CN107130966A - 隧洞爆破开挖损伤预测方法及爆破方案优化调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种隧洞爆破开挖损伤预测方法及隧洞爆破方案优化调控方法，能够体现爆破开挖损伤区孕育演化过程，并通过优化爆破设计对其进行主动调控。本发明所提供的基于振动速度的隧洞爆破开挖损伤预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.在一定的爆破设计参数条件下进行现场爆破试验，对每一段别爆破完成后诱发的损伤深度进行检测，并在预定距离处检测各段爆破诱发的振动速度；步骤2.建立各段别振动速度和损伤深度之间的拟合关系；步骤3.进行爆破进尺开挖时，在距离爆源预定距离处布置爆破振动检测仪，检测各段别爆破诱发的实际振动速度，以各个实际振动速度为依据，根据步骤2所得拟合关系计算出各段别分别诱发的损伤深度。

Description

隧洞爆破开挖损伤预测方法及爆破方案优化调控方法

技术领域

本发明属于隧洞爆破领域，具体涉及基于振动速度的隧洞爆破开挖损伤预测方法以及爆破方案优化调控方法。

技术背景

随着水电、矿产等领域的推进，地下洞室工程建设也越来越多，因此面临大量的洞室岩体开挖卸荷及岩体松动问题，在实际开挖过程中，隧洞的爆破开挖损伤区的形成是一个复杂的三维变化过程，爆破开挖挠动对岩体的影响主要与重复多次爆炸荷载的作用、岩石的不均匀性、自由面以及围岩应力的重分布等相关，而且洞室的爆破开挖往往是在多段爆破后才完成的，围岩受到的爆炸荷载的作用是一个重复扰动的过程。

爆炸应力波是岩体爆破开挖粉碎区及裂隙区形成的主要因素，在隧洞岩体爆破开挖过程中，炸药爆炸产生的冲击波，在冲击波及应力波的作用下造成岩体的振动，使得围岩力学性能劣化，围岩产生一定的损伤，从而影响岩体的安全性和完整性，当爆破振动到达一定的速度之后，可能会导致岩体的失稳坍塌，并且爆破振动的重复影响会不断加大岩体的损伤破坏范围，影响施工安全。因此，对爆破振动速度的控制是保证施工质量的关键因素之一。爆破诱发振动是公认的爆破灾害之首，尤其是深埋隧洞的爆破开挖，岩石爆破诱发的振动会对隧洞的保留岩体、支护结构等造成负面影响。在岩体爆破开挖过程中为了岩体的稳定与施工安全，必须严格控制爆破开挖造成的岩体损伤范围。

对损伤深度的判断除了采用现场检测的方法外，可通过振动速度作为一种损伤判据来断定岩体是否损伤，在爆破振动的传播规律中，国内外的学者普遍采用质点峰值振动速度(PPV)来作为一种判别标准，但由于实际工程的复杂性，理论公式并不十分方便的应用在工程实践中。目前国内普遍采用前苏联萨道夫斯基公式来推求爆破振动质点峰值振动速度与爆心距、装药量之间的关系：

式中：v为质点峰值振动速度，cm/s；Q为爆破的段装药量(单响药量)，kg；R为质点到爆源之间的距离，爆心距，m；k与α为待定系数，与爆破环境、爆破设计等条件相关。

在实际工程爆破检测过程中，质点振动速度作为衡量爆破振动强度的一个指标，可通过现场检测的方法获取，但爆破对岩体造成的损伤深度的直接检测往往比较困难，目前主要采用围岩变形检测、钻孔电视以及声波测试的方法在实际工程中确定开挖损伤区的范围大小，但这些方法仅能反应宏观的损伤效应，对开挖损伤区演化过程中的力学变化过程和应力状态的变化难以评估，无法具体体现损伤区的孕育全过程，而近年来不断发展的检测技术(如岩体声发射及微地震检测)对该问题的探索有了进一步的进展；加拿大的URL地下实验室采用围岩水力渗透和声波测试的方法，对岩体的开挖损伤进行了分区，大致可分为外损伤区和内损伤区，但这个结果也只是开挖损伤区发展的最终状态的体现，没有体现损伤区孕育的时效机制，难以根据研究的结论对爆破设计进行优化。

