CN107505043B - 一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法。在掌子面后方布置一组爆破振动监测点；基于Q分类法对开挖裸露的围岩进行分类，并通过公式换算获得一组监测点的等效岩体质量A值；应用其中一次爆破的最大单段装药量、爆心距、合峰值速度及A值对萨道夫斯基公式进行修正并拟合，获得围岩振动传播规律公式；基于围岩振动传播规律公式及后续的爆破参数、各监测点的A _i 值，获得合峰值振动速度预测值，并与实测值对比，获得各监测点的振速降低比率，将其算术平均值作为围岩爆破损伤程度。本发明考虑了岩体质量对围岩爆破振动传播的影响，利用各监测点的合峰值振速降低比率的算术平均值作为围岩损伤程度评价指标，具有合理性和可靠性。

Description

一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法

技术领域

本发明涉及爆破开挖作用下地下工程围岩损伤评价领域，特别是一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法。

背景技术

地下水封洞库是在一定容积的岩石空穴中利用地下水的压力密封作用将能源(石油、液化石油气等)储存其中，多采用高边墙、大跨度地下洞室，施工期采用钻爆法开挖，其运行时长期处于动态的地下水环境。地下水封洞库作为我国未来油气能源储存的主要形式，具有安全、环保、节省费用和节约土地等优势。

地下水封洞库爆破开挖不可避免地会引起周围岩体的振动，导致围岩损伤以及渗透特性的变化，对洞库水封性与稳定性具有重要影响。目前，国内外对岩体工程中岩体损伤的评价方法主要有：①直观检测、超挖测量与激光检测，此主要是基于岩体开挖面的人工及光学检测，根据工程经验对围岩损伤进行评价；②爆破前后的裂纹密度评价，此主要是通过对爆破前后围岩节理裂隙密度、RQD值进行对比分析，进而对围岩损伤进行评价；③依据爆破半孔率并结合规范中的经验公式等，对围岩损伤进行评价；④声波速度检测，此主要利用声波测试仪器对爆破前后围岩的波速进行测量，从而基于波速变化对围岩损伤进行评价。总体而言，目前应用较多的是岩体声波波速检测方法，理论和实践均证明，岩体声波波速检测是评价岩体损伤的有效方法。然而，实际操作过程中声波波速检测方法需要施工较多钻孔，并且检测范围较小，这将耗费大量时间及金钱。

目前，尚缺少针对地下水封洞库工程特性的洞库围岩爆破损伤评价指标及评价方法。本发明应用爆破振动速度降低比率作为洞库围岩爆破损伤评价指标，将现有《爆破安全规程》(GB6722-201)推荐的萨道夫斯基公式进行修正以考虑围岩质量的影响，并应用洞库工程中常用的Q分类法进行围岩质量分级，提出了洞库围岩爆破损伤程度评价方法体系，可简便、合理地准确反映围岩的综合损伤程度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法，该方法考虑了岩体质量对围岩爆破振动传播的影响，利用各监测点的合峰值振速降低比率的算术平均值作为围岩损伤程度评价指标，具有合理性和可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法，在掌子面后方布置一组爆破振动监测点；基于Q分类法对开挖裸露的围岩进行分类，并通过公式换算获得一组监测点的等效岩体质量A值；应用其中一次爆破的最大单段装药量、爆心距、合峰值速度及A值对萨道夫斯基公式进行修正并拟合，获得围岩振动传播规律公式；基于围岩振动传播规律公式及后续的爆破参数、各监测点的A_i值，获得合峰值振动速度预测值，并与实测值对比，获得各监测点的振速降低比率，将其算术平均值作为围岩爆破损伤程度。

在本发明一实施例中，该方法具体实现如下，

S1、在洞室掌子面后方的爆破振动区选定一组爆破振动监测点位置，在每个监测点安置一台爆破测振仪，以准确监测爆破开挖时围岩的振动特性；

S2、基于岩体质量等级Q分类法，对其中一次爆破后掌子面至第i个爆破振动监测点间的各段围岩进行分类，获得各段围岩的Q值，再将各段围岩的Q值进行加权平均获得值，如下：

