CN103852157A - 爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，采用Flac3D数值模拟方法对爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动进行了分析，建立P波作用下地下圆洞的数值模型，分析P波传播过程中质点运动的偏转规律，并进行计算；视围岩为各向同性均质介质，本模型采用线弹性模型，洞壁无支护；分析计算结果，总结围岩质点在各阶段的运动规律，分析无限线弹性岩体介质中深埋圆形隧道对P波的衍射问题；对圆洞水平和竖直向的质点振动特征进行分析，并对洞壁围岩的最大水平向振动速度分布特征进行统计分析；研究洞周围岩中质点振动的规律及其影响因素。本发明对工程的实施具有重要意义，方法简单，降低了本领域人员工程作业的难度。

Description

爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法

技术领域

本发明属于质点振动规律研究领域，尤其涉及爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法。

背景技术

在地下工程中，爆破开挖工程量大、作业频繁，爆破对地下洞室的影响更为显著，往往使岩体中原有的裂隙张开扩展，并形成新的裂隙，进而降低围岩的稳定性。因此爆破地震波对邻近隧洞、坑道和其它结构的影响问题一直是地下工程中重点关注的问题之一。国内外许多学者对该问题开展了许多理论研究，如鲍亦兴等采用波函数展开法分析了圆孔对P波的衍射问题和隧道在弹性波作用下的动应力集中问题。LEE和CAO等研究了半空间中隧洞对P波和SV波的散射和衍射问题。梁建文采用波函数展开法给出了半空间中洞室群在平面P波入射下动应力集中问题的解析解。Manoogian分析了任意形状地下结构在SH波作用下的解析解。纪晓东分析了地下圆形单层衬砌隧道对入射平面P波和SV波散射问题的级数解。王光勇利用试验和理论研究了在平面应力波的作用下直墙拱形地下洞室动应力集中系数分布规律。

上述研究多从动应力集中的角度分析地震波对地下洞室的影响。实际上，应力波对隧洞的损害主要来自于波在孔洞周边衍射所导致的应力扰动，而应力扰动的强度则与质点振速密切相关，隧洞的破坏与围岩质点振动速度直接相关，因此，在实际工程中对爆破地震波对地下洞室的影响常通过质点振速法进行评价和分析。国内外也有学者对应力波衍射时引起的地下洞室振动规律进行研究，且多侧重于对实际工程的分析，而对其普遍规律方面的研究仍较少。为此，本发明通过数值模拟的方式，对平面P波作用下，圆形隧道的动力扰动特征进行了研究，着重分析了洞壁围岩质点振动速度的放大效应及其影响因素，研究内容有助于明晰应力波作用下地下洞室的动力响应，围岩振动峰值速度分布规律以及确定合理的地下洞室质点振动速度控制标准等。

爆破掘进中产生的震动效应对围岩及其支护结构的安全至关重要，其影响一直是一个值得重视的问题。三维条件下，由于弹性动力学方程固有的求解困难，还难以得到含孔洞围岩在爆破地震作用下，其内部位移、应力随时间变化的规律。巷道围岩在动力作用下，特别是爆破地震的影响下，它的受力状态和位移始终是决定稳定性的根本因素。如何运用弹性力学理论，对圆形巷道迎头掘进爆破产生的地震波在围岩中随时间变化的规律进行处理，并且求得解析式，结果还没见到。

发明内容

本发明的目的在于提供一种爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，旨在解决现有的技术存在的三维条件下，由于弹性动力学方程固有的求解困难，还难以得到含孔洞围岩在爆破地震作用下，其内部位移、应力随时间变化规律的问题。

本发明是这样实现的，一种爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，该方法的步骤包括：

步骤一、采用Flac3D数值模拟方法对爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动进行分析，在Flac3D中建立P波作用下地下圆洞的数值模型，分析P波传播过程中质点运动的偏转规律，并进行计算；

步骤二、计算过程中，视围岩为各向同性均质介质，采用线弹性模型，洞壁无支护；计算范围取100m×100m×2m，外边界设置粘滞边界；

步骤三、分析计算结果，应力波通过圆洞时分为通过前、通过时和通过后3个阶段，总结围岩质点在各阶段的运动规律，并分析无限线弹性岩体介质中深埋圆形隧道对P波的衍射问题；

步骤四、研究质点振动速度缩放效应，即对圆洞水平和竖直向的质点振动特征进行分析，并对洞壁围岩的最大水平向振动速度分布特征进行统计分析，对其振动速度的放大效应进行研究；