因此，为解决在隧洞现场开挖环境下通过直接测量的方法所遇到的困难，如费用较高，耗时长，仅能检测最终损伤，不利于工程建设的顺利进行。并且传统的损伤深度检测方法只能对最终的损伤程度进行检测，无法反应各微差段分别诱发的损伤，难以根据最终的围岩损伤检测结果进行爆破设计优化。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于振动速度的隧洞爆破开挖损伤预测方法及隧洞爆破方案优化调控方法，能够体现爆破开挖损伤区孕育演化过程，并通过优化爆破设计对其进行主动调控，克服目前现场直接检测开挖损伤所遇到的各种不足和困难。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

<方案一>

本发明提供一种隧洞爆破开挖损伤预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.在一定的爆破设计参数条件下进行现场爆破试验，对每一段别爆破完成后诱发的损伤深度进行检测，并在预定距离处检测各段爆破诱发的振动速度；步骤2.建立各段别振动速度和损伤深度之间的拟合关系；步骤3.进行爆破进尺开挖时，在距离爆源预定距离处布置爆破振动检测仪，检测各段别爆破诱发的实际振动速度，以各个实际振动速度为依据，根据步骤2所得出的拟合关系计算出各段别分别诱发的损伤深度。

本发明提供一种隧洞爆破开挖损伤预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.在一定的爆破设计参数条件下进行现场爆破试验，对每一段别爆破完成后诱发的损伤深度进行检测，并在至少两个预定距离处分别检测各段爆破诱发的振动速度；步骤2.对于每个预定距离处检测出的数据，建立各段别振动速度和损伤深度之间的拟合关系；步骤3.进行爆破进尺开挖时，在距离爆源至少两个预定距离处布置爆破振动检测仪，检测各段别爆破诱发的实际振动速度，以各个实际振动速度为依据，根据步骤2所得出的各个拟合关系，求取不同的拟合关系下各段别分别诱发的损伤深度的平均值作为损伤深度预测值。

本发明所提供的隧洞爆破开挖损伤预测方法，还可以具有这样的特征：在步骤2中，是采用指数拟合和对数拟合中的任意一种拟合方法来建立拟合关系。

本发明所提供的隧洞爆破开挖损伤预测方法，还可以具有这样的特征：在步骤1中，一定的爆破设计参数条件为：满足岩体的种类与步骤3中进行爆破进尺开挖的岩体的种类相同，并且确保能够进行正常开挖的任意参数条件。

本发明所提供的隧洞爆破开挖损伤预测方法，还可以具有这样的特征：在步骤1中，预定距离为爆破飞石不损伤振动检测仪的安全距离。

<方案二>

本发明还提供了一种隧洞爆破方案优化调控方法，其特征在于：首先，采用<方案一>中所描述的隧洞爆破开挖损伤预测方法计算得到各段别分别诱发的损伤深度；然后，根据计算出的各段别的损伤深度，对爆破设计进行优化，进而对爆破开挖效果进行主动调控。

发明的作用与效果

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明操作简单，通过某一爆破参数现场试验检测后，即可应用到后期爆破参数改变时的损伤预测，计算不同爆破参数条件下各段别诱发的损伤深度，节省了大量的时间和工作量；

(2)本发明解决了按照传统的损伤深度检测方法(如钻孔电视或声波测试)的不足之处，在隧洞的现场开挖环境下，传统的损伤测量的方法困难，费用较高，耗时长，不利于工程建设的顺利进行；

(3)传统的损伤深度检测方法只能对最终的损伤进行检测，无法反应各微差段分别造成的损伤，无法根据损伤检测结果合理的优化爆破设计，而本发明可解决该问题，可以得出在一个开挖进尺内不同段别分别诱发的损伤深度，可直观的给出爆破诱发损伤的整个过程，对爆破开挖效果进行主动调控，为合理的优化爆破设计方法提供了非常可靠的依据；

