深埋隧洞爆破开挖围岩振动能量分布特征与预测_涂颖.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；江西省自然科学基金项目（，）作者简介：涂颖（），女，湖北黄冈人，助理工程师，：。通讯作者：杨建华（），男，湖北荆州人，教授，博士研究生导师，：。第 卷第期 年月长安大学学报（自然科学版）（）涂颖，晏育松，杨建华，等 深埋隧洞爆破开挖围岩振动能量分布特征与预测 长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：深埋隧洞爆破开挖围岩振动能量分布特征与预测涂颖，晏育松，杨建华，章伟鹏，刘达（南昌大学 工程建设学院，江西 南昌 ；中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌 ；江西省水利科学院，江西 南昌 ）摘要：深埋隧洞爆破开挖引起的开挖面上地应力快速释放是诱发围岩振动的重要因素，为掌握深埋隧洞爆破开挖爆破荷载与地应力快速释放共同扰动下的围岩振动特性，针对锦屏地下实验室上层中导洞爆破开挖现场围岩振动监测，采用变分模态分解（）方法对爆破荷载产生的围岩振动和地应力快速释放诱发的围岩振动进行了分离，利用小波包分解方法研究了爆破振动和诱发振动的能量分布特征及其影响因素，构建了深埋隧洞爆破开挖爆破荷载与地应力快速释放共同作用激发围岩振动的预测模型。研究结果表明：爆破荷载产生振动的能量主要分布在 频带范围内，地应力快速释放诱发振动的能量主要分布在 频带范围内，诱发振动的频率明显低于爆破振动的频率；随着传播距离的增加，爆破振动和诱发振动低频范围内的能量占比均显著增加；装药量对爆破振动能量分布具有显著的影响，随着装药量的增加，爆破振动低频能量的占比增加；诱发振动的能量分布不受装药量和开挖面上地应力水平的影响，只与地应力释放持续时间和开挖面的大小有关；构建的以单响药量、单孔药量、炮孔个数、炮孔间距、爆心距、开挖面法向地应力、地应力释放持续时间为输入参数的基于遗传算法优化的神经网络模型 可实现深埋隧洞爆破开挖时，爆破荷载与地应力快速释放共同作用激发围岩振动的预测，预测的质点峰值速度（）相对误差为 ，预测的中心频率相对误差为。关键词：隧道工程；爆破开挖；围岩振动；小波包；能量分布；振动预测中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，（），（）（），：；引言中国“十四五”规划和 年远景目标提出“实施川藏铁路、西部陆海新通道、国家水网、雅鲁藏布江下游水电开发”等一批强基础、增功能、利长远的重大项目建设。上述交通、水利工程建设涉及一大批深埋长隧洞开挖，深埋隧洞开挖施工最显著的特点是岩体承受高地应力。如川藏铁路埋深超千米的隧洞有 座，隧洞最大埋深 ，实测最大地应力 以上；在建的滇中引水工程香炉山隧洞最大埋深 ，最大埋深处地应力接近 。钻孔爆破因其开挖成本低、地质条件适应性强，目前仍是深埋隧洞岩体开挖的主要手段。对于深埋隧洞高地应力岩体爆破开挖，除爆破荷载产生的地震波引起围岩振动（下文简称爆破振动）外，爆破开挖面上地应力快速释放也可诱发地震波引起围岩振动（下文简称诱发振动）。因此，研究深埋隧洞爆破开挖围岩振动的成分构成与振动特性以及相关的预测预报方法，对于深埋隧洞爆破开挖围岩动力稳定性评价与安全控制具有重要意义。对于岩体爆破开挖时爆破荷载引起的围岩振动，国内外学者开展了深入的研究，在爆破振动的产生机制、传播衰减规律、预测预报方法等方面取得了丰 硕的 研 究 成 果，主 要 从 理 论 模 型、数 值 模拟、振动信号测试等方面对爆破振动的产生机制开展研究。如 等研究了爆破荷载峰值压力与爆破振动能量之间的关系。李志文等研究第期涂颖，等：深埋隧洞爆破开挖围岩振动能量分布特征与预测了爆破荷载上升时间和持续时间对爆破振动幅值和频率的影响。陶铁军等研究了炸药爆炸能向爆破振 动 能 量 转 化 的 定 量 关 系 与 影 响 因 素。