隧道爆破振動中掏槽段的波形預測方法

摘 要： 為探討隧道爆破振動響應的分布特征，對掏槽爆破誘發的爆破振動波形展開預測。基于等效的球形爆源理論，引入一種地表爆破振動波形的預測方法，首次將頻率的影響納入爆破振動波形的預測研究中，推導得到等效球形爆破荷載作用下的地表爆破振動波形的符號表達式。以此為基礎，構造形式簡潔的爆破振動波形預測函數。依托具體隧道爆破的現場監測數據對預測函數的可靠性進行驗證。結果表明：理論波形與實測波形在爆破振動曲線總體趨勢上表現出良好的一致性。二者對應的質點峰值速度與振動周期基本相同。這種對比結果可驗證該文引入方法的可行性。

關鍵詞： 隧道爆破振動; 等效球形藥包; 波形預測; 理論推導

中圖分類號： TB9; TD23 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）10–0150–07

0 引 言

眾所周知，爆破振動對周邊既有建筑物的穩定性及結構安全均會造成不利的影響，嚴重時甚至會危害既有建筑的使用安全。爆破振動效應受地形地質條件、爆破參數等多種復雜因素的影響，因此準確預測爆破振動強度具有一定的難度。爆破振動波形蘊含大量的信號特征，能完整地呈現信號在持續時間段內的變化歷程[1-2]。已知爆破振動波形的前提下，結合數學方法和計算分析手段，可以得到爆破歷程中任意時刻的特征信息。

關于爆破振動波形的預測，國內外研究學者開展了大量的理論研究。Sharpe[3] 對爆炸壓力進行理想化描述，將其簡化為彈性介質中的擾動問題，建立了爆炸震源等效孔穴模型。Achenbach[4] 對De-Hoop 點源理論進行修正，推導得到球形藥包爆源強度函數。劉小鳴等[5] 基于等效震源強度函數論，構造得到了與裝藥量直接相關的爆破振動波形函數。Liu 等[6] 通過非線性理論建立了一個基于Volterra泛函級數的非線性預測模型，對爆破誘發的振動曲線展開了分析。隨著計算機技術的發展，人工智能技術和數值模擬方法為被廣泛應用于爆破振動波形預測研究中。NGUYEN 等[7] 建立了有限元模型，預測周圍建筑的爆破振動響應與振動波形。

目前關于爆破振動波形的預測仍處于初步階段，雖然人工智能及數值模擬技術可以提供一定的分析思路，但它們均要求研究人員具有扎實的數學或編程基礎，適用性較差。為此，基于等效球形爆源理論，本文引入了一種形式簡潔且適用性較強的爆破振動波形預測函數。具體來講，結合柱狀波理論及結構動力學的強迫振動方程，推導得到等效球形荷載作用下的爆破振動波形符號表達式。根據不同圍巖條件下的監測結果，得到爆破振動波形衰減參數的取值范圍及數學解析式。最后，依托具體的隧道爆破工程，通過實測爆破振動波形對該預測函數進行驗證，主要對比二者對應的質點峰值速度、振動周期及振動曲線的變化趨勢。