隧洞開挖爆破空氣超壓誘發(fā)圍巖振動(dòng)機(jī)理

陳 明， 何文學(xué)， 盧文波， 王高輝， 郭天陽， 冷振東

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.武漢大學(xué) 水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

隧洞開挖爆破空氣超壓誘發(fā)圍巖振動(dòng)機(jī)理

陳 明1,2， 何文學(xué)1,2， 盧文波1,2， 王高輝1,2， 郭天陽1,2， 冷振東1,2

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.武漢大學(xué) 水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

基于河北豐寧抽水蓄能電站地質(zhì)探洞中爆破試驗(yàn)獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，理論分析和數(shù)值模擬研究了隧洞開挖爆破空氣沖擊波超壓誘發(fā)圍巖振動(dòng)的機(jī)理及特性。結(jié)果表明，小斷面隧洞爆破空氣沖擊波超壓較大并將誘發(fā)圍巖振動(dòng)，該振動(dòng)具有振速高、持續(xù)時(shí)間長和衰減慢等特征；空氣沖擊波超壓誘發(fā)的圍巖受迫振動(dòng)發(fā)生時(shí)間受空氣沖擊波傳播速度控制；誘發(fā)振動(dòng)可分為空氣沖擊波超壓作用于前部圍巖產(chǎn)生并經(jīng)圍巖傳播過來的振動(dòng)，和空氣沖擊波超壓傳播到圍巖壁面直接引起的振動(dòng)。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)受迫振動(dòng)經(jīng)圍巖傳播時(shí)衰減很快，所以測點(diǎn)的振動(dòng)主要是由于空氣沖擊波超壓直接作用于洞壁造成的圍巖振動(dòng)。

鉆孔爆破；隧洞；振動(dòng)速度；空氣沖擊波超壓

水利水電、交通、采礦等工程領(lǐng)域均涉及到大量的隧洞開挖工作，隧洞開挖爆破中會(huì)產(chǎn)生地震波、空氣沖擊波超壓、爆破飛石、有害氣體等有害效應(yīng)。實(shí)際爆破中產(chǎn)生的能量只有20%～30%用來破碎巖石，其余能量被地震波、空氣沖擊波超壓、爆破飛石等消耗掉，其中地震波和空氣沖擊波超壓攜帶能量最多，不僅影響地下洞室的安全和穩(wěn)定，而且危及人類生命和財(cái)產(chǎn)的安全。

眾多研究者對(duì)鉆孔爆破振動(dòng)及空氣沖擊波超壓傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。閆鴻浩等[1-3]采用現(xiàn)場試驗(yàn)分析了爆破振動(dòng)的傳播規(guī)律； Resende等[4]提出了應(yīng)力波傳播途徑和局部峰值在爆破振動(dòng)控制中的重要性；Ahmed等[5]提出了爆破振動(dòng)作用下隧洞中噴射混凝土的安全控制措施，趙振國等[6]研究了爆破振動(dòng)對(duì)二次噴護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。隧洞開挖爆破空氣沖擊波超壓方面的研究也有大量成果，Pennetier等[7]論證了隧道中爆炸遠(yuǎn)區(qū)空氣沖擊波傳播規(guī)律類似為一維應(yīng)力波。Kuzu等[8-9]研究了隧洞爆破開挖空氣沖擊波超壓對(duì)人和結(jié)構(gòu)的危害。張文煊等[10]研究了巷道爆破中空氣沖擊波超壓的傳播規(guī)律，認(rèn)為空氣沖擊波超壓在沿巷道傳播時(shí)，在開挖面近區(qū)衰減最快，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，沖擊波的衰減比在自由空間慢。田志敏等[11]通過數(shù)值模擬研究了隧道內(nèi)爆炸空氣沖擊波超壓流場，分析了上下壁面壓力峰值隨爆心距的衰減規(guī)律。楊科之等[12]用量綱分析法研究了坑道內(nèi)爆炸空氣沖擊波超壓的傳播規(guī)律，得到坑道內(nèi)沖擊波的超壓峰值和作用時(shí)間較自由空氣中都有增大。朱傳云[13]在研究隧洞輪廓爆破過程中，監(jiān)測到空氣沖擊波超壓會(huì)造成圍巖壁面振動(dòng)，并將此解釋為空氣沖擊波超壓誘發(fā)的拍振現(xiàn)象。Albert等[14]的研究也發(fā)現(xiàn)，在近地表爆炸時(shí)地面先后產(chǎn)生兩次振動(dòng)，第一次振動(dòng)是由于地震波引起，第二次振動(dòng)由空氣中傳播的壓力即空氣超壓所引起。

