全斷面開挖爆破產(chǎn)生的自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響研究

楊建華， 盧文波， 嚴(yán)　鵬， 姜清輝， 周創(chuàng)兵

(1.南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院，南昌　330031； 2.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)

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全斷面開挖爆破產(chǎn)生的自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響研究

楊建華1， 盧文波2， 嚴(yán)鵬2， 姜清輝1， 周創(chuàng)兵1

(1.南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院，南昌330031； 2.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)

摘要：通過對(duì)爆破試驗(yàn)中處于不同自由面條件下的炮孔爆破產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并結(jié)合爆破振動(dòng)數(shù)值模擬，研究了地下洞室全斷面毫秒延遲爆破過程中產(chǎn)生的自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響機(jī)理及變化規(guī)律。結(jié)果表明：爆炸荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力波傳播至自由面時(shí)發(fā)生反射，反射稀疏波與原應(yīng)力波疊加致使遠(yuǎn)區(qū)荷載壓力的上升時(shí)間和持續(xù)作用時(shí)間變短，造成荷載的頻率變大，從而導(dǎo)致有自由面條件下其振動(dòng)頻率增大、高頻振動(dòng)能量占總能量的比重增加；爆源與自由面之間的距離越小，爆破振動(dòng)頻率越高；從振動(dòng)頻率的角度來看，較好的自由面條件可以減小爆破振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞。試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證了分析結(jié)論的可靠性。

關(guān)鍵詞：地下洞室；爆破；自由面；振動(dòng)頻率

爆破振動(dòng)是巖土介質(zhì)爆破開挖最主要的危害，因爆破振動(dòng)效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)變形、開裂和失穩(wěn)等破壞時(shí)有發(fā)生，因此在工程爆破中應(yīng)盡力降低爆破振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，以確保爆破安全。爆破振動(dòng)特性受爆源因素和傳播條件的影響，地下隧洞和井巷全斷面毫秒延遲爆破開挖過程中，掏槽孔、崩落孔、緩沖孔和周邊孔由里向外依次起爆，掏槽孔是在只有掌子面這一個(gè)自由面(臨空面)的條件下爆破，前一圈炮孔爆破為后一圈炮孔的爆破創(chuàng)造了新的自由面，其他各圈炮孔均在兩個(gè)自由面條件下爆破(見圖1)。爆破產(chǎn)生的自由面是重要的爆源因素之一，自由面的數(shù)量、大小和形態(tài)直接影響到爆破破碎效果，同時(shí)也對(duì)爆破振動(dòng)具有顯著的影響。

國內(nèi)外學(xué)者采用波動(dòng)理論、現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段對(duì)巖土介質(zhì)中自由面對(duì)爆破振動(dòng)效應(yīng)的影響開展研究。一般認(rèn)為，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量在自由面方向上快速釋放并從自由面反射回稀疏波，從而導(dǎo)致穿過巖體破碎區(qū)并以地震波形式傳播的能量減少、爆破振動(dòng)減弱[1]；爆源與自由面之間距離的大小、即抵抗線對(duì)振動(dòng)速度具有顯著的影響，振動(dòng)速度隨抵抗線的增加而增大[2]。Singh等[3-4]在露天臺(tái)階爆破時(shí)的振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果就表明，在自由面較好的條件下，質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度顯著降低。國內(nèi)學(xué)者陳星明等[5-7]在現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出了隨自由面數(shù)量的增加，質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度大幅度降低的結(jié)論。許海亮等[8]對(duì)此提出了包含自由面面積的鉆孔爆破振動(dòng)速度計(jì)算公式。但關(guān)于自由面數(shù)量對(duì)質(zhì)點(diǎn)峰值振速傳播衰減速率的影響，不同學(xué)者的監(jiān)測結(jié)果還存在較大的爭議。

圖1　地下洞室全斷面毫秒延遲爆破示意圖Fig.1 Schema of the full-face millisecond delay blasting in underground openings