在爆破振动传播衰减规律研究方面，目前的研究主要集中在依据现场振动监测或数值模拟的手段确定其衰减指数，以及研究炸药类型、装药结构、孔网参数、爆区岩体性质及地质条件对衰减规律的影响。在爆破振动预测预报方法方面，研究者们依据大量的实测资料，提出了许多质点峰值振动速度（）的经验预测公式。针对常用的经验预测公式不能直接反映诸如炸药种类、装药结构、钻孔孔径等参数对质点峰值振动速度的影响问题，等基于短柱状药包激发应力波场的 解 推 导 了 爆 破 振 动 速 度 衰 减 预 测 公式。针对爆破振动影响因素众多的问题，近年来研究者们将神经网络、支持向量机等机器学习方法引入到爆破振动的峰值 振 速 预 测 中。然而，现有的研究成果大多是针对浅部岩体爆破，地应力未作为影响因素予以考虑。国内外对于深部岩体爆破开挖地应力快速释放诱发围岩振动的研究起步较晚，研究成果也相对较少。世纪 年代，等在研究地下核爆炸引起的地震波时，首先发现了核爆炸过程中岩体瞬间破碎引起的应变能快速释放可诱发水平剪切波，并指出高地应力条件下，应变能快速释放诱发地震波引起的地表振动甚至超过了爆炸地震波产生的地表振动。等针对深埋圆形长隧洞开挖，建立了开挖面上地应力释放诱发应力波传播的理论模型，指出爆破引起的开挖面上地应力快速释放足以诱发显著的应力波动。在此基础上，卢文波等指出深埋隧洞爆破开挖产生的围岩振动由爆破荷载与开挖面上地应力快速释放共同作用引起，并建立了二者共同作用激发围岩振动的力 学 模 型。此 后，基 于 上 述 理 论 模 型，等分析了地应力水平、地应力释放持续时间、开挖面大小对诱发振动质点峰值速度的影响，研究表明，地应力水平越高、地应力释放持续时间越短、开挖面尺寸越大，地应力快速释放诱发的围岩振动越强烈，当地应力达到 以上时，爆破开挖面上地应力快速释放可产生与爆破荷载相当的振动强度 。此外，等在研究深部岩体爆破开挖引起的围岩损伤时，也证明了爆破开挖面上地应力快速释放的动力扰动效应 。针对深埋洞室爆破开挖现场监测的围岩振动，严鹏等采用小波变换时能密度分析方法对诱发振动的到达时刻进行了识别。杨建华等分析了实测围岩振动的幅值频率特性，针对爆破振动与诱发振动中心频率的差异，通过引入变分模态分解（）方法，实现了爆破振动与诱发振动的分离。在地应力快速释放诱发围岩振动的预测方面，卢文波等基于柱面波理论，建立了适用于静水地应力场条件下圆形隧洞开挖时的振动强度预测公式。针对非静水地应力场条件和不规则开挖边界，范勇等采用量纲分析方法建立了基于开挖岩体应变能的诱发振动强度预测公式。尽管国内外在深部岩体爆破开挖地应力快速释放诱发围岩振动方面取得了一些研究进展，但目前还主要是采用理论分析和数值模拟的手段对诱发振动的 开展研究，有关现场实测诱发振动的能量分布特征还鲜有研究报道。此外，对于爆破荷载与地应力快速释放共同作用激发围岩振动的预测预报，也还鲜有涉及，相关研究成果难以很好地指导深部岩体工程的爆破设计。本文针对锦屏地下实验室深埋隧洞爆破开挖现场监测的围岩振动展开研究，首先采用方法对爆破振动和开挖面上地应力快速释放诱发的振动进行分离；然后采用小波包方法分别对爆破振动和诱发振动进行分解，统计不同频带上的能量占比，分析爆破振动和诱发振动的能量分布特征及其影响因素；最后将爆破开挖面上的地应力水平和地应力释放持续时间考虑在内，构建深埋隧洞爆破开挖爆破荷载与地应力快速释放激发围岩振动的基于遗传算法优化的神经网络（）预测模型。工程背景 工程概况锦屏地下实验室由条实验洞、条交通洞和相关辅助洞室组成，实验室埋深一般超过 ，最大埋深 ，工程区域实测最大主应力超 过 ，是典型的深部高地应力岩体工程。地下实验室围岩为 白山组大理岩，岩体以新鲜为主，完整性较好，岩石单轴抗压强度在 之间。实验洞长、宽、高为 、，采用钻爆法分层开挖，每层开挖高度分别为 、，如图所示。第层采用中导洞先行，两侧扩挖跟进的开挖方式；第层采用竖直孔梯段爆破的开挖方式；第层为保护层，采用水平孔光面爆破的开挖方式。长安大学学报（自然科学版）年上层中导洞开挖宽、高均为，采用毫秒延迟雷管分段起爆，延迟间隔时间 。炮孔直径，孔深，炮孔间距 。