步骤五、研究洞周围岩中质点振动的规律及其影响因素：分析振源频率对质点振动速度方向效应的影响，对隧洞直径对振速集中效应的影响规律进行研究；

步骤六、研究洞周围岩中质点振动的规律及其影响因素：对围岩力学性质进行分析研究，对波长-洞径比对振速放大效应的影响进行分析。

进一步，在步骤三中，应力波通过圆洞时可分为通过前、通过时和通过后3个阶段，围岩质点在各阶段的运动规律。

进一步，在步骤三的计算结果中表明，P波作用下洞壁围岩质点的振动周期与振源一致，但振动速度幅值存在较显著的差异，P波通过圆洞时，由其诱发的洞壁围岩质点振动方向和频率与振源是基本一致的，但洞壁围岩质点的振动速度将发生放大或缩小；不同工况下圆洞对P波振动速度的放大效应具有一定的规律，即距离振源较近的半个圆洞断面上，洞壁质点的最大振动速度均大于振源；而距离振源较远的半个圆洞断面上，洞壁质点的最大振动速度均小于振源；而二者的分界点处，质点的最大振动速度与振源相等。

进一步，步骤四的分析结果表明，与洞壁上围岩质点的振动规律相比，围岩内部各质点的振动周期亦与振源一致，而随着质点距离洞壁距离的增大，其振动速度的幅值逐渐接近振源的振幅；在距离振源较近的半个圆洞断面上，围岩质点的最大振动速度随其径向距离的变化较大，且在通过圆心的水平轴上，质点振速振幅变化最为显著；而距离振源较远的半个圆洞断面上，围岩质点的最大振动速度较为接近，且略小于振源速度；其质点振动速度也是振源振速的线性函数，即振源振速成倍增大时，圆洞围岩的质点振速也成倍增加。

进一步，步骤五中分析振源频率对质点振动速度方向效应的影响的计算结果显示，在其他参数固定，随着入射应力波振动频率的增大，洞壁上的振动速度缩放效应呈现非线性变化特征；为围岩参数不同，直径分别6m和10m的两个圆洞，当入射的P波振动频率分别自10Hz增加至100Hz时，洞壁上最大振速放大系数呈现典型的三个变化阶段，对三个变化阶段进行分析，分析结果表面应力波作用下，洞壁附近岩体的振动速度缩放效应具有一定的频率敏感区间，即在振动频率较低，大致在10Hz至40Hz左右，振动频率对地下洞室的振速集中效应影响较大；而频率较高时，即在40Hz至100Hz左右，振动频率对地下洞室的振速集中效应影响较小。

进一步，步骤五的对隧洞直径对振速集中效应的影响规律进行了研究计算结果显示，在入射应力波参数和围岩参数完全相同的条件下，随着圆洞直径的增大，洞壁的最大振动速度集中系数呈现非线性增大，这表明地下洞室的尺寸越大，对应力波越敏感；计算结果显示，在距离振源较近的半个断面空间内，圆洞的直径越大，其峰值振速越大，即振速放大效应越显著；而在距离振源较远的半个断面空间内，圆洞的直径越小，其向峰值振速越大，即振速放大效应越显著；在上述两断面的对称轴上，不同直径下洞壁的振速相近，都接近振源速度。但上述两种情况下，距离振源较近洞壁峰值振速比距离振源较远的一次大的多。

进一步，洞室直径为6m时，设入射P波的频率为30Hz、60Hz和90Hz，洞室围岩取不同的力学参数，隧道围岩越硬脆，振源在围岩中引起的质点振动效应越弱，反之，隧道围岩越软，振源在围岩中引起的质点振动效应强烈；其次，不同频率下三种不同性质围岩对应力波的入射响应也有显著的差异，在振动频率较低时，三种工况的振速放大效应差别较大，而随着振动频率的提高，三者的差异逐渐缩小，在100Hz左右，三者基本一致。

进一步，振源特征、围岩性质以及洞室形状均对振动速度放大效应有显著的影响，为了分析三者的综合影响规律，对波长-洞径比对振速放大效应的影响进行了分析，定义η为波长-洞径比，相比其它参数，η包含了弹性模量E、泊松比μ、密度ρ、直径D和频率f的综合信息；

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\λ}}{D}=\frac{V_p}{D\×f}$

计算结果显示，波长-洞径比η对圆洞振速放大效应的影响具有显著的规律性。分别对洞径为3m、6m和10m的圆洞进行分析，不同洞径下洞壁最大振速放大系数随η的变化趋势是一致的，即随着η的增大，最大振速放大系数先减小，最终趋于稳定，且η为30～40时是曲线的拐点，即入射弹性波的波长大于30～40倍的洞径时，圆洞围岩质点的振速放大效应将逐渐不显著，且质点的振速将越来越接近振源的振速；洞径不同时，波长-洞径比对振速放大效应的影响是不同的，相对而言，洞径越大对波长-洞径比越敏感。

