全断面与台阶法爆破作用下围岩的振动特征.pdf
第4 6 卷第3 期 2 0 1 7 年6 月 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s V 0 1 .4 6N O .3 J u n .2 0 1 7 d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .1 0 0 1 1 8 3 5 2 .2 0 1 7 .0 3 .0 1 0 全断面与台阶法爆破作用下围岩的振动特征米 费鸿禄张超逸洪陈超 吕金齐 辽宁工程技术大学爆破技术研究院 辽宁阜新,1 2 3 0 0 0 [ 摘要]基于现场试验和实测数据,通过量纲分析,建立了全断面爆破与台阶法爆破时岩体振动主频与单段最 大药量及爆心距之间的函数关系,并进行了回归分析;通过声波试验,分析了在这两种爆破方式下,经过5 次爆破 作用后岩体的累积损伤规律。研究结果表明岩体的振动主频随单段最大药量和爆心距的增加而减少,台阶法爆 破比全断面爆破减少得更为迅速,而且相对于爆心距,单段最大药量对主振频率的影响更为显著;岩体在爆破作用 下的损伤呈现非线性累积规律,前3 次爆破对岩体损伤程度更深,且全断面爆破引起的岩体损伤较台阶法爆破更 为严重。 [ 关键词] 全断面爆破;台阶法爆破;量纲分析;振动主频;累积损伤 [ 分类号] T D 2 3 5 .1 ;0 3 8 2 .2 D y n a m i cR e s p o n s eo fS u r r o u n d i n gR o c ku n d e rF u l lF a c eo r B e n c hB l a s t i n gE x c a v a t i o n F E IH o n g l u ,Z H A N GC h a o y i ,H O N GC h e n c h a o ,L UJ i n q i B l a s t i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u t e ,L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y L i a o n i n gF u x i n ,1 2 3 0 0 0 [ A B S T R A C T ] D i m e n s i o n a la n a l y s i sw a sc o n d u c t e do nt h em e a s u r e dd a t aa n df i e l de x p e r i m e n t st oe s t a b l i s hf u n c t i o n a l r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a i nv i b r a t i o nf r e q u e n c yo fs u r r o u n d i n gr o c ks u b j e c t e dt of u l lf a c eb l a s t i n go rb e n c hb l a s t i n ga n d s i n g l em a x i m u ml o a d i n go rb l a s t i n gd i s t a n c e ,r e g r e s s i o na n a l y s i sw a st h e ne m p l o y e dt op r o c e s st h em e a s u r e dd a t a .A c o u s t i c s t u d yo nt h et w ob l a s t i n gm e t h o d sr e v e a l e dt h ea c c u m u l a t i v ed a m a g el a w o fr o c ki nf i v et i m e so fb l a s t i n g .R e s u l t ss h o wt h a t t h em a i nv i b r a t i o nf r e q u e n c yd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h em a x i m u ms i n g l ec h a r g ea n db l a s t i n gc e n t e rd i s t a n c e ,a n d t h i sd e c r e a s ei sm u c hm o r ef a s t e ri nb e n c hb l a s t i n gt h a ni nf u l lf a c eb l a s t i n g .E f f e c to ft h em a x i m u ms i n g l ed o s eo nt h em a i n v i b r a t i o nf r e q u e n c yi sm o r es i g n i f i c a n tt h a nt h a to fd i s t a n c e .I ts h o w san o n l i n e a ra c c u m u l a t i v ed a m a g ef o rr o c ku n d e rb l a s t i n ge f f e c t .T h ed a m a g ei sd e e p e ra tt h ef i