(4)本发明适用于水利水电工程、交通、矿山、国防等领域，适用范围广，具有很好的工程推广应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例中圆形隧洞爆破开挖示意图；

图2为本发明实施例中爆破开挖损伤示意图；

图3为本发明实施例中爆破检测示意图；

图4为本发明实施例中各段爆破30m处振动曲线图；

图5为本发明实施例中各段爆破50m处振动曲线图；以及

图6为本发明实施例中振动速度与各段爆破损伤之间的对应关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的隧洞爆破开挖损伤预测方法以及爆破方案优化调控方法的具体实施方案进行详细地说明。本发明适用于地下洞室爆破开挖的优化设计，实施例中以圆形隧洞为例介绍其操作步骤：

<实施例>

本实施例所提供的隧洞爆破方案优化调控方法包括以下步骤：

步骤1.在一定的爆破设计参数条件下进行现场爆破试验，对每一段别爆破完成后诱发的损伤深度进行检测，并在两个预定距离处检测各段爆破诱发的振动速度。

如图1所示，隧洞爆破开挖往往由多个毫秒微差段组成，图中MS1～MS11代表不同延迟时间的延时段，I～VI是隧洞爆破多段别编号，P₀是围岩所处的地应力大小，k为侧压力系数，在浅埋洞室情况下可不考虑地应力大小。

爆破设计参数条件可以为：满足岩体的种类与后期进行爆破进尺开挖的岩体的种类相同，并且确保能够进行正常开挖的任意参数条件。本实施例中，爆破设计参数条件如下表1所示，I段爆破为MS1延时爆破段，MS1延时时间为0ms，起爆指令发出后直接起爆，而V段爆破为MS9延时爆破段，MS9延时时间为310ms，起爆指令发出后再经过310ms该段才起爆。

表1 爆破设计参数

试验阶段的爆破为实际工程爆破中的一部分，在试验阶段，如图2所示，以掌子面为基准，在第一预定距离(30m)和第二预定距离(50m)处布置振动检测仪，测量该每个预定距离处各段爆破诱发的振动速度，并检测各微差段诱发的损伤深度。这里，第一预定距离和第二预定距离都为爆破试验的安全距离，即、避免振动检测仪受到爆破飞石损伤的距离。

如图3所示，为爆破诱发损伤示意图，图中心多个重叠的虚线圆圈表示单个炮孔爆破诱发的裂隙区范围，中心虚线小圆表示掏槽段(MS1段)的炮孔裂隙区包络线，同心虚线大圆表示隧洞边界(即、MS11段光面爆破)，虚线小圆和大圆处的加粗圆弧为重点显示区域，阴影部分表示岩体损伤深度。

如图4和5所示，是基于上述爆破设计参数进行爆破试验后，在第一预定距离(30m)和第二预定距离(50m)处分别测量得到的振动曲线图。

步骤2.对于每个预定距离处检测出的数据，建立各段别振动速度和损伤深度之间的拟合关系，具体检测数据如下表2所示。

表2 不同距离处爆炸荷载质点峰值振动速度与损伤关系表

为保证拟合公式具有较高的相关系数，可以采用指数拟合或对数拟合来进行拟合。本实施例中，采用的是对数拟合，得到的两条拟合曲线如图6所示，两条曲线旁分别显示的是30m和50m处的两个拟合关系式。

步骤3.如图3所示，进行爆破进尺开挖时，以新的掌子面为基准，在距离新爆源同样的安全距离处(即、30m和50m)处布置爆破振动检测仪，检测各段别爆破诱发的实际振动速度，以各个实际振动速度为依据，根据上述步骤2所得出的各个拟合关系，求取不同的拟合关系下各段别分别诱发的损伤深度的平均值作为损伤深度预测值。

实际的工程爆破中，即使当后期开挖进尺的爆破参数变化时，依然可在预定距离处布置爆破振动检测仪，检测各段别爆破诱发的振动速度，根据步骤2中的拟合关系，从而可以在预测各微差段诱发的损伤深度。

将测得的30m处的实际振动速度和50m处的实际振动速度分别带入图6所示的两个拟合关系式中进行计算，得到相应的损伤结果，对两个损伤结果进行平均得到更加精确的损伤深度预测数据。