进一步，本发明采用数值模拟方法，分析了无限线弹性岩体介质中深埋圆形隧道对P波的衍射问题，研究了洞周围岩中质点振动的规律及其影响因素，主要结论包括：

（1）应力波通过圆洞时，围岩中质点的振动方向总体与波的传播方向一致，但P波在洞壁边界上发生反射，将导致洞壁附近质点的振动方向会在不同的时刻向洞内和洞外方向发生小角度的偏转；

（2）与动应力集中现象相似，P波衍射过程中也将导致洞周围岩质点的振动速度与振源速度不同，即距离振源较近的半个圆洞断面上，洞壁附近质点的最大振动速度均大于振源；而距离振源较远的半个圆洞断面上，洞壁附近质点的最大振动速度均小于振源；而二者的分界点处，围岩质点的最大振动速度基本与振源一致；

（3）振动频率、洞室尺寸和围岩性质对洞室质点振动速度的缩放效应的影响都较为显著。在振动频率较低，如在10Hz至40Hz左右时，振动频率对地下洞室的振速集中效应影响较大；而频率较高时，即在40Hz至100Hz左右，振动频率对地下洞室的振速集中效应影响较小；地下洞室的尺寸越大，对应力波越敏感，其振动速度放大效应越显著；围岩越硬脆，振源在围岩中引起的质点振动效应越弱，反之，隧道围岩越软，振源在围岩中引起的质点振动效应强烈；

（4）波长-洞径比对圆洞围岩振速放大效应的影响也具有显著的规律性。最大振速放大系数随着波长-洞径比的增大将逐渐减小并最终趋于稳定，且入射弹性波的波长大于30～40倍的洞径时，圆洞围岩质点的振速放大效应将逐渐不显著，且质点的振速将越来越接近振源的振速，相对而言，洞径越大对波长-洞径比越敏感。

进一步，根据爆破地震波位移势函数的特点，采用分离变量的方法，求解得到轴坐标下的围岩质点运动规律，求出围岩中应力随轴向距离、径向距离和时间的变化规律；把一般情况下的爆破气体压力作为边界应力条件载荷，施加于巷道围岩，求解得到应力变化的振幅参数。

进一步，将爆破地震波进行合理近似简化，采用波函数展开法，推导出无限岩石介质中爆破地震波作用下隧道围岩和衬砌动应力集中系数的表达式；分析隧道不同位置上爆破地震波主频、隧道几何参数和隧道围岩和衬砌物理力学指标对动应力集中系数的影响；分析结果表明，爆破地震波主振频率对隧道围岩和衬砌中的动应力集中系数（DSCF）影响较大，隧道不同位置和不同方向应力的动应力集中系数随主振频率的变化趋势不同，低主振频率引起的动应力集中系数较大，不利于隧道的抗爆破振动；隧道几何参数对隧道围岩和衬砌内侧切向应力动应力集中系数影响趋势不同；隧道衬砌弹性模量对隧道结构动应力集中系数影响较大，泊松比次之；泊松比较大的隧道围岩具有一定的抗爆破振动作用，但效果有限。

进一步，应用FLAC3D数值模拟法进行隧道掘进爆破条件下的前洞围岩振动效应分析，将计算结果与试验数据的对比分析,证明应用此计算方法进行振动强度分析的可行性；进一步分析表明,全断面不同循环进尺爆破方案引起振动速度的分布规律基本相同；在爆破掌子面前,前洞迎爆侧边墙上的最大振动速度沿隧道轴线方向随水平距离增大有明显的放大现象,最大振动速度发生在爆破掌子面前面10m左右前洞断面迎爆侧的边墙上;在爆区附近,前洞迎爆侧围岩上的振动速度是背爆侧的6—10倍。

效果汇总：

本发明提供的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，在步骤三中，应力波通过圆洞时可分为通过前、通过时和通过后3个阶段，围岩质点在各阶段的运动具有以下规律：应力波未到达圆洞时，围岩中各质点的运动方向与波的传播方向一致；而当应力波通过圆洞时，其断面前后部围岩中的质点运动表现出不同的特征，在前半周期的应力波通过圆洞时，围岩质点的运动方向与波的传播方向总体一致，且后半断面处洞壁附近围岩质点的运动方向先向内侧偏转且速度增大，随后又向外侧偏转并伴随速度降低；而前半断面围岩质点的运动方向未发现明显偏转；在后半周期的应力波通过圆洞时，围岩质点的运动方向与波的传播方向总体相反，后半断面处洞壁附近围岩质点的运动方向先向外侧偏转且速度增大，随后又向内侧偏转并伴随速度降低；而前半断面围岩质点的运动方向先随振速的提高而向两侧发生偏转，随后随着振动速度降低而偏转现象消失。采用数值模拟方法，分析了爆破地震波中的P波与邻近圆形隧道的相互作用，研究了不同工况下围岩质点振动分布规律。计算结果表明，应力波通过圆洞时，围岩中质点的振动方向将在洞壁附近发生微小的偏转，同时将使洞壁附近围岩的质点振动速度大于或小于振源速度，具有显著的质点振动缩放效应，振动频率、隧道尺寸、围岩性质以及波长-洞径比对其质点振动速的缩放效应的影响都较为显著。这些结论对工程的实施具有重要意义，并且本研究方法简单，大大降低了本领域人员工程作业的难度，为深埋圆形隧道围岩的爆破提供了理论依据，大大方便了爆破工程的进行。