綜合以上分析可見，已有研究重點(diǎn)在爆破地震波和空氣沖擊波超壓的傳播與衰減規(guī)律，對(duì)于隧洞爆破開挖空氣沖擊波超壓誘發(fā)的圍巖振動(dòng)的研究相對(duì)較少。本文基于河北豐寧抽水蓄能電站地下廠房地質(zhì)探洞鉆孔爆破試驗(yàn)資料，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究隧洞開挖爆破中空氣沖擊波超壓誘發(fā)圍巖振動(dòng)的機(jī)理及特性，為合理評(píng)價(jià)空氣沖擊波超壓導(dǎo)致的振動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定及其他設(shè)施安全的影響提供參考。

1 豐寧抽水蓄能電站二期工程鉆孔爆破試驗(yàn)

豐寧抽水蓄能電站位于中國河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，豐寧抽水蓄能電站規(guī)劃裝機(jī)容量3 600 MW，為世界上裝機(jī)容量最大的抽水蓄能電站。為了研究地

下廠房系統(tǒng)施工過程中的爆破有害效應(yīng)影響，利用工程地質(zhì)探洞，進(jìn)行了鉆孔爆破試驗(yàn)，分析振動(dòng)及空氣沖擊波超壓的傳播與衰減規(guī)律。

1.1 爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)

地下廠房地質(zhì)探洞的掌子面進(jìn)行淺孔掏槽爆破試驗(yàn)，馬蹄形探洞斷面高和寬分別為2.1 m與1.8 m。掏槽爆破采用中間有大空孔的直孔掏槽方式，炮孔布置在探洞開挖掌子面，如圖1和圖2所示。使用乳化炸藥，每個(gè)炮孔裝兩發(fā)非電半秒延期雷管，采用0.5 s微差起爆網(wǎng)路，分兩段起爆，起爆網(wǎng)路圖，如圖2所示，爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，見表1。

圖1 炮孔位置及監(jiān)測點(diǎn)布置圖Fig.1 Arrangement of blastholes and measurement points

圖2 淺孔掏槽爆破炮孔平面布置及起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 Arrangement of shallow cut blastholes and sketch map of detonating network表1 水平鉆孔爆破試驗(yàn)參數(shù)表Tab.1 Horizontal drilling blasting experiment parameters

炮孔名稱鉆孔參數(shù)雷管段別孔徑/mm孔深/cm孔距*/cm孔數(shù)裝藥參數(shù)藥卷直徑/mm裝藥長度/cm堵塞長度/cm單孔藥量/kg單響藥量/kgI圈掏槽孔0.5s1段4235012432270802.710.8II圈掏槽孔0.5s2段4235020432270802.710.8大空孔/76400/1/////合計(jì)921.6*:孔距為掏槽孔到大空孔的中心距離

1.2 爆破振動(dòng)及空氣沖擊波超壓測試

在探洞中布置一條爆破振動(dòng)測試線，如圖1所示。每個(gè)測點(diǎn)相對(duì)于爆源具有水平徑向、水平切向及垂直向三個(gè)方向，獲得了掏槽爆破的爆破振動(dòng)的傳播與衰減規(guī)律。試驗(yàn)中在圖1所示的3#～9#測點(diǎn)布置TC-4850爆破測振儀，其中5#及8#測點(diǎn)由于施工影響，沒有測得數(shù)據(jù)。另外，在圖1所示的1#、2#和10#測點(diǎn)位置，利用Minimate Pro4振動(dòng)及過壓監(jiān)測儀，監(jiān)測爆破振動(dòng)速度。