上述步骤1至3构成了隧洞爆破开挖损伤预测方法，无需对新开挖进尺进行损伤检测，就可预测各微差段诱发的损伤深度，从而清晰展示损伤孕育全过程。

步骤4.根据步骤3中预测的各段别的损伤深度，对爆破设计进行优化，进而对爆破开挖效果进行主动调控。例如，对岩体造成的损伤比较大的段别，可调整爆破参数，主动调控爆破开挖效果，例如当预测出MS9段对最终的围岩损伤贡献最大时，可调整MS9段的装药量或者炮孔布置的方式；对保留岩体损伤深度较深的段别，可减少装药量，或者重新设计爆破网络图，做到有理、有据，提高工程的安全性和经济性。

发明仅对开挖损伤进行预测的一种方法，通过该方法计算出各微差段的损伤深度，以此为依据对爆破设计进行优化。而易见的是，根据预测的损伤深度可以合理的优化爆破设计参数，从而减小爆破对保留岩体的损伤，保证施工的安全，具有一定的工程应用价值。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的隧洞爆破开挖损伤预测方法及隧洞爆破方案优化调控方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

在上述实施例中，步骤2和3中是选择两处预定距离处的数据进行拟合并计算平均损伤深度值，在精确性要求不是特别高的情况下，本发明也可以只选择一处预定距离处的数据进行拟合，相应的根据这一个拟合关系计算出损伤深度值；另外，在精确性要求非常高的情况下，本发明也可以选择三处以上的数据进行拟合，然后根据求取平均值。同时，通过所处检测得到多个拟合公式，还可在预测损伤深度时进行验证对比。

Claims (6)

1.一种隧洞爆破开挖损伤预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.在一定的爆破设计参数条件下进行现场爆破试验，对每一段别爆破完成后诱发的损伤深度进行检测，并在预定距离处检测各段爆破诱发的振动速度；

步骤2.建立各段别振动速度和损伤深度之间的拟合关系；

步骤3.进行爆破进尺开挖时，在距离爆源所述预定距离处布置爆破振动检测仪，检测各段别爆破诱发的实际振动速度，以各个所述实际振动速度为依据，根据所述步骤2所得出的拟合关系计算出各段别分别诱发的损伤深度。

2.一种隧洞爆破开挖损伤预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.在一定的爆破设计参数条件下进行现场爆破试验，对每一段别爆破完成后诱发的损伤深度进行检测，并在至少两个预定距离处分别检测各段爆破诱发的振动速度；

步骤2.对于每个所述预定距离处检测出的数据，建立各段别振动速度和损伤深度之间的拟合关系；

步骤3.进行爆破进尺开挖时，在距离爆源所述至少两个预定距离处布置爆破振动检测仪，检测各段别爆破诱发的实际振动速度，以各个所述实际振动速度为依据，根据所述步骤2所得出的各个所述拟合关系，求取不同的所述拟合关系下各段别分别诱发的损伤深度的平均值作为损伤深度预测值。

3.根据权利要求1或2所述的隧洞爆破开挖损伤预测方法，其特征在于：

在所述步骤2中，是采用指数拟合和对数拟合中的任意一种拟合方法来建立所述拟合关系。

4.根据权利要求1或2所述的隧洞爆破开挖损伤预测方法，其特征在于：

在所述步骤1中，所述一定的爆破设计参数条件为：满足岩体的种类与所述步骤3中进行所述爆破进尺开挖的岩体的种类相同，并且确保能够进行正常开挖的任意参数条件。

5.根据权利要求1或2所述的隧洞爆破开挖损伤预测方法，其特征在于：

在所述步骤1中，所述预定距离为爆破飞石不损伤振动检测仪的安全距离。

6.一种隧洞爆破方案优化调控方法，其特征在于：

首先，采用权利要求1至5中任意一项所述的隧洞爆破开挖损伤预测方法计算得到各段别分别诱发的损伤深度；

然后，根据计算出的所述各段别的所述损伤深度，对爆破设计进行优化，进而对爆破开挖效果进行主动调控。