r s tt h r e eb l a s t i n g ,a n dr o c kd a m a g ec a u s e db yf u l lf a c eb l a s t i n gi sm o r es e r i o u s t h a nt h a tc a u s e db yb e n c hb l a s t i n g . [ K E Y W O R D S ] f u l lf a c eb l a s t i n g ;b e n c hb l a s t i n g ;d i m e n s i o n a la n a l y s i s ;v i b r a t i o nf r e q u e n c y ;a c c u m u l a t i v ed a m a g e 引言 鉴于爆破具有经济、高效的特点,利用爆破开挖 岩石的方法被广泛应用于矿山、地下空间及交通运 输等岩土工程中。岩体是一种非均匀地质材料,长 期的地质作用可导致其内部存在大量随机分布的节 理裂隙、微孔洞与裂缝等缺陷[ 1 1 。L a n g e f o r s 等[ 2 ] 认 为,在爆破振动作用下,这些损伤进一步扩展,最终 导致岩体失稳破坏。因此,爆炸过程产生的巨大能 量,在破碎岩体并抛掷的同时,对开挖区周围的岩体 造成损伤,导致其力学性能恶化、完整性变差,从而 威胁岩体工程的安全稳定[ 3 ] 。为了了解岩体在爆 破中的损伤情况,在实际工程中,一般利用质点振动 速度来衡量爆破振动强度。目前,国内普遍使用萨 道夫斯基公式。4 1 来表达质点峰值振动速度的衰减 规律,并且该公式已经成为工程中控制爆破振动速 度的重要的理论依据∞引。同时,频率作为爆破振动 的重要特征之一,也得到了广泛的研究_ 7 圳。 很多学者对岩体在爆破作用下产生的损伤进行 了研究,阳生权等[ 1 叫分析了现场爆破地震波,阐述 { l } 收稿日期2 0 1 6 1 2 4 8 作者简介费鸿禄 1 9 6 3 一 ,男,教授,博导,主要从事工程爆破、地下工程教学和科研工作。E m a i l f e i h o n g l u 1 6 3 .c o i n 通信作者张超逸 1 9 9 2 一 ,男,硕士研究生,主要从事地下工程方面的研究。E m a i l 7 3 8 9 2 7 6 2 0 q q .c o n 万方数据 2 0 1 7 年6 月全断面与台阶法爆破作用下围岩的振动特征费鸿禄.等 了岩体中节理裂隙等不连续面的动载累积效应闫 长斌Ⅲ] 、刘明贵[ 1 2 ] 、R a m u l u [ 1 3 ] 等利用声波速度测 试试验,研究了爆破产生的岩体损伤及其累积效应. 得到了岩体爆破累积损伤与爆破次数之间的非线性 递增关系。然而,目前大多数爆破损伤与振动特征 的研究是针对某种爆破类型或者将各种爆破类型归 结在一起分析,关于不同爆破类型的对比分析比较 少见0 1 4 ] 。 本文中。以新鼓山隧道为工程背景,从岩体振动 主频和声波速度衰减两方面对比分析了采用全断面 与台阶法两种爆破方法时岩体的振动响应特征及其 与爆心距、起爆段药量之问的关系。 1 振动频率的量纲分析 大量的爆破振动试验表明.虽然在一定的爆破 方式下.影响爆破振动的主要因素是药量和爆源的 距离,但是,爆区的地质条件与传播介质的性质对爆 破振动也存在明显的影响。因此,可选择单段最大 药量p 、爆心距r 、岩体强度盯和岩石密度P 作为影 响爆破振动频率厂的主要物理量_ l5 | 。 根据7 r 定理_ J7 I ,爆破振动频率厂与p 、r 、盯和P 之间的函数关系可表示为 函 f ,Q ,r ,盯,P 。 1 选取Q 、r 、盯作为基本物理量,则有 7 r , r “,矿t 盯7 叽 2 7 r 2 r “z 矿O 7 2 p 。 3 对于式 2 ,其量纲公式为 [ r P 胪] [ £] 。[ M ] 9 ,[ £丁‘1 M ] 7 - [ 丁。1 ] 。 4 根据量纲和谐原理,有 f d l 7 l 0 ; { 一2 y l l 0 ; 5 旧l y l 0 。 解得“l 1 /2 ,卢l 1 /2 ,7 l 一1 /2 ,所以 叩厂.√等。 6 同理,对于式 3 ,有 驴告。 7 在一定范围内,参照萨道夫斯基公式,结合量纲 和谐原理,爆破振动频率相似准数方程的一般形式 可表示为 /.俘靠 譬 “。 8 2工程概况 拟建新鼓山隧道[ 1 6 ] 穿越福州市鼓山风景区,进 口位于福州市东山村东侧约4 0 0m ,分别在D K 5 2 0 5 、D K 5 2 3 0 下穿南三环和机场高速;出口位于福 州市魁岐村北侧的山坡上,线路分别在D K l 2 1 8 9 、 D K l 3 0 0 9 、D K l 3 3 1 9 自既有的温福铁路、福厦铁 路联络线隧道上方的立方体交叉通过。隧道起讫里 程D K 5 0 9 5 ~D K l 3 2 9 4 ,全长81 9 9m 。隧道的 最大埋深为3 9 3m 里程D K 7 7 2 0 处,地表山顶的 高程为4 3 0m 。除进、出口地段,隧道的最浅埋深 为9 7 .5m 里程D K I O 4 4 0 处,地表山顶的高程为 1 6 0 .3m 。 研究范围内的隧道属于Ⅱ级围岩,围岩为钾长 花岗岩,灰黄色、肉红色,中细粒花岗结构,块状构 造,节理裂隙稍发育,地下水不发育,风化程度较弱, 岩体的完整性较好。 围岩的相关力学参数见表1 。 表1 花岗岩力学参数 T a b .1M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fg r a n i t e 3 爆破振动监测 根据现场实际情况,在距离掌子面1 2 5m 处,每 隔5m 布置一个T C - - 4 8 5 0 振动传感器,每次设置7 个监测点。