附图说明

图1是本发明实施例提供的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

必要技术方案：

结合附图1对本案例进行说明，本发明实施例是这样实现的，一种爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，该方法的步骤包括：

S101、采用Flac3D数值模拟方法对爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动进行分析，在Flac3D中建立P波作用下地下圆洞的数值模型，分析P波传播过程中质点运动的偏转规律，并进行计算；

S102、计算过程中，视围岩为各向同性均质介质，采用线弹性模型，洞壁无支护；计算范围取100m×100m×2m，外边界设置粘滞边界；

S103、分析计算结果，应力波通过圆洞时分为通过前、通过时和通过后3个阶段，总结围岩质点在各阶段的运动规律，并分析无限线弹性岩体介质中深埋圆形隧道对P波的衍射问题；

S104、研究质点振动速度缩放效应，即对圆洞水平和竖直向的质点振动特征进行分析，并对洞壁围岩的最大水平向振动速度分布特征进行统计分析，对其振动速度的放大效应进行研究；

S105、研究洞周围岩中质点振动的规律及其影响因素：分析振源频率对质点振动速度方向效应的影响，对隧洞直径对振速集中效应的影响规律进行研究；

S106、研究洞周围岩中质点振动的规律及其影响因素：对围岩力学性质进行分析研究，对波长-洞径比对振速放大效应的影响进行分析。

次要技术方案：

进一步，在S103中，应力波通过圆洞时可分为通过前、通过时和通过后3个阶段，围岩质点在各阶段的运动具有以下规律：

（1）应力波未到达圆洞时，围岩中各质点的运动方向与波的传播方向一致；

（2）而当应力波通过圆洞时，其断面前后部围岩中的质点运动表现出不同的特征，在前半周期的应力波通过圆洞时，围岩质点的运动方向与波的传播方向总体一致，且后半断面处洞壁附近围岩质点的运动方向先向内侧偏转且速度增大，随后又向外侧偏转并伴随速度降低；而前半断面围岩质点的运动方向未发现明显偏转；

（3）在后半周期的应力波通过圆洞时，围岩质点的运动方向与波的传播方向总体相反，后半断面处洞壁附近围岩质点的运动方向先向外侧偏转且速度增大，随后又向内侧偏转并伴随速度降低；而前半断面围岩质点的运动方向先随振速的提高而向两侧发生偏转，随后随着振动速度降低而偏转现象消失。

进一步，在S103的计算结果中表明，P波作用下洞壁围岩质点的振动周期与振源一致，但振动速度幅值存在较显著的差异，P波通过圆洞时，由其诱发的洞壁围岩质点振动方向和频率与振源是基本一致的，但洞壁围岩质点的振动速度将发生放大或缩小；不同工况下圆洞对P波振动速度的放大效应具有一定的规律，即距离振源较近的半个圆洞断面上，洞壁质点的最大振动速度均大于振源；而距离振源较远的半个圆洞断面上，洞壁质点的最大振动速度均小于振源；而二者的分界点处，质点的最大振动速度与振源相等。

进一步，S104的分析结果表明，与洞壁上围岩质点的振动规律相比，围岩内部各质点的振动周期亦与振源一致，而随着质点距离洞壁距离的增大，其振动速度的幅值逐渐接近振源的振幅；在距离振源较近的半个圆洞断面上，围岩质点的最大振动速度随其径向距离的变化较大，且在通过圆心的水平轴上，质点振速振幅变化最为显著；而距离振源较远的半个圆洞断面上，围岩质点的最大振动速度较为接近，且略小于振源速度；其质点振动速度也是振源振速的线性函数，即振源振速成倍增大时，圆洞围岩的质点振速也成倍增加。