采用岩石乳化炸药爆破，药卷直径，掏槽孔 段 单 响 药 量 最 大，最 大 单 响 药 量 。为孔编号。图实验洞开挖程序与上层中导洞爆破设计 围岩振动监测在实验洞上层中导洞爆破开挖过程中进行了多次围岩振动监测。在距交通洞洞壁约 的围岩内部布置了个固定振动监测点，围岩振动监测测点布置与测试仪器如图所示。各监测点的高程大致相同，距交通洞底板约。随着开挖掌子 面的 推进，各 监 测 点 到 爆源中心的距离为 。每个测点布置台三向振动速度传感器监测水平垂直实验洞轴向、竖直向和 实 验 洞 轴 向 的 振 动 速 度。采 用 成 都 泰测科技有限公司生产的 型爆破测振仪进行围岩振动监测，最大量程 ，采样频率 。掏槽孔 段爆破时，由于单响药量最大、爆破开挖面上的地应力最高，且缺少自由面，爆破荷载与地应力快速释放产生的围岩振动都是最大的。因此，本文选取掏槽孔 段爆破时的单段振动信号进行分析。图围岩振动监测测点布置与测试仪器 图实测围岩振动速度时程曲线 第期涂颖，等：深埋隧洞爆破开挖围岩振动能量分布特征与预测爆破振动与诱发振动的分离以测点为例，掏槽孔 段爆破时监测到的围岩振动时程曲线如图所示。从图可以看到，由于爆破开挖面上的地应力释放伴随着炸药爆轰、岩体爆破破碎过程而发生，爆破振动与地应力快速释放诱发振动在时域上没有明显的分界点，这给单独研究爆破振动和诱发振动的能量分布特征带来了很大的不便。因此，首先需要对爆破振动和诱发振动进行有效分离。通过对大量的实测振动信号进行时频分析发现，由于爆破荷载上升时间远小于爆破开挖面上应力释放持续时间，爆破荷载激发振动的中心频率明显高于地应力快速释放诱发振动的中心频率，从而导致深埋隧洞爆破开挖围岩振动的幅值频率谱具有个明显的优势频带，其高频成分主要由爆破荷载引 起，而 低 频 成 分 主 要 由 地 应 力 快 速 释 放 引起。是一种自适应、完全非递归的模态变分和信号处理的方法，该方法可以自适应地确定所给信号的模态分解个数，并匹配每个模态分量的最佳中心频率和有限带宽，因而可以实现不同模态信号的有效分离。其基本原理是将原始信号分解为个有限带宽的固有模态函数（本文取），其中心频率为；为使各分解函数为具有中心频率的有限带宽的模态函数，同时使各模态函数的估计带宽之和最小，将约束条件定义为所有模态函数之和与原始信号相等；随后通过交替方向乘法算子（）迭代算法不断更新各固有模态函数及其中心频率，直至满足收敛条件，输出最终的和。根据爆破振动和诱发振动在中心频率上的显著差异，将方法引入深埋隧洞爆破开挖实测围岩振动信号分析，实现了爆破振动与诱发振动的分离，并验证了其可靠性，分离及验证过程详见文献 ，本文不再进行赘述。采用 方法对图中的实测围岩振动信号进行分解，分离得到的爆破振动与诱发振动时程曲线如图所示。经验算，图中的实测振动曲线为爆破振动曲线与诱发振动曲线的叠加。图分离的爆破振动与诱发振动速度时程曲线 围岩振动能量分布特征岩体爆破开挖产生的振动对周围结构的影响实质上是一种能量传递过程，振动能量综合体现了振动幅值、振动频率和振动持续时间等多个振动要素，是一个更加全面的爆破振动安全评价指标。因此，本节对分离得到的爆破振动和诱发振动进行单独分析，研究二者在不同频带上的能量分布特征。能量分布特征分析方法分解方法因受固有模态分量中心频率和有限带宽的限制，无法获得更加精细的频带划分。小波包分解方法是一种基于小波变换分析、时间和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法，在每层分解过程中可同时对信号低频和高频部分作进一步的分解，从而提高了信号的分辨率。因此，本节采用小波包方法分别对爆破振动和诱发振动进行进一步的分解，对比二者的能量分布特征。小波变换以及小波包分析方法的相关理论详见文献 。记（）为待分解的原始振动信号（为时间），其最高频率为，原始信号（）被分解至层后，第个子节点的信号表示为（）。子信号（）的频带范围为，该频带上振动信号的能量（）为（）（）（）式中：为子信号（）各离散点对应的幅值，；为离散信号的采样点数。原始振动信号（）的总能量为（）（）原始振动信号（）经小波包分解到第层时