每个监测点上仪器的艽方向与隧道开挖 方向平行,如图1 。监测在全断面和台阶法爆破开 挖两种方式下围岩的振动特征。 .I £1 .王1 .王1 . .I .王I .三一k 』堑_ 一 一乙三乏姜 乡/钐“ 夕L 振动传感器王 一待开挖石t a 聋“ 移 曲 ∥∥ 图1 仪器布置 单位m F i g .1A r r a n g e m e n to fi n s t r u m e n t s u n i t m 3 .1 监测数据分析 以单段最大药量和爆源位置作为影响爆破振动 的两个主要因素[ 17 I ,结合岩石强度和密度对爆破作 用下振动主频的衰减规律进行了研究。 结合式 8 ,对全断面和台阶法爆破单段最大 万方数据 爆破器材第4 6 卷第3 期 药量为2 2 .8k g 、爆心距为1 2 5 ~1 5 5m 时的振动主 频 表2 进行了非线性回归分析 图2 。 表2 单段最大药量为2 2 .8k g 时 不同爆心距爆破的振动主频 T a b .2B l a s tv i b r a t i o nf r e q u e n c ya td i f f e r e n te x p l o s i o n d i s t a n c e sw i t ht h em a x i m u ms i n g l ed o s eo f2 2 .8k g 全断面爆破台阶法爆破 r /m { f H z r /m f /H z 图2 振动主频与爆心距之f 司的关系 F i g .2R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a i nv i b r a t i o n f r e q u e n c ya n dt h ed i s t a n c eo ft h ee x p l o s i o n 得到的振动主频随爆心距的变化关系为 全断面爆破 f 3 3 1 .4 2 r 加5 6 ”,R 2 0 .9 4 01 9 台阶法爆破 f 6 0 5 .9 8 r o 6 7 1 6 。R 2 0 .9 6 35 。 1 0 从回归公式式 9 、式 1 0 和图2 看出,在单段 最大药量相同的情况下,振动主频随爆心距的增加 不断减小,而且台阶法爆破产生的振动主频大于全 断面法爆破产生的振动主频,且衰减得更为迅速。 当爆心距为1 5 0m 时,不同单段最大药量作用 。下两种爆破方式的振动主频见表3 。 根据表3 的数据,利用式 8 对不同单段最大 药量与振动主频之间的关系进行了回归分析 图 3 。具体关系如下 全断面爆破 f 1 7 5 .6 8 Q 。06 5 ”,R 2 0 .9 5 89 ; 1 1 台阶法爆破 f 4 6 0 .7 1Q ‘0 9 18 8 ,R 2 0 .9 7 6 4 。 1 2 表3 距离爆源1 5 0m 处不同单段最大药量 爆破的振动主频 T a b .3B l a s tv i b r a t i o nf r e q u e n c yw i t hv a r i o u s m a x i m u mc h a r g ew e i g h t sa tt h ed i s t a n c eo f 15 0mf r o me x p l o s i o na r e a 全断面爆破台阶法爆破 Q /k gf /H zQ /k gf /H z 图3 振动主频与单段药量之间的关系 F i g .3R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a i n v i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dt h es i n g l ed o s e 从回归公式式 1 1 、式 1 2 和图3 可以看出, 在爆心距相同的情况下,振动主频随单段最大药量 的增加而不断减少.且台阶法爆破比全断面爆破衰 减得更加迅速。 综合上述可知。爆破产生的振动主频随单段最 大药量和爆心距的增加而减少,而且单段最大药量 对振动主频的影响更为显著。 3 .2 声速测试与分析 基于声波测试原理[ 18 | 。对隧道围岩在爆破动荷 载作用下产生的损伤效应进行了现场声波测试研 究。具体试验方案在距离掌子面5 .0m 处布置声 波测试孑L 如图4 ,孑L 间距为1 .0m 倾斜两孑L 间距 为1 .4m ,孔深为3 .6m .由于测试需要.孑L 与侧壁 的夹角为6 5 。~7 5 0 。表4 分别为两种爆破方式下5 图4声波孔现场布置图 F i g .4 S i t el a y o u to fa c o u s t i ch o l e s M”砣扒加磅博“M M H 万方数据 2 0 1 7 年6 月全断面与台阶法爆破作用下围岩的振动特征费鸿禄,等 表45 次爆破作用下岩体的累积损伤度 T a b .4A c c u m u l a t i v ed a m a g ed e g r e ef r o mf i v eb l a s t i n g 次爆破对岩体的损伤情况。 从表4 可以看出,在循环爆破作用下,岩体的损 伤呈现非线性累积规律台阶法爆破作用下.隧道围 岩的影响深度为1 .2 ~1 .6m 全断面爆破对围岩的 影响深度为1 .6 1 .8m 前3 次爆破对围岩的损伤 程度较为显著,随着爆心距的不断增加,损伤程度不 断减小,最终只引起岩体的弹性振动。