式中，Q_ij为第i个监测点与掌子面间的第j段围岩的Q值，L_ij为第i个监测点与掌子面间的第j段围岩沿洞室走向的长度，n为第i个监测点与掌子面间的围岩总段数，为第i个监测点与掌子面间围岩的平均Q值；

S3、假定一组爆破振动监测点共P个，将各监测点对应的值进行算术平均，采用下式获得表征一组爆破振动监测点对应的等效岩体质量A值：

式中，为第i个监测点与掌子面间围岩的平均Q值，β是防止A≤0且合理表征围岩质量影响的系数；

S4、基于一组爆破振动监测点对应的A值，对萨道夫斯基公式进行修正，以考虑围岩质量对爆破振动的影响，修正后的公式如下：

式中，V为质点合峰值振动速度，K＇为消除围岩质量影响的爆破场地与地形地质条件有关的系数，a＇为消除围岩质量影响的振动衰减指数，W为延时爆破中一次爆破的最大单段装药量，R为爆心距；

S5、基于其中一次爆破振动监测数据，包括最大单段装药量W、各监测点的爆心距R、各监测点的合峰值振动速度V，获取各监测点与掌子面间围岩的平均Q值并确定表征一组爆破振动监测点对应的等效岩体质量A值，以W^1/3/R为自变量、V为因变量，应用幂函数进行数据拟合；基于拟合函数的系数，代入A值，可获得K＇和a＇；

S6、基于公式(3)，预测后续第m次爆破产生的各监测点合峰值振动速度；具体为，将后续第m次的爆破参数及第i个监测点对应的等效围岩质量A_i代入拟合公式，可得到该监测点的合峰值振动速度预测值V_i＇，其中，第m次的爆破参数包括最大单段装药量W_m、爆心距R_m；

S7、将后续第m次爆破获得的第i个监测点的合峰值振动速度实测值V_i与预测值V_i＇进行对比，应用下式获得后续m次爆破作用下围岩的合峰值振速降低比率：

S8、应用下式获取后续第m次爆破作用下，一组监测点中各个合峰值振速降低比率的平均值，并将其确定为后续第m次爆破作用下围岩损伤程度D_m：

在本发明一实施例中，所述步骤S1中，监测点位置距掌子面不小于40m，各监测点间距应依次增大，最小间距不小于10m，各监测点应处于同一高程面且与爆源中心高程相当，各监测点之间不应有空洞间隔；为了增加数据拟合精度，同一组监测点不应少于5个。

在本发明一实施例中，所述步骤S2中，应在每次爆破开挖后，对新出露的围岩进行地质编录，并采用岩体质量等级Q分类法确定新出露围岩的Q值。

在本发明一实施例中，所述步骤S3中，β取值范围为[3,6]。

在本发明一实施例中，所述β取3.5。

在本发明一实施例中，所述步骤S7中，由于爆破会对围岩造成损伤，因而在某次爆破前预测的质点合峰值振动速度应大于爆破实测值；当质点合峰值振动速度预测值小于实测值时，规定合峰值振速降低比率为0。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)引入地下水封洞库工程中常用的岩体质量等级Q分类法，对《爆破安全规程》(GB6722-2014)推荐的萨道夫斯基公式进行修正，以考虑围岩质量对爆破振动的影响，从而使得爆破开挖下围岩振动特性能得到合理、准确的描述；

