效应研 究的目的之一，就是如何对爆破地震的危害作出准 收稿日期2 0 1 0 一0 1 2 5 作者简介李洪涛 1 9 7 9 一 ．男，博士，讲师，从事水利工程施工、工 程爆破等方面的研究，E ．m a i l h t l s c u ．e d u ．c n 。 基金项目教育部博士点新教师基金 2 0 0 8 0 6 1 0 1 0 3 9 ；四川I 省科技 支撑计划 2 0 0 8 S Z 0 2 3 2 ；四川I 大学青年科学基金 校青 2 0 0 8 0 4 2 确而又科学的评价。爆破振动具有典型的非平稳随 机信号特点，频率成分也非常丰富。爆破地震对建 筑物的影响实质上是一种能量的传递与转化过程， 这种传递与转化的过程受到爆破地震幅值及频率的 影响，即受到爆破地震波能量特征的影响，因此在研 究爆破地震对建筑物和结构的影响之前，有必要先 研究这个能量载体的特征，特别是爆破地震中能量 按照频率的分布特征【1J 。利用基于功率谱的爆破 地震能量分析方法，针对地下厂房开挖爆破地震能 量分布特征进行研究，并与天然地震的能量特征进 行对比分析，为地下工程开挖爆破振动影响的计算 万方数据 6爆破2 0 1 0 年6 月 和分析提供参考。 1 基于功率谱的爆破地震能量分析方法 对于爆破地震能量特征的研究，目前很多学者 采用小波变换方法Ⅲ】，但是这种方法不仅计算过程 比较复杂，而且其物理意义不容易被工程技术人员 理解，实际应用中有一定的难度。作者在相关研究 中提出了基于功率谱的爆破地震能量分析方法J ， 以下对该方法作简要介绍。 在爆破振动频谱分析中，功率谱密度并不代表 真正物理意义上的功率或者能量，但是功率谱密度 P S D j O 可以看作随机信号在单位频带内谐波分量 的能量按频率，分布的度量，换个说法，功率谱密度 表征了一定频率谐波分量能量的相对大小，因此可 以利用功率谱对爆破振动在一定频带范围内的能量 分布进行分析和研究。 对于爆破振动这一离散信号的频谱分析，得到 的是离散频率点上的功率谱值。假设对一爆破振动 信号口 t 因为目前爆破振动测试的物理量主要是 质点振动速度，所以这里用t ，来表示爆破振动过程 进行频谱分析，得到离散化的频率值系列f i 和对应 的功率谱密度值P S D ；，则对于特定频带范围 丘≤ ／瓯 内能量占振动总能量的比例可以表示为 ∑P S D i P E , 兰Z L P S D i 1 式中，P E t 表示频带范围 厶≤厂≤工 内的能量比重。 需要指出的是，如果爆破振动测试采样频率为丘，根 据奈奎斯特采样定理，爆破振动频谱分析的截止频 率为丘／2 ，所以式 1 中的分母部分求和时，是从 f o 到丘／2 之间的功率谱密度值求总和。 因此，对于特定的爆破振动信号，在进行频谱分 析后，如果将整个频率域分为若干段，根据式 1 ， 即可求得各频率区段内的能量比例大小，从而达到 定量分析爆破振动频率构成的目的，克服频谱分析 只能定性分析爆破振动频率分布的弊病。根据基于 功率谱的能量分析方法，编制了相关程序，对爆破地 震能量分布特征展开相关研究。 2 地下厂房各部位开挖爆破地震的能 量分布特征 在地下工程中，一般的隧洞开挖采用小孑L 径水 平孔掘进爆破，而对于大型地下洞室 如水电站地 下厂房 的下层开挖，就会采用垂直孔梯段爆破为 主的爆破方式。为了探讨不同爆源形式下的爆破地 震特征，下面对不同形式爆源诱发爆破地震的能量 分布规律进行研究。考虑爆源位置及形式，针对的 爆源主要包括隧洞掘进爆破和地下洞室下层梯段爆 破。为对地下厂房各部位开挖爆破地震的特性有清 楚的认识，针对2 类爆源，在向家坝地下厂房开挖中 各选取一组实例进行分析比较。 向家坝水电站是金沙江河流规划中的最下游一 级大型电站，电站装机容量64 0 0M W ，向家坝右岸 引水发电系统洞室群绝大部分位于微风化至新鲜岩 体内，厂房洞身以厚至巨厚层砂岩为主，地层产状较 平缓，地应力属中低量级，Ⅱ、Ⅲ类围岩所占比例为 8 6 ％。向家坝地下厂房共分1 0 层开挖，爆破振动监 测使用成都拓普数字设备有限公司生产的T O P B O X 爆破振动自动记录仪，传感器使用四J i I 省科学城金 桥传感器厂生产的速度传感器。 在主厂房I 层下游侧C Z 0 2 9 ．5 2 6 ．5m 扩 挖爆破过程中，进行了振动监测，测点布置于已开挖 成型顶拱拱脚岩壁处，测点与爆源距离介于2 0 ．6 6 3 ．6m 。