损伤不会再增 加全断面爆破对围岩的损伤程度比台阶法爆破更 为严重。 4结论 对全断面与台阶法爆破作用下的围岩振动特征 进行了分析与对比。得出 1 隧道爆破作用下,岩体的振动主频随爆心距 的增加不断减少,且台阶法爆破振动主频衰减的程 度比全断面爆破更为迅速。 2 爆破作用下,隧道岩体的振动主频随单段最 大药量的增加不断减少;单段最大药量和爆心距相 同时,台阶法爆破的振动主频也高于全断面爆破;且 能看出。单段最大药量对振动主频的影响比爆心距 的影响更加显著。 3 爆破荷载作用下,岩石损伤的累积呈现非线 性。在5 次爆破荷载的过程中,前3 次爆破对岩体 的损伤最为明显.并且全断面爆破比台阶法爆破对 岩体的损伤程度更大。 参考文献 『1 ]闫长斌.爆破作用下岩石累积损伤效应及其稳定性研 究[ D ] .长沙中南大学,2 0 0 6 . Y A NCB .S t u d yo nc u m u l a t i v e d a m a g e e f f e c t sa n d s t a b i l i t yo fr o c km a s su n d e rb l a s t i n gl o a d i n g [ D ] .C h a n g s h a C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ,2 0 0 6 . [ 、2 ] L A N G F O R SU ,K I H L S T R O A MB .T h em o d e mt e c h n i q u e o fr o c kb l a s t i n g [ M ] .N e wY o r k J o h nW i l e ya n dS o n s I n c o r p o r a t i o n ,1 9 6 3 . [ 3 ] 杨建华,卢文波,胡英国,等.隧道开挖重复爆炸荷载 作用下围岩累积损伤特性[ J ] .岩土力学,2 0 1 4 ,3 5 2 5 1 1 - 5 1 8 . Y A N GJH ,L UWB ,H UYG ,e ta 1 .A c c u m u l a t e d d a m a g ei ns u r r o u n d i n gr o c k sd u et or e p e a t e db l a s t i n g l o a d sd u r i n gb l a s t i n ge x c a v a t i o no ft u n n e l s [ J ] .R o c ka n d S o i lM e c h a n i c s ,2 0 1 4 ,3 5 2 5 1 1 - 5 1 8 . [ 4 ]张雪亮,黄树棠.爆破地震效应[ M ] .北京地震出版 社.1 9 8 1 . [ 5 ] 李俊如,李海波,高建光,等.黄麦岭采场边坡爆破振 动响应研究[ J ] .岩石力学与工程学报,2 0 0 4 ,2 3 1 7 2 9 5 4 - 2 9 5 8 . ⅡJR ,L IHB ,G A OJG ,e ta 1 .R e s p o n s eo fH u a n g m a i l i n gr o c ks l o p et oe x p l o s i o n [ J ] .C h i n e s eJ o u r n a lo f R o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ,2 0 0 4 ,2 3 1 7 2 9 5 4 2 9 5 8 万方数据 5 6 爆破器材 第4 6 卷第3 期 『6 ]唐海,李海波.岭澳核电站二期工程基础开挖爆破震 动衰减规律[ J ] .爆破,2 0 0 8 ,2 5 4 8 8 9 1 . T A N GH .L IHB .A n a l y s i sf o r b l a s t i n g v i b r a t i o n a t t e n u a t i o nl a wi ng r o u n d w o r kd i g g i n gi nt h es e c o n d s t a g e p r o j e c ti nL i n g a oN u c l e a rP o w e rS t a t i o n [ J ] .B l a s t i n g , 2 0 0 8 .2 5 4 8 8 - 9 1 . [ 7 ]高富强,侯爱军,杨小林,等.基于量纲理论的爆破振 动频率分析[ J ] .爆破,2 0 1 0 ,2 7 3 1 - 3 ,8 . G A OFQ ,H O UAJ ,Y A N GXL ,e ta 1 .A n a l y s i so fb l a s t i n g v i b r a t i o n f r e q u e n c y b a s e do nd i m e n s i o n a lm e t h o d [ J ] .B l a s t i n g ,2 0 1 0 ,2 7 3 1 3 ,8 . [ 8 ] 杨建华,卢文波,严鹏,等.全断面开挖爆破产生的自 由面对振动频率的影响研究『J ] .振动与冲击,2 0 1 6 , 3 5 7 1 9 2 1 9 7 . Y A N GJH ,L UWB ,Y A NP ,e ta 1 .I n f l u e n c eo fb l a s t c r e a t e df r e es u r f a c e so n b l a s t i n g v i b r a t i o nf r e q u e n c i e s d u r i n gf u l l .f a c ee x c a v a t i o n 『J ] .J o u r n a lo fV i b r a t i o na n d S h o c k ,2 0 1 6 .3 5 7 1 9 2 1 9 7 . [ 9 ]胡冬冬,程康,刘阳,等.