(2)应用各个监测点的合峰值振动速度降低比率的平均值，作为评价爆破开挖下围岩损伤程度的指标，具有合理性、可行性和可靠性；

(3)提出的评价方法步骤较少，计算简单，适合现场工作人员应用，且利用的数据来源于普通的爆破振动监测，无需钻孔声波测试等繁琐、昂贵的测试，能节省成本。

附图说明

图1为本发明评价方法的流程图。

图2为本发明实施例中爆破振动监测点平面布置图。

图3为本发明实施例中掌子面与5号监测点间围岩质量分布示意图。

图4为本发明实施例中修正的萨道夫斯基公式的幂函数拟合示意图。

图中标号：

1-第1号监测点；2-第2号监测点；3-第3号监测点；4-第4号监测点；5-第5号监测点；6-未开挖的洞室边界线；7-掌子面；8-洞室边墙。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法，能够克服现有《爆破安全规程》(GB6722-201)推荐的萨道夫斯基公式中未直接考虑围岩质量对爆破振动影响的弊端，利用合峰值振速降低比率的平均值来表征围岩爆破损伤程度，可简便、合理地准确反映围岩的综合损伤程度。

为此本发明的一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法，通过在掌子面后方布置一组爆破振动监测点；基于Q分类法对开挖裸露的围岩进行分类，并通过公式换算获得一组监测点的等效岩体质量A值；应用其中一次爆破的最大单段装药量、爆心距、合峰值速度及A值对萨道夫斯基公式进行修正并拟合，获得围岩振动传播规律公式；基于围岩振动传播规律公式及后续的爆破参数、各监测点的A_i值，获得合峰值振动速度预测值，并与实测值对比，获得各监测点的振速降低比率，将其算术平均值作为围岩爆破损伤程度；该方法具体实现如下，

S1、在洞室掌子面后方的爆破振动区选定一组爆破振动监测点位置，在每个监测点安置一台爆破测振仪，以准确监测爆破开挖时围岩的振动特性；

S2、基于岩体质量等级Q分类法，对其中一次爆破后掌子面至第i个爆破振动监测点间的各段围岩进行分类，获得各段围岩的Q值，再将各段围岩的Q值进行加权平均获得值，如下：

式中，Q_ij为第i个监测点与掌子面间的第j段围岩的Q值，L_ij为第i个监测点与掌子面间的第j段围岩沿洞室走向的长度，n为第i个监测点与掌子面间的围岩总段数，为第i个监测点与掌子面间围岩的平均Q值；

S3、假定一组爆破振动监测点共P个，将各监测点对应的值进行算术平均，采用下式获得表征一组爆破振动监测点对应的等效岩体质量A值：

式中，为第i个监测点与掌子面间围岩的平均Q值，β是防止A≤0且合理表征围岩质量影响的系数；一般3＜β＜6，建议取3.5；

S4、基于一组爆破振动监测点对应的A值，对萨道夫斯基公式(《爆破安全规程》(GB6722-2014)推荐)进行修正，以考虑围岩质量对爆破振动的影响，修正后的公式如下：

式中，V为质点合峰值振动速度(cm/s)，K＇为消除围岩质量影响的爆破场地与地形地质条件有关的系数，a＇为消除围岩质量影响的振动衰减指数，W为延时爆破中一次爆破的最大单段装药量(kg)，R为爆心距(m)；

S5、基于其中一次爆破振动监测数据，包括最大单段装药量W、各监测点的爆心距R、各监测点的合峰值振动速度V，获取各监测点与掌子面间围岩的平均Q值并确定表征一组爆破振动监测点对应的等效岩体质量A值，以W^1/3/R为自变量、V为因变量，应用幂函数进行数据拟合；基于拟合函数的系数，代入A值，可获得K＇和a＇；

S6、基于公式(3)，预测后续第m次爆破产生的各监测点合峰值振动速度；具体为，将后续第m次的爆破参数及第i个监测点对应的等效围岩质量A_i代入拟合公式，可得到该监测点的合峰值振动速度预测值V_i＇，其中，第m次的爆破参数包括最大单段装药量W_m、爆心距R_m；