实测水平径向振动波形及频谱图见图1 。 在主厂房Ⅲ层上游侧中部拉槽C Z 0 1 3 5 0 1 6 2 ．2 主爆区开挖爆破过程中，进行了爆破振动安 全监测，测点布置于主厂房已成型的边墙靠近底板 部位，测点与爆源距离介于1 8 ．5 ～4 4 ．6m 。实测水 平径向振动波形及频谱图见图2 。 表l 中列出了2 类爆源的钻爆参数。 表1 地下厂房开挖不同类型爆源钻爆参数表 利用能量分析程序，对图l 和图2 所列2 组爆 破振动实测速度波形进行能量分布计算，计算结果 见表2 和表3 。 为了更直观的比较不同爆源的爆破地震能量分 布特征，对计算结果进行统计分析，求取各频带的平 均能量百分比和主频率，如表4 中所示。另外针对 各频带平均能量百分比，绘出直方图以便进行对比 分析 见图3 。 从表4 和图3 中的对比分析，可以得到以下主 要结论 1 地下厂房开挖中，2 类钻孑L 爆破地震能量随 频率分布比较分散，从表4 和图3 ，以及爆破振动频 谱图中来看，地下工程爆破地震能量分布对应频带 万方数据 第2 7 卷第2 期李洪涛，杨兴国，高星吉，等地下厂房开挖爆破地震能量分布特征 7 宽度达到了2 0 0I - I z 以上。 } 帅 h‘上 k t 山一一．j r ’rf “ 一一_ j 1 ．一J L 一{ - 卜 』 u - I 。r l ‘ 一}肌 图1向家坝地下厂房顶拱层扩挖爆破 实测振动波形及频谱图 H 蝌忖‘⋯；i 巾晰岭哺 I 图2 向家坝地下厂房Ⅲ层中深孔梯段爆破 实测振动波形及频谱图 ] ，叫。一。 二一一毋一 i 一蝴一 一㈣～蜮 一●W * 一一0 脚，} 一㈣一 一m擎L 万方数据 8 爆破 2 0 1 0 年6 月 表2 地下厂房水平孔掘进爆破地震频带- 能量分布 表4 地下厂房开挖不同类型爆源爆破地震能量分布特性表 图3 地下厂房开挖不同类型爆源爆破地震能量分布直方图 2 对于上述2 种地下工程钻孔爆破地震而言， 0 一1 0H z 的低频段能量比例几乎为零，并且1 0 2 0 H z 的频段能量也非常少。 3 对于2 种地下工程爆破而言，1 0 0H z 以上的 能量成分的平均百分比超过了8 5 ％，4 0H z 以下的 能量比例非常小，这在爆破振动影响计算和振动控 制中也是一个值得注意的地方。 4 相对于水平孑L 掘进爆破而言，地下厂房下部 梯段爆破主要能量对应的频带 后面称主振频带 有向低频端移动的趋势，其中一个很明显的特征，就 是1 0 0H z 以上的能量比例相对减少，这在图3 中表 现较为直观。而下部梯段爆破诱发振动的平均主频 率也较水平孔掘进爆破小许多，地下厂房顶拱层扩 挖中，距离较近测点实测振动的主频率超过了3 0 0 H z ，各测点平均主频率为2 4 2H z ；下部梯段爆破振 动的平均主频率为1 4 2H z 。两者在主频和主振频 带上的差别，可能会使两者对周围结构或建 构 筑 物的影响有所区别。 3 地下厂房开挖爆破地震与天然地震 的能量特征对比 爆破地震是一种人工地震，与天然地震的区别 问题，许多学者从震源机制、频谱对比等方面开展了 研究川。下面从实例人手，对比研究两者在能量 特征方面的差别。 为了比较2 种地震的能量特征，选取峰值振速 值与天然地震相当的爆破地震波形进行分析，如图 2 所示，取地下厂房下部梯段爆破1 8 ．5m 处的振动 速度历程。天然地震振速历程是地震工程中常用的 T a f tN E 向数据，截取前1 6S 的地震过程进行分析。 天然地震的振速历程及频谱图见图4 ，能量分析的 结果见表5 。 2 0 r1 0 ；0 毒一1 0 - 2 0 芒 量 2 奢 奄 ≥ 蛊 t ／a T h e e a r t h q u a k ev e l o c i t yw a v e 8 h a p e 朋z P o w e r - S p e c t r u mo ft h ee a r ￡h q u a k ev e l o c i t yv i b r a t i o n 图4 天然地震速度波形及频谱图 万方数据 第2 7 卷第2 期李洪涛，杨兴国，高星吉，等地下厂房开挖爆破地震能量分布特征 9 注‘爆破地震振动历时按照0 ．4 5 s 计算。 从表5 中对比可以看出，2 者的振速峰值和平 均能量密度基本上一致，区别在于总能量和能量分 布。爆破地震能量基本上分布在1 0H z 以上，而天 然地震的所有能量均分布在5H z 以内的频段内。 