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隧道表面爆破地震波的产生机制及传播特征

蒙贤忠 周传波 蒋楠 张玉琦 张震 吴迪

蒙贤忠, 周传波, 蒋楠, 张玉琦, 张震, 吴迪. 隧道表面爆破地震波的产生机制及传播特征[J]. 爆炸与冲击, 2024, 44(2): 025201. doi: 10.11883/bzycj-2023-0217
引用本文: 蒙贤忠, 周传波, 蒋楠, 张玉琦, 张震, 吴迪. 隧道表面爆破地震波的产生机制及传播特征[J]. 爆炸与冲击, 2024, 44(2): 025201. doi: 10.11883/bzycj-2023-0217
MENG Xianzhong, ZHOU Chuanbo, JIANG Nan, ZHANG Yuqi, ZHANG Zhen, WU Di. Generation mechanism and propagation characteristics of blasting seismic waves on tunnel surface[J]. Explosion And Shock Waves, 2024, 44(2): 025201. doi: 10.11883/bzycj-2023-0217
Citation: MENG Xianzhong, ZHOU Chuanbo, JIANG Nan, ZHANG Yuqi, ZHANG Zhen, WU Di. Generation mechanism and propagation characteristics of blasting seismic waves on tunnel surface[J]. Explosion And Shock Waves, 2024, 44(2): 025201. doi: 10.11883/bzycj-2023-0217

隧道表面爆破地震波的产生机制及传播特征

doi: 10.11883/bzycj-2023-0217
基金项目: 国家自然科学基金(41972286, 42102329)
详细信息
    作者简介:

    蒙贤忠(1997- ),男,博士研究生,mxianzhong97@cug.edu.cn

    通讯作者:

    周传波(1963- ),男,博士,教授,博士生导师,cbzhou@cug.edu.cn

  • 中图分类号: O382

Generation mechanism and propagation characteristics of blasting seismic waves on tunnel surface

  • 摘要: 为了研究隧道表面爆破地震波的产生机制及传播规律,提出了隧道表面爆破振动平面应变理论模型,得到了隧道表面爆破振动场积分形式解;以龙南隧道爆破工程为背景,建立了有限元数值模型,通过现场测试验证了数值模拟与理论解答的准确性;提出了基于高分辨率Radon变换的隧道爆破地震波波场分离方法,结合理论解析与数值模拟得到了P波、S波、R波的传播特征,最后综合理论结果与波场分离结果提出了隧道爆破地震波作用分区。结果表明:隧道爆破产生P波、S波,R波在自由面迅速发育,3类波呈现指数衰减特征,S波衰减快于P波快于R波。随着爆心距的增大,垂直方向主要成分由S波转变为R波,水平方向主要成分由S波转变为P波,P波转变为R波。Ⅳ级围岩工况下,隧道爆破地震波作用分区为:隧道轴向距掌子面0~6.44 m为爆破近区,主导波型为水平S波;6.44~21.23 m为爆破中区,主导波型为水平P波;21.23 m外为爆破远区,主导波型为垂直R波。爆破分区分界点与单段最大药量呈线性关系,可通过爆破药量得到隧道爆破分区位置,用于隧道安全稳定性分析。
  • 图  1  隧道爆破振动理论模型

    Figure  1.  Theoretical models for tunnel blasting vibration

    图  2  爆破荷载时间函数

    Figure  2.  Time decay function of blasting load

    图  3  η-平面积分路径

    Figure  3.  η-plane integral path

    图  4  龙南隧道试验段炮孔布置

    Figure  4.  Layout of blast holes in the test section of the Longnan tunnel

    图  5  龙南隧道爆破振动现场测试

    Figure  5.  Field test of blasting vibration in the Longnan tunnel

    图  6  龙南隧道爆破数值模型

    Figure  6.  A numerical model for Longnan tunnel blasting

    图  7  数值模拟结果验证

    Figure  7.  Validation of numerical simulation results

    图  8  理论与数值模拟结果对比

    Figure  8.  Comparison of theoretical and numerical simulation results

    图  9  τ-p正变换和逆变换的空间映射关系

    Figure  9.  Spatial mappings of τ-p forward and inverse transformations

    图  10  爆破地震波波场分离流程

    Figure  10.  Separation process of blasting seismic wave field

    图  11  垂直位移波场分离结果

    Figure  11.  Separation results of vertical displacement wave field

    图  12  水平位移波场分离结果

    Figure  12.  Separation results of horizontal displacement wave field

    图  13  输入质点位移与反演位移的比较

    Figure  13.  Comparison of input and inversion particle displacements

    图  14  隧道表面P波、R波的传播规律

    Figure  14.  Propagation laws of P-wave and R-wave on tunnel surface

    图  15  P波、R波峰值振速比分布

    Figure  15.  Distribution patterns of P-wave-to-R-wave PPV ratios

    图  16  垂向、水平向峰值振速比分布

    Figure  16.  Distribution patterns of vertical-to-horizontal PPV ratios

    图  17  隧道表面S波的传播规律

    Figure  17.  Propagation law of S-wave on tunnel surface

    图  18  P波、S波峰值振速比的分布规律

    Figure  18.  Distribution patterns of P-wave-to-S-wave peak particle velocity ratios

    图  19  垂直与水平方向隧道表面爆破地震波作用范围

    Figure  19.  Action ranges of blasting seismic waves on tunnel surface in vertical and horizontal directions

    图  20  隧道表面爆破地震波作用分区

    Figure  20.  Blasting seismic wave action zones on tunnel surface

    图  21  分区位置与炸药量关系

    Figure  21.  Relationships of partition positions with explosive mass

    表  1  数值模型材料参数

    Table  1.   Material parameters of the numerical model

    结构 密度/(kg·m−3) 弹性模量/GPa 泊松比 屈服强度/MPa 切线模量/MPa
    Ⅳ级围岩 2300 4.00 0.31 5.0 2.2
    初衬 2200 23.00 0.25 4.2 2.5
    二衬 2500 32.00 0.20 6.0 2.4
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-19
  • 修回日期:  2023-12-18
  • 网络出版日期:  2023-12-19
  • 刊出日期:  2024-02-06

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