式中，K＇和a＇为通过步骤S5获得的拟合参数，β取值与步骤S3相同。

S7、将后续第m次爆破获得的第i个监测点的合峰值振动速度实测值V_i与预测值V_i＇进行对比，应用下式获得后续m次爆破作用下围岩的合峰值振速降低比率：

S8、应用下式获取后续第m次爆破作用下，一组监测点(共P个)中各个合峰值振速降低比率的平均值，并将其确定为后续第m次爆破作用下围岩损伤程度D_m：

所述步骤S1中，为较好地保证监测仪器的安全并满足萨道夫斯基公式的适用条件，监测点位置距掌子面不应小于40m，各监测点间距应依次增大，最小间距不宜小于10m，各监测点应处于同一高程面且与爆源中心高程相当，各监测点之间不应有空洞间隔；为了增加数据拟合精度，同一组监测点不应少于5个。

所述步骤S2中，应在每次爆破开挖后，对新出露的围岩进行地质编录，并采用岩体质量等级Q分类法确定新出露围岩的Q值。

所述步骤S3中，由于各监测点对应的值不同，导致应用某个公式进行一组监测数据的拟合时，无法确定应用哪个监测点的值。为了统一描述围岩质量对爆破振动的影响，提出采用等效岩体质量A值。

所述步骤S4中，大量的监测数据及事实表明，围岩质量等级对围岩爆破振动特性具有重要影响，而《爆破安全规程》(GB6722-2014)推荐的萨道夫斯基公式中仅简单采用K与α两个参数来表征振动特性，其中K为与爆破场地的地形地质条件有关的系数，α为振动衰减指数。这忽视了爆破振动的围岩质量效应。本次采用表征一组爆破振动监测点对应的等效岩体质量A值进行公式修正，考虑了围岩质量效应。当岩石越坚硬时，同等条件下围岩质量等级越高(Q值越大)，而K与α越低，即围岩质量等级Q值与K、α为负相关关系。

所述步骤S5中，各监测点的合峰值振动速度V、一次爆破最大单段装药量W、各监测点的爆心距R均为已知量，于是以W^1/3/R为横坐标、V为纵坐标，建立幂函数模型y＝ax^b。利用Excel软件或Matlab软件等数据处理软件对该幂函数进行拟合，获得a、b。将a、b分别乘以A值即可获得K＇与a＇。

所述步骤S6中，以第i个监测点对应的等效围岩质量A_i值建立式(5)，使获得的第i个监测点的质点合峰值振动速度预测值V_i＇更加合理。

所述步骤S7中，由于爆破会对围岩造成损伤，因而在某次爆破前预测的质点合峰值振动速度应大于爆破实测值。但因地质问题的复杂性，出现异常现象是难免的。因此，当质点合峰值振动速度预测值小于实测值时，规定合峰值振速降低比率为0。

所述步骤S8中，各监测点的合峰值振速降低比率算术平均后获得围岩损伤程度D_m，用以表征掌子面至监测点间的围岩在m次爆破作用下造成的综合损伤程度。

以下为本发明的具体实施例。

步骤1：假定某地下水封洞库工程，自洞室掌子面后方(没有跨过洞室)40m距离的爆破振动区开始向后依次布置一组爆破振动监测点5个，并应用爆破测振仪进行振动监测，以保证数据拟合精度。各监测点间距按10m、15m、20m、25m设置，同时将各监测点调整到与爆源中心在同一水平面上，各监测点之间无空洞间隔，以准确监测爆破开挖时围岩的振动特性。各监测点位置详见图2。

步骤2：在每次爆破开挖后，基于岩体质量等级Q分类法，对每次爆破后掌子面至各爆破振动监测点间的各段围岩进行地质编录，获得各段围岩的Q值，再将各段围岩的Q值进行加权平均获得值，如下：

式中，Q_ij为第i个监测点与掌子面间的第j段围岩的Q值，L_ij为第i个监测点与掌子面间的第j段围岩沿洞室走向的长度，n为第i个监测点与掌子面间的围岩总段数，为第i个监测点与掌子面间围岩的平均Q值。以第5个监测点为例，各段围岩分布示意图见图3，各段围岩编录数据如表1所示。

