[发明专利]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

说明书

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。