圖1所示的1#、2#和10#測點(diǎn)同時(shí)用作空氣沖擊波超壓的監(jiān)測點(diǎn)，測試空氣沖擊波超壓的分布規(guī)律。

1.3 爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場測試得到了爆破振動(dòng)及空氣沖擊波超壓測試數(shù)據(jù)。需要說明的是，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)由于現(xiàn)場條件限制，炮孔堵塞段僅使用了泡濕的紙片，測得空氣沖擊波超壓峰值嚴(yán)重超過設(shè)備的量程，但測試結(jié)果顯示了該隧洞中空氣沖擊波超壓峰值大、持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)。

選取典型測點(diǎn)2#和3#振動(dòng)波形圖，如圖3所示。并分析所有測點(diǎn)的振動(dòng)波形可知，振動(dòng)波形都可以分為三段。

(a) 2#測點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線

(b) 3#測點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線圖3 典型測點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線(2#、3#測點(diǎn))Fig.3 Recoded particle vibration velocity-time histories of typical measurement points (at 2# and 3#)表2 各測點(diǎn)空氣沖擊波超壓傳播速度Tab.2 The propagating velocity of air overpressure at all measurement points

測點(diǎn)編號(hào)爆心距/m首段爆破振動(dòng)波起波時(shí)刻t1/ms起爆到起波間隔時(shí)間t0/ms第二段爆破振動(dòng)波振動(dòng)峰值/(cm·s-1)起波時(shí)刻t2/ms移動(dòng)速度/(m·s-1)224.30.97.41.5753.0408.4338.4-0.511.71.6191.0372.1450-0.415.20.59121.0366.0678.9-1.324.01.12195.0363.1789.9-1.327.30.65228.0350.49116.1-1.035.30.58290.0355.810124.3-0.137.81.44312.0355.2

由試驗(yàn)設(shè)計(jì)可知，起爆網(wǎng)路僅設(shè)計(jì)了兩段，而實(shí)際監(jiān)測到了三段振動(dòng)波形，考慮到起爆網(wǎng)路中采用的是半秒延期雷管，半秒延期雷管的誤差較大，分析認(rèn)為振動(dòng)波形中的第一段和第三段是爆破地震波產(chǎn)生的振動(dòng)。

分析第二段振動(dòng)波的特征發(fā)現(xiàn)，其具有振速較高、持續(xù)時(shí)間長和衰減較慢的特點(diǎn)。第二段振動(dòng)波的特性與爆破地震波的振動(dòng)特性相比，存在比較明顯的差異，根據(jù)朱傳云及Albert的研究成果，初步判斷認(rèn)為，該段振動(dòng)波的產(chǎn)生與空氣沖擊波超壓有密切的聯(lián)系。

2 豐寧試驗(yàn)空氣超壓峰值及其誘發(fā)振動(dòng)的理論分析

2.1 空氣沖擊波超壓誘發(fā)振動(dòng)的移動(dòng)速度

統(tǒng)計(jì)所有測點(diǎn)第一段和第二段振動(dòng)的起波時(shí)刻見表2，可以發(fā)現(xiàn)，第二段振動(dòng)在洞室軸線方向出現(xiàn)的時(shí)刻有一定規(guī)律。根據(jù)空氣沖擊波超壓的傳播特性，初步判斷第二段波形是由于首段爆破產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓在小斷面洞室中傳播誘發(fā)的振動(dòng)。爆破試驗(yàn)的第二段爆破后也有空氣沖擊波，但第一段爆破產(chǎn)生的空腔及臨空面作用，大大降低了空氣沖擊波的強(qiáng)度。

根據(jù)地震波理論，圍巖中的地震波縱波波速vP，可由式(1)估算

(1)