进一步，S105中分析振源频率对质点振动速度方向效应的影响的计算结果显示，在其他参数固定，随着入射应力波振动频率的增大，洞壁上的振动速度缩放效应呈现非线性变化特征；为围岩参数不同，直径分别6m和10m的两个圆洞，当入射的P波振动频率分别自10Hz增加至100Hz时，洞壁上最大振速放大系数呈现典型的三个变化阶段，对三个变化阶段进行分析，分析结果表面应力波作用下，洞壁附近岩体的振动速度缩放效应具有一定的频率敏感区间，即在振动频率较低，大致在10Hz至40Hz左右，振动频率对地下洞室的振速集中效应影响较大；而频率较高时，即在40Hz至100Hz左右，振动频率对地下洞室的振速集中效应影响较小。

进一步，S105的对隧洞直径对振速集中效应的影响规律进行了研究计算结果显示，在入射应力波参数和围岩参数完全相同的条件下，随着圆洞直径的增大，洞壁的最大振动速度集中系数呈现非线性增大，这表明地下洞室的尺寸越大，对应力波越敏感；计算结果显示，在距离振源较近的半个断面空间内，圆洞的直径越大，其峰值振速越大，即振速放大效应越显著；而在距离振源较远的半个断面空间内，圆洞的直径越小，其向峰值振速越大，即振速放大效应越显著；在上述两断面的对称轴上，不同直径下洞壁的振速相近，都接近振源速度。但上述两种情况下，距离振源较近洞壁峰值振速比距离振源较远的一次大的多。

进一步，洞室直径为6m时，设入射P波的频率为30Hz、60Hz和90Hz，洞室围岩取不同的力学参数，隧道围岩越硬脆，振源在围岩中引起的质点振动效应越弱，反之，隧道围岩越软，振源在围岩中引起的质点振动效应强烈；其次，不同频率下三种不同性质围岩对应力波的入射响应也有显著的差异，在振动频率较低时，三种工况的振速放大效应差别较大，而随着振动频率的提高，三者的差异逐渐缩小，在100Hz左右，三者基本一致。

进一步，振源特征、围岩性质以及洞室形状均对振动速度放大效应有显著的影响，为了分析三者的综合影响规律，对波长-洞径比对振速放大效应的影响进行了分析，定义η为波长-洞径比，相比其它参数，η包含了弹性模量E、泊松比μ、密度ρ、直径D和频率f的综合信息；

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\λ}}{D}=\frac{V_p}{D\×f}$

计算结果显示，波长-洞径比η对圆洞振速放大效应的影响具有显著的规律性。分别对洞径为3m、6m和10m的圆洞进行分析，不同洞径下洞壁最大振速放大系数随η的变化趋势是一致的，即随着η的增大，最大振速放大系数先减小，最终趋于稳定，且η为30～40时是曲线的拐点，即入射弹性波的波长大于30～40倍的洞径时，圆洞围岩质点的振速放大效应将逐渐不显著，且质点的振速将越来越接近振源的振速；洞径不同时，波长-洞径比对振速放大效应的影响是不同的，相对而言，洞径越大对波长-洞径比越敏感。

进一步，本发明采用数值模拟方法，分析了无限线弹性岩体介质中深埋圆形隧道对P波的衍射问题，研究了洞周围岩中质点振动的规律及其影响因素，主要结论包括：

（1）应力波通过圆洞时，围岩中质点的振动方向总体与波的传播方向一致，但P波在洞壁边界上发生反射，将导致洞壁附近质点的振动方向会在不同的时刻向洞内和洞外方向发生小角度的偏转；

（2）与动应力集中现象相似，P波衍射过程中也将导致洞周围岩质点的振动速度与振源速度不同，即距离振源较近的半个圆洞断面上，洞壁附近质点的最大振动速度均大于振源；而距离振源较远的半个圆洞断面上，洞壁附近质点的最大振动速度均小于振源；而二者的分界点处，围岩质点的最大振动速度基本与振源一致；

（3）振动频率、洞室尺寸和围岩性质对洞室质点振动速度的缩放效应的影响都较为显著。在振动频率较低，如在10Hz至40Hz左右时，振动频率对地下洞室的振速集中效应影响较大；而频率较高时，即在40Hz至100Hz左右，振动频率对地下洞室的振速集中效应影响较小；地下洞室的尺寸越大，对应力波越敏感，其振动速度放大效应越显著；围岩越硬脆，振源在围岩中引起的质点振动效应越弱，反之，隧道围岩越软，振源在围岩中引起的质点振动效应强烈；

（4）波长-洞径比对圆洞围岩振速放大效应的影响也具有显著的规律性。最大振速放大系数随着波长-洞径比的增大将逐渐减小并最终趋于稳定，且入射弹性波的波长大于30～40倍的洞径时，圆洞围岩质点的振速放大效应将逐渐不显著，且质点的振速将越来越接近振源的振速，相对而言，洞径越大对波长-洞径比越敏感。