然而，Wu等[9]在數(shù)值模擬地下爆破時(shí)卻發(fā)現(xiàn)，地表自由面對(duì)地震波的反射對(duì)爆破振動(dòng)起放大作用；鄧華鋒等[10]在隧洞爆破振動(dòng)監(jiān)測中也得到了類似的研究結(jié)論，并進(jìn)一步指出質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度具有明顯的方向效應(yīng)，質(zhì)點(diǎn)朝自由面法向的振動(dòng)速度明顯大于其它方向。Blair等[11]通過對(duì)前人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并結(jié)合自己的現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究，認(rèn)為抵抗線大小對(duì)振動(dòng)速度影響不大，兩者之間并沒有明顯的變化關(guān)系；Brent等[12]進(jìn)行不同抵抗線條件下的單孔爆破試驗(yàn)，也得到了上述相同的結(jié)論。而Uysal等[13]通過現(xiàn)場爆破振動(dòng)監(jiān)測甚至得出了振動(dòng)速度隨抵抗線的增大而減小的結(jié)論。

縱觀現(xiàn)有的自由面對(duì)爆破振動(dòng)效應(yīng)的影響研究，絕大部分研究成果集中在振動(dòng)強(qiáng)度,即質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度這一指標(biāo)上;并且對(duì)該問題目前也尚無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。大量的工程實(shí)踐和理論研究已經(jīng)表明，將質(zhì)點(diǎn)峰

值振動(dòng)速度作為唯一的爆破振動(dòng)安全判據(jù)有較大的局限性和不合理性，采用考慮振動(dòng)頻率影響的爆破振動(dòng)安全判據(jù)是目前國際上爆破安全規(guī)范的主流。然而，相比于質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度方面的大量研究成果，國內(nèi)外對(duì)振動(dòng)頻率的研究要少得多，在自由面對(duì)振動(dòng)頻率特性的影響研究方面更是鮮有報(bào)道，為數(shù)不多的研究成果也只是唯象地展示了自由面數(shù)量變化對(duì)振動(dòng)頻率的影響。因此，迫切需要開展爆破振動(dòng)頻率衰減機(jī)制和傳播規(guī)律的研究，以及自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響機(jī)理及變化規(guī)律研究。

本文研究地下洞室全斷面毫秒延遲爆破過程中爆破產(chǎn)生的自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響。首先開展小規(guī)模爆破試驗(yàn)，比較不同自由面條件下的炮孔爆破激發(fā)振動(dòng)的頻譜特性，然后利用數(shù)值模擬并結(jié)合理論分析討論自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響機(jī)理及其變化規(guī)律。

1不同自由面條件下爆破振動(dòng)頻率比較

1.1現(xiàn)場試驗(yàn)方案

由圖1可知，地下洞室全斷面爆破過程中，掏槽孔是在只有掌子面這一個(gè)自由面的條件下爆破，而崩落孔是在兩個(gè)自由面條件下爆破，為了分析爆破產(chǎn)生的自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響，試驗(yàn)中比較相同鉆孔、裝藥量的條件下，掏槽孔爆破和崩落孔爆破時(shí)的振動(dòng)頻譜特性。受現(xiàn)場試驗(yàn)條件的限制，爆破試驗(yàn)選在某水電站排水洞進(jìn)水口邊坡上進(jìn)行(排水洞內(nèi)已襯砌完成，無法在隧洞內(nèi)進(jìn)行爆破試驗(yàn))，將近乎垂直的邊坡視作開挖爆破掌子面，在邊坡上鉆水平炮孔模擬地下洞室全斷面開挖爆破的情形(見圖2)。試驗(yàn)中全斷面開挖分一段掏槽孔和兩段崩落孔爆破進(jìn)行，分別采用MS3段、MS5段和MS11段非電毫秒延遲雷管起爆。試驗(yàn)時(shí)為排除鉆孔及裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)頻率的影響，所有炮孔鉆爆參數(shù)保持一致：孔徑40 mm、孔深1.8 m、堵塞0.2 m，炮孔間距0.5 m，崩落孔抵抗線0.5 m；采用2#巖石乳化炸藥連續(xù)裝藥，藥卷直徑32 mm，單孔藥量1.1 kg。在爆心距28 ～80 m范圍內(nèi)沿直線共布置4個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)。

圖2　試驗(yàn)炮孔及振動(dòng)測點(diǎn)布置圖Fig.2 Arrangement of blastholes and vibration monitoring locations in the blast test