式中：E為巖石彈性模量；ν為泊松比；ρ為巖石密度。試驗(yàn)區(qū)巖體E =24GPa；泊松比為0.24；密度為2 610kg/m3。

由此先計(jì)算得首段波在巖體中傳播的縱波波速約為3 292m/s，結(jié)合已知爆心距和各時(shí)間求出第二段振動(dòng)在隧洞軸線方向的移動(dòng)速度，結(jié)果如表2所示(其中1#測點(diǎn)由于距爆源較近，第一段與第二段重疊，分不清第二段起波時(shí)間)。可以發(fā)現(xiàn)第二段振動(dòng)波的移動(dòng)速度略大于音速。眾所周知，爆破產(chǎn)生的高溫高壓氣體隨著巖塊沖出，爆破瞬間在爆源近區(qū)壓縮周圍空氣，使周圍空氣形成壓力很高的初始空氣沖擊波超壓，接著從爆心傳播出去，傳播速度略大于擾動(dòng)空氣的聲速[15]，并且隨爆心距增加而衰減，根據(jù)空氣沖擊波超壓的傳播特性，初步判斷第二段波形是由于首段爆破產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓在小斷面洞室中傳播誘發(fā)的振動(dòng)。

2.2 隧洞中空氣沖擊波超壓的估算

實(shí)際監(jiān)測中未獲得空氣沖擊波超壓峰值，為驗(yàn)證上述分析結(jié)論，需要采用其他方法分析爆破試驗(yàn)時(shí)各測點(diǎn)處的空氣超壓峰值。在井下和巷道爆破中，《爆破安全規(guī)程實(shí)施手冊(cè)》[16]中的空氣沖擊波超壓計(jì)算公式為

(2)

式中：ΔP為井下空氣沖擊波超壓，kPa；q為TNT炸藥重量，kg；試驗(yàn)所用為乳化炸藥，乳化炸藥與TNT之間的當(dāng)量系數(shù)取0.708，轉(zhuǎn)化為TNT炸藥q=7.65kg；my為炸藥能量轉(zhuǎn)換為沖擊波系數(shù)；R為距爆源距離，m；∑S為與藥包毗連的巷道總面積，m2；β 為巷道表面粗糙性系數(shù)；dn為巷道的直徑，m。

計(jì)算參數(shù)，如表3所示。利用上述空氣沖擊波超壓計(jì)算公式計(jì)算得豐寧試驗(yàn)中2#測點(diǎn)超壓峰值為93.2kPa。

表3 井下空氣沖擊波超壓計(jì)算參數(shù)取值Tab.3 Underground air shock wave calculation parameter

結(jié)合上述公式，計(jì)算空氣沖擊波超壓沿隧洞方向傳播140 m的峰值衰減曲線，如圖4所示。由圖4可知，空氣沖擊波超壓峰值沿隧洞方向衰減較快。而且由式(2)也可知，隧洞斷面面積增大，空氣沖擊波超壓將迅速降低。

圖4 空氣沖擊波超壓沿隧洞方向傳播的峰值衰減曲線Fig.4 Attenuation curve of peak air shock wave propagating along the tunnel

對(duì)于隧洞圍巖壁面的某一點(diǎn)，空氣沖擊波超壓為擾動(dòng)荷載，在該點(diǎn)可產(chǎn)生兩次振動(dòng)，首先出現(xiàn)的振動(dòng)是空氣沖擊波超壓作用于前部圍巖產(chǎn)生的經(jīng)隧洞圍巖傳播過來的振動(dòng)波，其后出現(xiàn)的是空氣沖擊波超壓傳播到該點(diǎn)由空氣超壓直接引起的振動(dòng)。應(yīng)用一維應(yīng)力波理論估算空氣超壓直接誘發(fā)的振動(dòng)峰值。基于一維應(yīng)力波理論，圍巖應(yīng)力與振動(dòng)速度具有如下規(guī)律：

σ=ρCv

(3)

式中：σ為圍巖應(yīng)力；ρ為介質(zhì)密度；C為縱波波速；v為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

彈性應(yīng)力波從一種介質(zhì)傳到另一種介質(zhì)時(shí)，在界面上會(huì)發(fā)生反射和透射。由于空氣沖擊波波阻抗遠(yuǎn)小于巖體波阻抗。所以透射應(yīng)力擾動(dòng)近似為入射應(yīng)力擾動(dòng)的2倍。