表1各段围岩的岩体质量Q值及长度

围岩段别	第1段	第2段	第3段	第4段	第5段	第6段	第7段
								岩体质量Q值	12	16	23	28	35	25	20
各段长度(m)	10	15	15	10	15	20	25

步骤3：将各监测点对应的值进行算术平均，采用下式获得表征一组爆破振动监测点对应的等效岩体质量A值：

式中，为第i个监测点与掌子面间围岩的平均Q值，β是防止A≤0且合理表征围岩质量影响的系数；一般3＜β＜6，建议取3.5。值及A值数据见表2。

表2各监测点的值及A值表

步骤4：当岩石越坚硬时，同等条件下围岩质量等级越高(Q值越大)，而K与α越低，即围岩质量等级Q值与K、α为负相关关系，因而采用一组爆破振动监测点对应的等效岩体质量值(A＝4.830)，对《爆破安全规程》(GB6722-2014)推荐的萨道夫斯基公式进行修正。以考虑围岩质量对爆破振动的影响，修正后的公式如下：

式中，V为质点合峰值振动速度(cm/s)，K＇为消除围岩质量影响的爆破场地与地形地质条件有关的系数，a＇为消除围岩质量影响的振动衰减指数，W为延时爆破中一次爆破的最大单段装药量(kg)，R为爆心距(m)；

步骤5：基于爆破振动监测数据(最大单段装药量W、各监测点的爆心距R、各监测点的合峰值振动速度V)，以及步骤(4)获得的等效岩体质量A值(4.83)，以(W^1/3/R)为自变量、V为因变量，建立幂函数模型y＝ax^b利用Excel软件或Matlab软件等数据处理软件对该幂函数进行拟合，获得a＝54.383、b＝1.438。将a、b分别乘以A值即可获得K＇＝262.679、α＇＝6.946。爆破参数与现场振动监测数据见表3，拟合所得幂函数曲线见图4。

表3爆破参数与现场振动监测数据

监测点编号	爆心距R(m)	最大单段装药量W(kg)	合峰值振速V(cm/s)
				第1号	40	70	1.95
第2号	50	70	1.52
				第3号	65	70	1.10
第4号	85	70	0.70
				第5号	110	70	0.46

步骤6：获得爆破合峰值振动速度拟合公式后，预测后续第2次爆破产生的各监测点合峰值振动速度。具体为，将后续第2次的爆破参数(最大单段装药量W₂，爆心距R₂)及第i个监测点对应的等效围岩质量A_i(式(4))代入拟合公式，可得到该监测点的合峰值振动速度预测值V_i＇(式(5))。

式中，K＇和a＇为通过步骤5获得的拟合参数，β取值与步骤3相同。假定一次爆破进尺为2.5m，则各监测点对应的爆心距应在原拟合时所用的爆心距上加上5m(2.5m×2)，各监测点V_i＇、A_i、爆心距数据见表4。

表4围岩损伤程度计算表

步骤7：将后续第2次爆破获得的第i个监测点的合峰值振动速度实测值V_i与预测值V_i＇进行对比，由于爆破会对围岩造成损伤，因而在爆破前预测的质点合峰值振动速度应大于爆破实测值。但因地质问题的复杂性，出现异常现象是难免的。因此，当质点合峰值振动速度预测值小于实测值时，规定合峰值振速降低比率为0。式(6)为后续2次爆破作用下围岩的合峰值振速降低比率的计算式：

步骤8：应用下式获取后续第2次爆破作用下，一组监测点(共P个)中各个合峰值振速降低比率的平均值，并将其确定为后续第2次爆破作用下围岩损伤程度D₂，其计算过程及数据如表4所示，由此获得后续第2次爆破开挖后，围岩的综合损伤程度为5.0％。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法，其特征在于：在掌子面后方布置一组爆破振动监测点；基于Q分类法对开挖裸露的围岩进行分类，并通过公式换算获得一组监测点的等效岩体质量A值；应用其中一次爆破的最大单段装药量、爆心距、合峰值速度及A值对萨道夫斯基公式进行修正并拟合，获得围岩振动传播规律公式；基于围岩振动传播规律公式及后续的爆破参数、各监测点的A_i值，获得合峰值振动速度预测值，并与实测值对比，获得各监测点的振速降低比率，将其算术平均值作为围岩爆破损伤程度；该方法具体实现如下，