进一步，根据爆破地震波位移势函数的特点，采用分离变量的方法，求解得到轴坐标下的围岩质点运动规律，求出围岩中应力随轴向距离、径向距离和时间的变化规律；把一般情况下的爆破气体压力作为边界应力条件载荷，施加于巷道围岩，求解得到应力变化的振幅参数。

进一步，将爆破地震波进行合理近似简化，采用波函数展开法，推导出无限岩石介质中爆破地震波作用下隧道围岩和衬砌动应力集中系数的表达式；分析隧道不同位置上爆破地震波主频、隧道几何参数和隧道围岩和衬砌物理力学指标对动应力集中系数的影响；分析结果表明，爆破地震波主振频率对隧道围岩和衬砌中的动应力集中系数（DSCF）影响较大，隧道不同位置和不同方向应力的动应力集中系数随主振频率的变化趋势不同，低主振频率引起的动应力集中系数较大，不利于隧道的抗爆破振动；隧道几何参数对隧道围岩和衬砌内侧切向应力动应力集中系数影响趋势不同；隧道衬砌弹性模量对隧道结构动应力集中系数影响较大，泊松比次之；泊松比较大的隧道围岩具有一定的抗爆破振动作用，但效果有限。

进一步，应用FLAC3D数值模拟法进行隧道掘进爆破条件下的前洞围岩振动效应分析，将计算结果与试验数据的对比分析,证明应用此计算方法进行振动强度分析的可行性；进一步分析表明,全断面不同循环进尺爆破方案引起振动速度的分布规律基本相同；在爆破掌子面前,前洞迎爆侧边墙上的最大振动速度沿隧道轴线方向随水平距离增大有明显的放大现象,最大振动速度发生在爆破掌子面前面10m左右前洞断面迎爆侧的边墙上;在爆区附近,前洞迎爆侧围岩上的振动速度是背爆侧的6—10倍。

工作原理：本发明提供了一种爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，该方法的步骤包括：采用Flac3D数值模拟方法对爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动进行了分析，在Flac3D中建立P波作用下地下圆洞的数值模型，分析P波传播过程中质点运动的偏转规律，并进行计算；计算过程中，视围岩为各向同性均质介质，本模型采用线弹性模型，洞壁无支护；计算范围取100m×100m×2m，外边界设置粘滞边界，防止波在外边界上的反射；分析计算结果，不同工况下应力波通过圆洞时围岩质点的运动规律总体一致，应力波通过圆洞时分为通过前、通过时和通过后3个阶段，总结围岩质点在各阶段的运动规律，并分析无限线弹性岩体介质中深埋圆形隧道对P波的衍射问题；研究质点振动速度缩放效应，即对圆洞水平和竖直向的质点振动特征进行分析，并对洞壁围岩的最大水平向振动速度分布特征进行统计分析，主要对其振动速度的放大效应进行研究，定义洞壁的最大振速放大系数K：K=V_max/[V]；研究洞周围岩中质点振动的规律及其影响因素：即分析振源频率对质点振动速度方向效应的影响，对隧洞直径对振速集中效应的影响规律进行研究；研究洞周围岩中质点振动的规律及其影响因素：对围岩力学性质进行了分析研究，并且振源特征、围岩性质以及洞室形状均对振动速度放大效应有显著的影响，为了分析三者的综合影响规律，对波长-洞径比对振速放大效应的影响进行分析。

本发明提供的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，采用数值模拟方法，分析了爆破地震波中的P波与邻近圆形隧道的相互作用，研究了不同工况下围岩质点振动分布规律。计算结果表明，应力波通过圆洞时，围岩中质点的振动方向将在洞壁附近发生微小的偏转，同时将使洞壁附近围岩的质点振动速度大于或小于振源速度，具有显著的质点振动缩放效应，振动频率、隧道尺寸、围岩性质以及波长-洞径比对其质点振动速的缩放效应的影响都较为显著。这些结论对工程的实施具有重要意义，并且本研究方法简单，大大降低了本领域人员工程作业的难度，为深埋圆形隧道围岩的爆破提供了理论依据，大大方便了爆破工程的进行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

步骤一、采用Flac3D数值模拟方法对爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动进行分析，在Flac3D中建立P波作用下地下圆洞的数值模型，分析P波传播过程中质点运动的偏转规律，并进行计算；

步骤二、计算过程中，视围岩为各向同性均质介质，采用线弹性模型，洞壁无支护；计算范围取100m×100m×2m，外边界设置粘滞边界；

步骤三、分析计算结果，应力波通过圆洞时分为通过前、通过时和通过后3个阶段，总结围岩质点在各阶段的运动规律，并分析无限线弹性岩体介质中深埋圆形隧道对P波的衍射问题；