以2#測點(diǎn)處的相關(guān)參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，取式(2)計(jì)算得到空氣超壓峰值為93.2kPa，考慮空氣沖擊波在壁面發(fā)生的反射和透射，實(shí)際透射的應(yīng)力擾動(dòng)最大值約為186.4kPa。該處圍巖密度變化范圍2 250～2 650kg/m3，縱波波速2 500～5 000m/s。代入式(3)計(jì)算，隧洞圍巖壁面的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值約為1.41～3.39cm/s。此范圍與實(shí)際監(jiān)測到的振動(dòng)數(shù)據(jù)基本一致，進(jìn)一步說明實(shí)測的第二段振動(dòng)波形，是由空氣沖擊波超壓作用于隧洞圍巖上所誘發(fā)的圍巖受迫振動(dòng)。

同理，利用式(2)計(jì)算其他測點(diǎn)振動(dòng)峰值范圍，并與實(shí)測值作比較，如圖5所示。可以得到，實(shí)測振速峰值基本處于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得振速峰值范圍內(nèi)，由于小斷面隧洞中空氣沖擊波超壓衰減相對(duì)較慢，才導(dǎo)致距離爆源較遠(yuǎn)處空氣沖擊波超壓誘發(fā)的圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度略大于計(jì)算得到的振速峰值。

圖5 計(jì)算與實(shí)測振動(dòng)峰值的對(duì)比Fig.5 Comparison of PPV between theoretical predicting and site monitoring at different measurement points

3 空氣沖擊波超壓誘發(fā)圍巖振動(dòng)的數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值分析模型與參數(shù)

采用數(shù)值模擬方法進(jìn)一步分析空氣沖擊波超壓誘發(fā)圍巖振動(dòng)的機(jī)理及其特性，比較超壓作用于測點(diǎn)直接誘發(fā)的振動(dòng)和其經(jīng)過圍巖傳播到更遠(yuǎn)測點(diǎn)時(shí)衰減后的振動(dòng)。應(yīng)用Ansys-Lsdyna軟件，根據(jù)地質(zhì)探洞尺寸及圍巖屬性，取距離開挖掌子面24.3～39.3m范圍內(nèi)的圍巖，建立數(shù)值分析模型，模型大小為20m×20m×15m，圍巖四周和前后面均加無反射邊界，如圖6。探洞斷面為1.8m×2.1m的馬蹄形。在模型2# 測點(diǎn)直接加載，而在3#測點(diǎn)不加荷載，觀察2# 測點(diǎn)的誘發(fā)振動(dòng)和其經(jīng)過圍巖傳播到3# 測點(diǎn)時(shí)衰減后的振動(dòng)。模擬中選取實(shí)測2# 測點(diǎn)垂直向0～300ms振動(dòng)速度時(shí)程曲線作為速度荷載。作用在距離開挖掌子面24.3m的模擬2# 測點(diǎn)所在斷面節(jié)點(diǎn)上，速度荷載曲線，如圖7所示。

圖6 計(jì)算模型Fig.6 Numerical simulation model

圖7 模擬速度荷載曲線(2#測點(diǎn)垂直向前300 ms)Fig.7 Velocity-time histories of modeling (vertical, at 2#, 0-300 ms)

根據(jù)中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院提供的試驗(yàn)區(qū)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)建議值，數(shù)值模擬采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)，如表4所示。

表4 巖體物理力學(xué)參數(shù)Tab. 4 Physical and mechanical parameters of rock mass

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

依次沿洞軸線方向距離開挖面24.3 m、38.4 m(3#測點(diǎn))處取洞底表面中間節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線，如圖8所示。

(a)2#測點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程圖

(b) 3#測點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程圖 圖8 典型點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程圖Fig.8 Simulated particle vibration velocity-time histories of the typical points