選擇與自由面垂直的水平徑向振動(dòng)速度進(jìn)行分析，實(shí)測振動(dòng)時(shí)程曲線見圖3。振動(dòng)時(shí)程曲線明顯地分為3段，第1段振動(dòng)由掏槽孔爆破產(chǎn)生(只有一個(gè)自由面)，第2段和第3段由崩落孔爆破引起(具有兩個(gè)自由面)。地表邊坡屬于開放尺度環(huán)境，而地下洞室屬于受限空間，受介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)條件的影響，地表邊坡與地下洞室的爆破振動(dòng)頻率存在差異。李洪濤等[14]的研究結(jié)果表明，在孔深、孔徑等參數(shù)基本相同的情況下，地表邊坡爆破振動(dòng)的主振頻帶更傾向于低頻成分。所以，受到現(xiàn)場試驗(yàn)條件的限制，在垂直邊坡上進(jìn)行的全斷面開挖爆破試驗(yàn)中所測得的振動(dòng)(見圖3)并不能完全反映地下洞室全斷面開挖爆破振動(dòng)的真實(shí)特性。但對(duì)比圖3中掏槽孔爆破與崩落孔爆破產(chǎn)生的振動(dòng)可以反映全斷面開挖爆破產(chǎn)生的自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響。

圖3　實(shí)測水平徑向振動(dòng)時(shí)程曲線Fig.3 Recorded horizontally radial velocity-time histories in the blast test

1.2振動(dòng)信號(hào)分析方法

傳統(tǒng)的傅里葉變換可以獲取信號(hào)較完整的頻域信息。小波變換對(duì)低頻信號(hào)具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，對(duì)高頻信號(hào)具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，適合于爆破振動(dòng)信號(hào)非平穩(wěn)特性的分析。本文爆破振動(dòng)信號(hào)分析采用傅里葉變換和小波包分析方法。

傅里葉變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(1)

式中：f(t)為振動(dòng)隨機(jī)信號(hào)；ω為圓頻率；j為虛數(shù)單位；t為時(shí)間。F(ω)=|S(jω)|稱為函數(shù)f(t)的幅值譜函數(shù)。

小波分析是把信號(hào)分解成低頻和高頻2部分，下一步將低頻部分繼續(xù)分解，而高頻部分不再被分解。小波包分解是一種比小波變換更加精細(xì)的分析手段，在每層分解過程中同時(shí)對(duì)小波變換沒有細(xì)分的高頻部分作進(jìn)一步的分解，從而提高了時(shí)頻分辨率。爆破振動(dòng)信號(hào)被分解到n層后，第i個(gè)頻帶上重構(gòu)信號(hào)sn, i對(duì)應(yīng)的能量設(shè)為En, i，則有：

(2)

式中：xi, k為重構(gòu)信號(hào)sn, i各離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值(i=0，1，2,…，2n-1；k=1，2,…，N；N為離散信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù))。

爆破振動(dòng)信號(hào)的總能量E0可以表示為：

(3)

爆破振動(dòng)小波包分解到第n層時(shí)，各頻帶的振動(dòng)能量占信號(hào)總能量的比例為：

pn,i=En,i/E0

(4)

由式(2)～式(4)可以得到爆破振動(dòng)信號(hào)經(jīng)小波包分解后各個(gè)頻帶的能量分布。采用的振動(dòng)波形自記儀的采樣頻率為2 kHz, 根據(jù)Nyquist采樣定理，該自記儀所采信號(hào)的最高頻率為1 kHz，因此可對(duì)實(shí)測振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行6層分解，對(duì)應(yīng)的最低頻帶為0～15.625 Hz。Daubechies小波系列具有較好的緊支撐性、光滑性及近似對(duì)稱性，目前被廣泛應(yīng)用于包括爆破振動(dòng)信號(hào)在內(nèi)的非平穩(wěn)信號(hào)分析，其中最常用的是db8小波基[15-16]。本文也采用db8小波基進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)小波包分析。