在幅值 峰值能量 基本相当的情况下，天然地震频 率较低，并且跟一般建筑物和结构的自振频率相匹 配 可以理解为常见的共振现象 ，所以其带来的危 害性后果也要严重的多。总能量的差别体现了历时 的影响，天然地震的持续时间比爆破地震明显要长， 所以即便是较小幅值的天然地震，出现“塑性累积 损伤”这种破坏形式的几率比爆破地震也要大许 多‘8 ，9 1 。 4 结论 1 地下厂房开挖中，2 类钻孔爆破地震能量随 频率分布比较分散，地下工程爆破地震能量分布对 应频带宽度达到了2 0 0H z 以上；0 一l OH z 的低频段 能量比例几乎为零，并且l O 一2 0H z 的频段能量也 非常少；1 0 0H z 以上的能量成分的平均百分比超过 了8 5 ％。 2 相对于水平孔掘进爆破而言，地下厂房下部梯 段爆破主振频带有向低频端移动的趋势。而下部梯 段爆破诱发振动的平均主频率也较水平孑L 掘进爆破 小许多，地下厂房顶拱层扩挖近区爆破振动的平均主 频率超过了3 0 0H z ，各测点振动的平均主频率为2 4 2 H z 。下部梯段爆破振动的平均主频率为1 4 2H z 。 3 爆破地震与天然地震的主要区别在于总能 量和能量分布。天然地震的所有能量均分布在5 H z 以内的频段内。 因此，从结构和建 构 筑物破坏机理的角度理 解，爆破地震与天然地震最大的差别在于频率，特别 是能量分布的差异。地下工程爆破振动影响分析计 算中，不论在荷载，还是在计算方法的选取上，都应 该注意到爆破地震与天然地震在能量分布特征上的 这种差别。 参考文献 [ 1 ] 李洪涛．基于能量原理的爆破地震效应研究[ D ] ．武 汉武汉大学，2 0 0 7 ． [ 1 ] L IH o n g ．t a o ．S t u d yo nE f f e c to fB l a s t ．i n d u c e dS e i s m i cB a s e d o nE n e r g yT h e o r y [ D ] ．W u h a n W u h a nU n i v e r s i t y ，2 0 0 7 ． i n C h i n e s e [ 2 ] 娄建武，龙源，徐全军．小波分析在结构爆破振动响 应能量分析法中的应用[ J ] ．世界地震工程，2 0 0 1 ， 1 7 1 6 4 - 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2 2 7 ． i n C h i n e s e [ 5 ] 黄文华，徐全军，沈蔚，等．小波变换在判断爆破地 震危害中的应用[ J ] ．工程爆破，2 0 0 1 ，7 1 2 4 - 2 7 ，1 6 ． [ 5 ] H U A N GW e n h u a ，X UQ u a n - j u n ，S H E NW e i ，e ta 1 ．A p p l i c a t i o no fW a v e l e tT r a n s f o r mi nE v a l u a t i o no fB l a s t i n g V i b r a t i o nD a m a g e [ J ] ．Z n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 1 ，7 1 2 4 - 2 7 ，1 6 ． i nC h i n e s e [ 6 ] 宋光明．爆破地震效应与减震方法的探讨[ J ] ．世界采 矿快报，1 9 9 9 ，1 5 1 2 6 - 2 9 ． [ 6 ] S O N GG u a n g m i n g ．A p p r o a c ht oE f f e c to fB l a s tV i b r a t i o n a n dM e t h o d st oD e c r e a s eV i b r a t i o n [ J ] ．W o r l dM i n i n gE x ． p r e s s ，1 9 9 9 ，1 5 1 2 6 - 2 9 ． i nC h i n e s e [ 7 ]夏爱国，刘贤伦．利用乌鲁木齐遥测地震台记录识别 人工爆破与地震[ J ] ．内陆地震，2 0 0 2 ，1 6 4 3 3 7 - 3 4 5 ． [ 7 ] X I AA i g u o ，L I UX i a n ．h n ．