對(duì)比圖8(a)～圖8(b)，可見荷載施加處即2#測點(diǎn)處垂直向壁面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值為1.650 cm/s，與該點(diǎn)現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)測的振動(dòng)峰值基本一致，并且與一維應(yīng)力波理論分析的結(jié)果相當(dāng)。此振動(dòng)沿巖石傳播到3#測點(diǎn)處時(shí)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值只有0.020 cm/s，對(duì)比地震波造成的振動(dòng)，可以得到空氣沖擊波超壓直接作用點(diǎn)造成的振動(dòng)峰值與地震波造成的振動(dòng)峰值接近甚至更大，而且空氣沖擊波超壓誘發(fā)的圍巖振動(dòng)沿洞壁方向傳播過程中衰減很快。但是，實(shí)際空氣沖擊波超壓在隧洞空氣中傳播時(shí)，由于洞壁反射作用，空氣沖擊波超壓的衰減較慢，導(dǎo)致空氣沖擊波超壓誘發(fā)的圍巖振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很長。可見，現(xiàn)場試驗(yàn)中監(jiān)測得到的第二段振動(dòng)波形主要是由于空氣沖擊波超壓直接作用于洞壁造成的壁面振動(dòng)。

4 結(jié) 論

根據(jù)以上分析，可得以下結(jié)論：

(1) 小斷面隧洞中，爆破開挖容易產(chǎn)生較大的空氣沖擊波超壓，空氣沖擊波超壓作用于隧洞圍巖壁面，將誘發(fā)圍巖振動(dòng)，這種振動(dòng)峰值出現(xiàn)的時(shí)間受空氣沖擊波超壓的傳播速度控制。實(shí)際監(jiān)測中，監(jiān)測點(diǎn)獲取的空氣沖擊波超壓誘發(fā)的振動(dòng)波形的出現(xiàn)時(shí)間，隨著爆心距的增大而不斷推遲。

(2) 空氣沖擊波超壓誘發(fā)的圍巖振動(dòng)，具有振動(dòng)振速較高、持續(xù)時(shí)間長和衰減較慢的特點(diǎn)。

(3) 空氣沖擊波超壓誘發(fā)的圍巖振動(dòng)，可分為空氣沖擊波超壓作用于前部圍巖產(chǎn)生的經(jīng)隧洞圍巖傳播過來的振動(dòng)，和空氣沖擊波超壓傳播到圍巖壁面直接引起的振動(dòng)。經(jīng)圍巖傳播的振動(dòng)衰減很快，實(shí)測的振動(dòng)主要是由于空氣沖擊波超壓直接作用于洞壁造成的圍巖振動(dòng)。

[1] 閆鴻浩, 李曉杰, 曲艷東, 等. 爆破振動(dòng)速度測試精細(xì)分析[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(10): 2091-2094.YANHonghao,LIXiaojie,QUYandong,etal.Fineanalysisofblastingvibrationvelocitytesting[J].RockandSoilMechanics, 2007, 28(10): 2091-2094.

[2] 李新平, 張成良, 陳先仿, 等. 復(fù)雜地下洞室群爆破地震波傳播的現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(增刊1): 4700-4704. LI Xinping, ZHANG Chengliang, CHEN Xianfang, et al. In-situ experimental study on transmission of blasting vibration wave in groups of tunnels under complicated conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(Sup1): 4700-4704.

[3] 宋全杰, 李海波, 李俊如, 等. 層理對(duì)爆破振動(dòng)傳播規(guī)律的影響[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2012, 31(10): 2103- 2108. SONG Quanjie, LI Haibo, LI Junru, et al. Influence of stratification on attenuation law of blasting vibration[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(10): 2103-2108.

[4] RESENDE R, LAMAS L, LEMOS J, et al.Stress wave propagation test and numerical modelling of an underground complex[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2014: 26-36.

[5] AHMED L, ANSELL A, Vibration vulnerability of shotcrete on tunnel walls during construction blasting[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014, 42: 105-111.

[6] 趙振國,楊建華,盧文波, 等. 基于爆破振動(dòng)影響評(píng)價(jià)的深埋隧洞圍巖二次噴護(hù)時(shí)期選擇[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2015, 34(7): 8-14. ZHAO Zhenguo, YANG Jianhua, LU Wenbo, et al. Selection of spraying time for permanent shotcrete in deep-buried tunnels based on evaluation of the influence of blasting vibration[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(7): 8-14.

[7] PENNETIER O, WILLIAM-LOUIS M, LANGLET A. Numerical and reduced-scale experimental investigation of blast wave shape in underground transportation infrastructure[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2015,94: 96-104.