1.3分析結(jié)果

各段振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的幅值譜見圖4，為了便于比較，這里將幅值譜的幅值進(jìn)行歸一化處理。以1#測點(diǎn)為例，可以看到，掏槽孔爆破振動(dòng)對(duì)應(yīng)的主頻為71.9 Hz，兩段崩落孔爆破產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)應(yīng)的主頻分別為94.2 Hz和106.5 Hz，均高于掏槽孔爆破振動(dòng)的主頻。相比于掏槽孔爆破振動(dòng)，所有測點(diǎn)的崩落孔爆破振動(dòng)幅值譜曲線均向高頻成分偏移，崩落孔爆破振動(dòng)主頻更高。

各段振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的小波包能量譜見圖5。同樣以1#測點(diǎn)為例，掏槽孔和崩落孔爆破振動(dòng)信號(hào)的能量基本都在0.00～265.63Hz頻帶內(nèi)。雖然3段振動(dòng)信號(hào)的能量分布頻帶相同，但掏槽孔爆破振動(dòng)信號(hào)在0～78.13 Hz頻帶內(nèi)的能量占總能量的86%，在78.13～265.63 Hz頻帶內(nèi)的能量僅占總能量的14%。而對(duì)于2段崩落孔爆破振動(dòng)信號(hào)，高頻(78.13～265.63 Hz)能量占總能量的比例分別為60%和76%。其他測點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的小波包能量譜也可以得到同樣的結(jié)論，即崩落孔爆破振動(dòng)的高頻能量比重明顯高于掏槽孔爆破振動(dòng)信號(hào)。

圖4　掏槽孔和崩落孔爆破振動(dòng)信號(hào)幅值譜比較Fig.4 Comparisons of amplitude spectrum curves for blasting vibration signals between cutting blastholes and breaking blastholes

圖5　掏槽孔和崩落孔爆破振動(dòng)信號(hào)小波包能量譜比較Fig.5 Comparisons of wavelet packet energy spectrum curves for vibration signals between cutting blastholes and breaking blastholes

盡管傅里葉變換和小波包分析這兩種不同的數(shù)字信號(hào)處理方法得到的主振頻帶不完全相同，但從二者的分析結(jié)果可知：與掏槽孔爆破振動(dòng)相比，崩落孔爆破振動(dòng)的主頻更大，高頻振動(dòng)部分占總能量的比例更高。試驗(yàn)中兩類炮孔的鉆孔及裝藥結(jié)構(gòu)相同，振動(dòng)測試條件一致，最大的差別在于掏槽孔爆破時(shí)只有掌子面一個(gè)自由面，而崩落孔爆破時(shí)除掌子面外，還有前一段炮孔爆破產(chǎn)生的自由面。這說明爆破產(chǎn)生的自由面影響了振動(dòng)的頻譜特性，致使振動(dòng)頻率變高。

2爆破振動(dòng)數(shù)值模擬

前面只是從表象上展示了爆破產(chǎn)生的自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響，鑒于試驗(yàn)條件的限制，采用動(dòng)力有限元分析軟件LS-DYNA模擬試驗(yàn)中掏槽孔及崩落孔爆破產(chǎn)生的振動(dòng)，在此基礎(chǔ)上探討爆破產(chǎn)生的自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響機(jī)理及其變化規(guī)律。

2.1幾何模型

根據(jù)圖2的爆破設(shè)計(jì)建立如圖6的三維有限元模型，炮孔分布與尺寸與實(shí)際一致。模型尺寸為160 m×8 m×8 m(長×寬×高)，采用SOLID164單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型總共含有251 808個(gè)單元和271 830個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際情況，模型的前表面設(shè)置為自由邊界，其余五個(gè)面設(shè)置為透射邊界以減小邊界應(yīng)力波反射的對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。在模擬崩落孔爆破時(shí)，首先將掏槽孔爆除的巖體單元從模型中刪去，以體現(xiàn)掏槽孔爆破產(chǎn)生的自由面對(duì)后續(xù)崩落孔爆破振動(dòng)的影響。

圖6　有限元模型網(wǎng)格局部圖Fig.6 Local view of the dynamic finite element model used for numerical simulation of blasting vibration

2.2材料模型及參數(shù)

LS-DYNA程序中提供的炸藥材料可以直接模擬炸藥的爆炸過程，采用JWL狀態(tài)方程模擬炸藥爆轟過程中壓力和比容的關(guān)系，即：

(5)