步骤四、研究质点振动速度缩放效应，即对圆洞水平和竖直向的质点振动特征进行分析，并对洞壁围岩的最大水平向振动速度分布特征进行统计分析，对其振动速度的放大效应进行研究；

步骤五、研究洞周围岩中质点振动的规律及其影响因素：分析振源频率对质点振动速度方向效应的影响，对隧洞直径对振速集中效应的影响规律进行研究；

步骤六、研究洞周围岩中质点振动的规律及其影响因素：对围岩力学性质进行分析研究，对波长-洞径比对振速放大效应的影响进行分析。

2.如权利要求1所述的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，其特征在于，在步骤三中，应力波通过圆洞时可分为通过前、通过时和通过后3个阶段，围岩质点在各阶段的运动规律。

3.如权利要求1所述的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，其特征在于，在步骤三的计算结果中表明，P波作用下洞壁围岩质点的振动周期与振源一致，但振动速度幅值存在较显著的差异，P波通过圆洞时，由其诱发的洞壁围岩质点振动方向和频率与振源是基本一致的，但洞壁围岩质点的振动速度将发生放大或缩小；不同工况下圆洞对P波振动速度的放大效应具有一定的规律，即距离振源较近的半个圆洞断面上，洞壁质点的最大振动速度均大于振源；而距离振源较远的半个圆洞断面上，洞壁质点的最大振动速度均小于振源；而二者的分界点处，质点的最大振动速度与振源相等。

4.如权利要求1所述的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，其特征在于，步骤四的分析结果表明，与洞壁上围岩质点的振动规律相比，围岩内部各质点的振动周期亦与振源一致，而随着质点距离洞壁距离的增大，其振动速度的幅值逐渐接近振源的振幅；在距离振源较近的半个圆洞断面上，围岩质点的最大振动速度随其径向距离的变化较大，且在通过圆心的水平轴上，质点振速振幅变化最为显著；而距离振源较远的半个圆洞断面上，围岩质点的最大振动速度较为接近，且略小于振源速度；其质点振动速度也是振源振速的线性函数，即振源振速成倍增大时，圆洞围岩的质点振速也成倍增加。

5.如权利要求1所述的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，其特征在于，步骤五中分析振源频率对质点振动速度方向效应的影响的计算结果显示，在其他参数固定，随着入射应力波振动频率的增大，洞壁上的振动速度缩放效应呈现非线性变化特征；为围岩参数不同，直径分别6m和10m的两个圆洞，当入射的P波振动频率分别自10Hz增加至100Hz时，洞壁上最大振速放大系数呈现典型的三个变化阶段，对三个变化阶段进行分析，分析结果表面应力波作用下，洞壁附近岩体的振动速度缩放效应具有一定的频率敏感区间，即在振动频率较低，大致在10Hz至40Hz左右，振动频率对地下洞室的振速集中效应影响较大；而频率较高时，即在40Hz至100Hz左右，振动频率对地下洞室的振速集中效应影响较小。

6.如权利要求1所述的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，其特征在于，步骤五的对隧洞直径对振速集中效应的影响规律进行了研究计算结果显示，在入射应力波参数和围岩参数完全相同的条件下，随着圆洞直径的增大，洞壁的最大振动速度集中系数呈现非线性增大，这表明地下洞室的尺寸越大，对应力波越敏感；计算结果显示，在距离振源较近的半个断面空间内，圆洞的直径越大，其峰值振速越大，即振速放大效应越显著；而在距离振源较远的半个断面空间内，圆洞的直径越小，其向峰值振速越大，即振速放大效应越显著；在上述两断面的对称轴上，不同直径下洞壁的振速相近，都接近振源速度，但上述两种情况下，距离振源较近洞壁峰值振速比距离振源较远的一次大的多。

7.如权利要求1所述的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，其特征在于，洞室直径为6m时，设入射P波的频率为30Hz、60Hz和90Hz，洞室围岩取不同的力学参数，隧道围岩越硬脆，振源在围岩中引起的质点振动效应越弱，反之，隧道围岩越软，振源在围岩中引起的质点振动效应强烈；其次，不同频率下三种不同性质围岩对应力波的入射响应也有显著的差异，在振动频率较低时，三种工况的振速放大效应差别较大，而随着振动频率的提高，三者的差异逐渐缩小，在100Hz左右，三者基本一致。

8.如权利要求1所述的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，其特征在于，振源特征、围岩性质以及洞室形状均对振动速度放大效应有显著的影响，为了分析三者的综合影响规律，对波长-洞径比对振速放大效应的影响进行了分析，定义η为波长-洞径比，相比其它参数，η包含了弹性模量E、泊松比μ、密度ρ、直径D和频率f的综合信息；