S1、在洞室掌子面后方的爆破振动区选定一组爆破振动监测点位置，在每个监测点安置一台爆破测振仪，以准确监测爆破开挖时围岩的振动特性；

S2、基于岩体质量等级Q分类法，对其中一次爆破后掌子面至第i个爆破振动监测点间的各段围岩进行分类，获得各段围岩的Q值，再将各段围岩的Q值进行加权平均获得值，如下：

式中，Q_ij为第i个监测点与掌子面间的第j段围岩的Q值，L_ij为第i个监测点与掌子面间的第j段围岩沿洞室走向的长度，n为第i个监测点与掌子面间的围岩总段数，为第i个监测点与掌子面间围岩的平均Q值；

S3、假定一组爆破振动监测点共P个，将各监测点对应的值进行算术平均，采用下式获得表征一组爆破振动监测点对应的等效岩体质量A值：

式中，为第i个监测点与掌子面间围岩的平均Q值，β是防止A≤0且合理表征围岩质量影响的系数；

S4、基于一组爆破振动监测点对应的A值，对萨道夫斯基公式进行修正，以考虑围岩质量对爆破振动的影响，修正后的公式如下：

式中，V为质点合峰值振动速度，K＇为消除围岩质量影响的爆破场地与地形地质条件有关的系数，α＇为消除围岩质量影响的振动衰减指数，W为延时爆破中一次爆破的最大单段装药量，R为爆心距；

S5、基于其中一次爆破振动监测数据，包括最大单段装药量W、各监测点的爆心距R、各监测点的合峰值振动速度V，获取各监测点与掌子面间围岩的平均Q值并确定表征一组爆破振动监测点对应的等效岩体质量A值，以W^1/3/R为自变量、V为因变量，应用幂函数进行数据拟合；基于拟合函数的系数，代入A值，可获得K＇和α＇；

S6、基于公式(3)，预测后续第m次爆破产生的各监测点合峰值振动速度；具体为，将后续第m次的爆破参数及第i个监测点对应的等效围岩质量A_i代入拟合公式，可得到该监测点的合峰值振动速度预测值V_i＇，其中，第m次的爆破参数包括最大单段装药量W_m、爆心距R_m；

S7、将后续第m次爆破获得的第i个监测点的合峰值振动速度实测值V_i与预测值V_i＇进行对比，应用下式获得后续m次爆破作用下围岩的合峰值振速降低比率：

S8、应用下式获取后续第m次爆破作用下，一组监测点中各个合峰值振速降低比率的平均值，并将其确定为后续第m次爆破作用下围岩损伤程度D_m：

2.根据权利要求1所述的一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法，其特征在于：所述步骤S1中，监测点位置距掌子面不小于40m，各监测点间距应依次增大，最小间距不小于10m，各监测点应处于同一高程面且与爆源中心高程相当，各监测点之间不应有空洞间隔；为了增加数据拟合精度，同一组监测点不应少于5个。

3.根据权利要求1所述的一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法，其特征在于：所述步骤S2中，应在每次爆破开挖后，对新出露的围岩进行地质编录，并采用岩体质量等级Q 分类法确定新出露围岩的Q值。

4.根据权利要求1所述的一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法，其特征在于：所述步骤S3中，β取值范围为[3,6]。

5.根据权利要求4所述的一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法，其特征在于：所述β取3.5。

6.根据权利要求1所述的一种地下水封洞库围岩爆破损伤程度评价方法，其特征在于：所述步骤S7中，由于爆破会对围岩造成损伤，因而在某次爆破前预测的质点合峰值振动速度应大于爆破实测值；当质点合峰值振动速度预测值小于实测值时，规定合峰值振速降低比率为0。