式中：p為爆炸氣體壓力；V為相對(duì)體積；E0為單位體積初始比內(nèi)能；A、B、R1、R2和w為與炸藥相關(guān)的材料常數(shù)。計(jì)算中炸藥密度取為1 300 kg/m3，爆速取為4 000 m/s，其他參數(shù)分別為A=214.4 GPa、B=0.182 GPa、R1=4.2、R2=0.9、w=0.15、E0=4.192 GPa[17]。

爆炸荷載作用下，炮孔近區(qū)巖體應(yīng)變率效應(yīng)明顯，因此巖體材料采用包含應(yīng)變率的塑性硬化模型，實(shí)際分析中通?？紤]為Cowper-Symonds模型，它在屈服應(yīng)力中引進(jìn)應(yīng)變率因子，表達(dá)式如下：

(6)

邊坡表面巖體風(fēng)化，其力學(xué)特性不同于內(nèi)部巖體，計(jì)算中假定邊坡坡面往里2.0 m范圍內(nèi)巖體參數(shù)按線性規(guī)律變化，2.0 m以外巖體參數(shù)不變，所采用的巖體力學(xué)參數(shù)見表1，表1中ρ和μ分別為巖體密度和泊松比。

表1　巖體力學(xué)參數(shù)

3自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響機(jī)理和變化規(guī)律

對(duì)于在均勻、各向同性、線彈性介質(zhì)中起爆的球狀藥包，爆炸荷載激發(fā)振動(dòng)的頻域存在解析解，振動(dòng)信號(hào)幅值譜的表達(dá)式為：

Fv(ω)=

(7)

式中：Fv(ω)為振動(dòng)速度的幅值譜幅值；Sσ(jω)為爆炸荷載壓力函數(shù)σ(t)的傅里葉變換；r為質(zhì)點(diǎn)至球心的距離；cP為巖體縱波速度；λ、μ為拉梅系數(shù)；re為爆腔半徑。

從式(7)可知，振動(dòng)速度的頻譜特性與爆心距(r)、巖體參數(shù)(cP、λ、μ)、鉆孔爆破參數(shù)(re)及荷載的頻譜特性有關(guān)。從理論上講，對(duì)于圖2所示的掏槽孔爆破和崩落孔爆破，在鉆孔參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)相同的情況下，作用在炮孔壁上的荷載壓力相同，那么同一爆心距處的振動(dòng)頻率應(yīng)當(dāng)是相同的。但是崩落孔爆破時(shí)存在前一段炮孔爆破產(chǎn)生的自由面，當(dāng)爆炸壓應(yīng)力波傳播至自由面時(shí)發(fā)生反射，產(chǎn)生回傳的稀疏波，回傳稀疏波與原應(yīng)力波疊加，影響了遠(yuǎn)區(qū)的荷載壓力。圖7(a)給出了數(shù)值模擬的掏槽孔爆破和崩落孔爆破時(shí)10 m爆心距處的荷載壓力時(shí)程曲線，從圖7(a)可知，兩條荷載曲線的形式類似，但崩落孔爆破時(shí)，由于自由面反射稀疏波的疊加作用，荷載的峰值降低，同時(shí)荷載上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間變短，導(dǎo)致荷載的能量向高頻成分偏移，荷載頻率變大，如圖7(b)所示(為了便于比較，此處同樣將幅值譜的幅值進(jìn)行歸一化處理)。從而進(jìn)一步導(dǎo)致崩落孔爆破時(shí)振動(dòng)的頻率更高，高頻部分占總能量的比例更高。

圖7　10 m爆心距處爆炸荷載壓力曲線及其幅值譜Fig.7 Blast loading pressures and their amplitude spectrum curves at the distance of 10 m from the blasting source

反射稀疏波的傳播特征與巖體特性及傳播距離有關(guān)，對(duì)于既定的巖體，當(dāng)改變崩落孔與掏槽孔之間的排距，即改變崩落孔與自由面之間的距離時(shí)，崩落孔爆破時(shí)振動(dòng)頻率衰減變化見圖8。由于傅里葉主頻在傳播過程中會(huì)出現(xiàn)局部突變現(xiàn)象，不能很好地反映振動(dòng)的頻譜構(gòu)成及其衰減規(guī)律，因而此處采用質(zhì)心頻率(平均頻率)[18]，其表達(dá)式為：