R e c o g n i t i o no fA r t i f i c i a lE x - p l o s i o na n dE a r t h q u - a k eU s i n gt h eR e c o r d sa tt h eU 咖q i D i g i t a lT e l e m e t r yS e i s m i cs t a t i o n [ J ] ．I n l a n dE a r t h q u a k e ， 2 0 0 2 ，1 6 4 3 3 7 - 3 4 5 ． i nC h i n e s e 下转第1 3 页 万方数据 第2 7 卷第2 期 刘磊，汪旭光，杨溢，等不同敏化材料的乳化炸药抗深水压力性能的实验研究 1 3 4 0 ％ 3 0 ％ 2 0 ％ 1 0 ％ O0 ．1O ．2 压力脚P a 图52 。炸药的田、8 与压力关系曲线 OO ．1O ．20 ．30 ．4 压力I M P a 图63 ’炸药的r 1 ．0 与压力关系曲线 乳化基质虽然相同，但3 种炸药的抗压性能却 又显著的差别，主要由它们的敏化方式不同造成的。 在静水压力作用下，敏化气泡缩小和密度过分增大 是化学敏化乳化炸药爆轰性能下降的主要原因；单 位体积的热点相对较少和密度过分增大是珍珠岩敏 化乳化炸药爆轰性能下降的主要原因；单位体积的 热点相对较多是，玻璃微球敏化的乳化炸药密度过 分增大时爆轰性能依然下降不明显的主要原因。 2 在0 ～0 ．4M P a 静水压力作用范围内，玻璃 微球敏化乳化炸药炸药的0 曲线在田曲线上面；而 珍珠岩敏化乳化炸药、化学敏化乳化炸药的日曲线 都在曲线竹下面。 对玻璃微球敏化乳化炸药炸药的口曲线在竹曲 线上面，在静水压力作用下其爆速和猛度下降幅度 并不明显，可以用猛度和爆速的平方成正比来很好 的解释；而珍珠岩敏化的乳化炸药、化学敏化的乳化 炸药的0 曲线都在曲线叼下面，在静水压力作用下 2 种炸药的爆轰波衰减都很快，作用在铅柱上的爆 轰波比传到探针的爆轰波要强的多，所以猛度下降 幅度比爆速下降幅度要小。 3 在开始阶段，3 种炸药爆炸性能随水深的增 加下降幅度都较大；随着水深的继续增加，玻璃微球 和珍珠岩敏化的乳化炸药的爆炸性能随水深的增加 下降幅度变缓，而化学敏化的乳化乳化炸药爆炸性 能下降幅度继续增大。 在开始阶段，3 种炸药密度都过分增加使“热 点”的扩散和渗透困难，所以下降幅度较大，随着水 深的继续增加，对玻璃微球和珍珠岩敏化的乳化炸 药密度增加幅度有所下降，所以爆炸性能下降幅度 降低；而化学敏化的乳化炸药不仅密度增加幅度继 续增大，同时有效“热点”也大量减少，所以其所以 爆炸性能下降幅度继续增大。 水下爆破中乳化炸药的抗压性能的优劣对爆破 效果有很大的影响，特别是在利用珍珠盐敏化和化 学敏化的乳化炸药进行水下爆破施工时必须对乳化 炸药的抗压性能予以重视。 参考文献 [ 1 ] 张可玉，王兴雁，许明清．深水港水下炸礁的难题及对 策[ J ] ．爆破，2 0 0 6 ，2 3 2 8 5 - 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7 6 ． i nC h i n e s e [ 9 ] 胡冗冗，王亚勇．基于瞬时输入能量的长周期结构最 大位移反应推算[ J ] ．华中科技大学学报城市科学 版，2 0 0 6 ，2 3 4 1 0 0 - 1 0 4 ． [ 9 ] H UR o n g - t o n g ，W A N GY a y o n g ．E v a l u a t i o no fL 0 n g p e r i o dS t r u c t u r a lM a x i m u mD i s p l a c e m e n tR e s p o n s eo nM o - m e n t a r yi n p u tE n e r g y [ J ] ．J o u r n a lo fH u a z h o n gU n i v e r s i t y o fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y U r b a nS c i e n c eE d i t i o n ， 2 0 0 6 ，2 3 4 1 0 0 - 1 0 4 ． i nC h i n e s e 万方数据