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\λ}}{D}=\frac{V_p}{D\×f}$

计算结果显示，波长-洞径比η对圆洞振速放大效应的影响具有显著的规律性，分别对洞径为3m、6m和10m的圆洞进行分析，不同洞径下洞壁最大振速放大系数随η的变化趋势是一致的，即随着η的增大，最大振速放大系数先减小，最终趋于稳定，且η为30～40时是曲线的拐点，即入射弹性波的波长大于30～40倍的洞径时，圆洞围岩质点的振速放大效应将逐渐不显著，且质点的振速将越来越接近振源的振速；洞径不同时，波长-洞径比对振速放大效应的影响是不同的，相对而言，洞径越大对波长-洞径比越敏感。

9.如权利要求1所述的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，其特征在于，本发明采用数值模拟方法，分析了无限线弹性岩体介质中深埋圆形隧道对P波的衍射问题，研究了洞周围岩中质点振动的规律及其影响因素，主要结论包括：

（1）应力波通过圆洞时，围岩中质点的振动方向总体与波的传播方向一致，但P波在洞壁边界上发生反射，将导致洞壁附近质点的振动方向会在不同的时刻向洞内和洞外方向发生小角度的偏转；

（2）与动应力集中现象相似，P波衍射过程中也将导致洞周围岩质点的振动速度与振源速度不同，即距离振源较近的半个圆洞断面上，洞壁附近质点的最大振动速度均大于振源；而距离振源较远的半个圆洞断面上，洞壁附近质点的最大振动速度均小于振源；而二者的分界点处，围岩质点的最大振动速度基本与振源一致；

（3）振动频率、洞室尺寸和围岩性质对洞室质点振动速度的缩放效应的影响都较为显著，在振动频率较低，如在10Hz至40Hz左右时，振动频率对地下洞室的振速集中效应影响较大；而频率较高时，即在40Hz至100Hz左右，振动频率对地下洞室的振速集中效应影响较小；地下洞室的尺寸越大，对应力波越敏感，其振动速度放大效应越显著；围岩越硬脆，振源在围岩中引起的质点振动效应越弱，反之，隧道围岩越软，振源在围岩中引起的质点振动效应强烈；

（4）波长-洞径比对圆洞围岩振速放大效应的影响也具有显著的规律性，最大振速放大系数随着波长-洞径比的增大将逐渐减小并最终趋于稳定，且入射弹性波的波长大于30～40倍的洞径时，圆洞围岩质点的振速放大效应将逐渐不显著，且质点的振速将越来越接近振源的振速，相对而言，洞径越大对波长-洞径比越敏感。

10.如权利要求1所述的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，其特征在于，根据爆破地震波位移势函数的特点，采用分离变量的方法，求解得到轴坐标下的围岩质点运动规律，求出围岩中应力随轴向距离、径向距离和时间的变化规律；把一般情况下的爆破气体压力作为边界应力条件载荷，施加于巷道围岩，求解得到应力变化的振幅参数。

11.如权利要求1所述的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，其特征在于，将爆破地震波进行合理近似简化，采用波函数展开法，推导出无限岩石介质中爆破地震波作用下隧道围岩和衬砌动应力集中系数的表达式；分析隧道不同位置上爆破地震波主频、隧道几何参数和隧道围岩和衬砌物理力学指标对动应力集中系数的影响；分析结果表明，爆破地震波主振频率对隧道围岩和衬砌中的动应力集中系数（DSCF）影响较大，隧道不同位置和不同方向应力的动应力集中系数随主振频率的变化趋势不同，低主振频率引起的动应力集中系数较大，不利于隧道的抗爆破振动；隧道几何参数对隧道围岩和衬砌内侧切向应力动应力集中系数影响趋势不同；隧道衬砌弹性模量对隧道结构动应力集中系数影响较大，泊松比次之；泊松比较大的隧道围岩具有一定的抗爆破振动作用，但效果有限。

12.如权利要求1所述的爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律测试方法，其特征在于，应用FLAC3D数值模拟法进行隧道掘进爆破条件下的前洞围岩振动效应分析，将计算结果与试验数据的对比分析,证明应用此计算方法进行振动强度分析的可行性；进一步分析表明,全断面不同循环进尺爆破方案引起振动速度的分布规律基本相同；在爆破掌子面前,前洞迎爆侧边墙上的最大振动速度沿隧道轴线方向随水平距离增大有明显的放大现象,最大振动速度发生在爆破掌子面前面10m左右前洞断面迎爆侧的边墙上;在爆区附近,前洞迎爆侧围岩上的振动速度是背爆侧的6—10倍。

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