(8)

式中：fc為質(zhì)心頻率，F(xiàn)i為頻率fi對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度幅值譜的幅值。

由圖8可知，爆源距自由面越遠(yuǎn)，振動(dòng)頻率越低，反之則振動(dòng)頻率越高。這種現(xiàn)象在理論上也容易解釋，當(dāng)增大爆源與自由面之間的距離時(shí)，向自由面?zhèn)鞑サ膲嚎s波及反射稀疏波的傳播路徑變長，應(yīng)力波在傳播過程中不斷衰減，特別是在爆源近區(qū)衰減速率較快，因而反射稀疏波的應(yīng)力大小隨傳播距離的增加而減小，對(duì)原應(yīng)力波的干擾也隨之減小，根據(jù)前文的分析，因而振動(dòng)頻率較低。建(構(gòu))筑物的自振頻率一般較低，低頻振動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物更為不利。因此，從振動(dòng)頻率角度來看，減小爆源與自由面之間的距離、增大爆破振動(dòng)頻率可以降低爆破振動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物的危害。

圖8　距自由面不同距離時(shí)振動(dòng)頻率衰減比較Fig.8 Comparison of vibration frequency attenuations at different distances from the blasting source to the free surface

4結(jié)論

通過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬，研究了全斷面毫秒延遲爆破過程中爆破產(chǎn)生的自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響機(jī)理和變化規(guī)律，得到了如下結(jié)論：

(1) 掏槽孔爆破為后續(xù)的崩落孔爆破創(chuàng)造了新的自由面，在該自由面反射的稀疏波與原應(yīng)力波疊加致使遠(yuǎn)區(qū)荷載壓力上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間變短，引起荷載的頻率變大，從而導(dǎo)致其振動(dòng)頻率變高、高頻振動(dòng)能量占總能量的比重增加。現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬分析結(jié)論的可靠性。

(2) 爆源與自由面之間的距離越小，爆破振動(dòng)頻率越高，反之則振動(dòng)頻率越低，從振動(dòng)頻率的角度來看，較好的自由面條件可以減小爆破振動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物的危害。

(3) 地下洞室全斷面爆破開挖，掏槽孔在只有一個(gè)自由面的條件下爆破，其質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度大，振動(dòng)頻率低，而建(構(gòu))筑物的自振頻率一般較低，因此與其他類型炮孔相比，掏槽孔爆破產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物的危害更大。

影響爆破振動(dòng)頻率的因素眾多，本文只是初步研究了全斷面爆破過程中爆破產(chǎn)生的自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響，鉆孔參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、多孔爆破相互作用以及雷管延時(shí)間隔和誤差等因素的影響，還需要做進(jìn)大量的研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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Influences of blast-created free surfaces on blasting vibration frequencies during full-face excavation

YANGJian-hua1,LUWen-bo2,YANPeng2,JIANGQing-hui1,ZHOUChuang-bing1(1. School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang 330031, China；2. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Abstract:With methods of spectral analysis of vibration signals and numerical simulation of blasting vibration, the influences of blast-created free surfaces on blasting vibration frequencies during underground full-face excavation were investigated here. The vibration signals were measured from a specially designed small-scale blast test, where blastholes were detonated under different free surface conditions. The results showed that the presence of free surfaces results in higher blasting vibration frequencies and an increasing proportion of vibration energy with higher frequencies to total energy; the smaller the distance between blasting sources and free surfaces, the higher the blasting vibration frequencies; this is since the rarefaction waves reflected on free surfaces are superimposed onto the blast-induced initial compressive stress waves, and this causes the rising time and duration of the far-field blast loading pressure becomes shorter to lead to an increase in frequencies of loading; from the view-point of vibration frequency, the damage of structures due to blasting vibration can be mitigated with a better free surface condition. The reliability of the results was demonstrated with the vibration monitoring in the blast test.

Key words:underground opening; blasting; free surface; vibration frequency

中圖分類號(hào):TD235.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.07.029

通信作者姜清輝 男，博士，教授，1972年生

收稿日期：2014-08-19修改稿收到日期：2014-12-05

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51509126;51279135)

第一作者 楊建華 男，博士，講師，1986年生