[8] KUZU C, GUCLU E. The problem of human response to blast induced vibrations in tunnel construction and mitigation of vibration effects using cautious blasting in half-face blasting rounds[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2009, 24(1): 53-61.

[9] FARAMARZI F, FARSANGI M A E, MANSOURI H. Simultaneous investigation of blast induced ground vibration and airblast effects on safety level of structures and human in surface blasting[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2014, 24(5): 663-669.

[10] 張文煊, 劉美山, 張正宇, 等. 水電工程開挖爆破空氣沖擊波的作用原理與防護(hù)[J]. 工程爆破, 2008(4): 82-85. ZHANG Wenxuan, LIU Meishan, ZHANG Zhengyu, et al. Underlying principle and protection of blasting air shock-wave in water-power engineering[J]. Engineering Blasting, 2008(4): 82-85.

[11] 田志敏, 鄔玉斌, 羅奇峰. 隧道內(nèi)爆炸沖擊波傳播特性及爆炸荷載分布規(guī)律研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2011, 30(1): 21-26. TIAN Zhimin, WU Yubin, LUO Qifeng. Characteristics of in-tunnel explosion-induced air shock wave and distribution law of reflected shock wave load[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(1): 21-26.

[12] 楊科之, 楊秀敏. 坑道內(nèi)化爆沖擊波的傳播規(guī)律[J]. 爆炸與沖擊, 2003(1): 37-40. YANG Kezhi, YANG Xiumin. Propagation characteristics of blast wave in gallery[J]. Journal of Vibration and Shock, 2003(1): 37-40.

[13] 朱傳云. 預(yù)裂與光面爆破對(duì)圍巖的影響[J]. 爆破, 1994(2):33-39. ZHU Chuanyun. Effect and analysis of surrounding rock from pre-split and smooth blasting[J]. Blasting, 1994(2): 33-39.

[14] ALBERT D G, TAHERZADEH S, ATTENBOROUGH K, et al. Ground vibrations produced by surface and near-surface explosions[J]. Applied Acoustics, 2013, 74(11): 1279-1296.

[15] 傅建秋, 胡小龍, 劉翼. 防護(hù)條件下爆破沖擊波衰減規(guī)律研究[J]. 爆破, 2007(2): 14-17. FU Jianqiu, HU Xiaolong, LIU Yi. Study of the decay law of blasting shock wave under protection[J]. Blasting, 2007(2): 14-17.

[16] 汪旭光, 于亞倫, 劉殿中. 爆破安全規(guī)程實(shí)施手冊(cè)[M]. 北京： 人民交通出版社， 2004.

Studies on the vibration of tunnel surrounding rock induced by air overpressure

CHEN Ming1,2, HE Wenxue1,2, LU Wenbo1,2, WANG Gaohui1,2, GUO Tianyang1,2, LENG Zhendong1,2

(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China；2. Key Laboratory of Rock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering Ministry of Education, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

On the basis of monitoring in the blasting test of Feng-ning Pumped Storage Power Station, the air overpressure induced vibration of surrounding rock during tunnel blasting excavation was studied through theoretical analysis and numerical simulation. Air overpressure generated during blasting excavation in a narrow-bore tunnel was large enough to cause the vibration of surrounding rock, which was characterized by high peak particle vibration velocity (PPV), long duration, and slow attenuation. The arrival time of air overpressure induced vibration was determined by the propagating velocity of air shock wave. There were two kinds of air overpressure induced vibration at a certain point, the first was the arrival of the air overpressure induced vibration acting on the surrounding rock of front tunnel, the later was caused by the air overpressure direct acting on the measurement point. The numerical study reveals that vibration attenuates very quickly when propagating in rock, so the vibration waveform recorded in site experiment is mainly air overpressure induced vibration by directly acting on the tunnel surrounding rock.

drill and blast; tunnel; vibration velocity; air overpressure

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51279146；51479147)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助(NCET-2012-0425)

2015-11-13 修改稿收到日期： 2016-04-25

陳明 男，博士，教授，1977年生

E-mail: whuchm@whu.edu.cn

TD 235.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.12.003