频率因素对爆破振动影响的 分析探讨[ J ] .爆破,2 0 1 2 ,2 9 4 1 2 7 1 3 0 . H UDD ,C H E N GK ,L I UY ,e ta 1 .D i s c u s s i o no fb l a s t i n g v i b r a t i o ne f f e c to nf r e q u e n c yf a c t o rc o n d i t i o nJ1 .B l a s t i n g ,2 0 1 2 ,2 9 4 1 2 7 1 3 0 . [ 1 0 ]阳生权,吕中玉,刘宝琛.隧道围岩爆破地震累积效 应研究『J ] .地下空间与工程学报,2 0 0 7 ,3 8 1 4 5 1 1 4 5 4 . Y A N GSQ ,L DZ Y ,L I UBC .S t u d yo nb l a s t i n gs e i ’s m i c c u m u l a i t v ee f f e c t so fr o a dt u n n e la n di t ss u r r o u n i d n g r o c k s [ J ] .C h i n e s eJ o u r n lo fU n d e r g o u n r dS p a c e a n d E n g i n e e r i n g ,2 0 0 7 ,3 8 1 4 5 1 1 4 5 4 . 『1 1 ]闫长斌.基于声速变化的岩体爆破累积损伤效应 [ J ] .岩土力学,2 0 1 0 ,3 1 增刊1 1 8 7 1 9 2 . Y A NCB .B l a s t i n gd a m a g ec u m u l a t i v ee f f e c t o fr o c k m a s sb a s e do ns o u n dv e l o c i t yv a r i a t i o n [ J ] .R o c ka n d S o i lM e c h a n i c s ,2 0 1 0 ,3 1 s u p p l .1 1 8 7 1 9 2 . [ 1 2 ]刘明贵,张国华,刘绍波,等.大帽山小净距隧道群中 夹岩累计损伤效应研究[ J ] .岩石力学与工程学报, [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 ] 2 0 0 9 ,2 8 7 1 3 6 3 1 3 6 9 . L I UMG ,Z H A N GGH ,L I USB ,e ta 1 .R e s e a r c ho n a c c u m u l a t i v e d a m a g e e f f e c t o f i n t e r l a i dr o c ki n D a m a o s h a nT u n n e lg r o u pw i t hs m a l l c l e a rd i s t a n c e [ J ] . C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g , 2 0 0 9 ,2 8 7 1 3 6 3 1 3 6 9 . R A M U L UM ,R A I N AAK ,C H O U D H U R YPB ,e ta 1 . E f f e c to fr e p e a t e db l a s tv i b r a t i o n so nd a m a g ei n t e n s i t yo f g r a n i t i cr o c km a s sa t a nh y d r o e l e c t r i cc o n s t r u c t i o np r o j e c t [ J ] .J o u r n a lo fM i n e s ,M e t a l sa n dF u e l s ,2 0 0 9 ,5 7 5 /6 1 4 8 1 5 5 . 杨风威,李海波,刘亚群,等.台阶与预裂爆破岩体振 动特征的对比研究[ J ] .煤炭学报,2 0 1 2 ,3 7 8 1 2 8 5 一 1 2 9 1 . Y A N GFW ,L IHB ,L I UYQ ,e ta 1 .C o m p a r a t i v e s t u d yo nv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fr o c km a s si n d u c e db y b e n c hb l a s t i n ga n dp r e s p l i t l i n gb l a s t i n g [ J ] .J o u r n a lo f C h i n aC o a lS o c i e t y ,2 0 1 2 ,3 7 8 1 2 8 5 1 2 9 1 . 夏英杰.爆破振动对矿山岩体边坡损伤弱化规律研 究f D l .阜新辽宁工程技术大学,2 0 1 2 . 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