近接既有隧道爆破激发地震波成分构成及特性研究

为研究新建隧道爆破地震波不同成分对既有隧道结构安全的影响,基于地震学极化偏振原理,结合现场爆破振动监测和ANSYS/LS-DYNA数值模型,分析既有隧道衬砌振动波型的成分构成及特性,探讨既有隧道衬砌动拉应力与P波峰值合振速的关联性。研究结果表明:新建隧道MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11和MS13段毫秒延期爆破P、S和R波对既有隧道衬砌质点振动均有贡献,各段别前期均由传播速度最快的P波主导,而后S波和R波相继成为主导波型;地震波传播路径及测振点的位置与波型成分密切相关,新建隧道已开挖和未开挖2个区域所对应的既有隧道质点振动特性存在显著差异,当L/D>1.58(L为距爆源中心的水平距离,D为隧道净距)时,未开挖区域的S波最大幅值超过P波最大幅值,成为后续区段质点振动的主导波型;既有隧道衬砌动拉应力与P波峰值合振速线性相关性较好,安全振速阈值为10.53 cm/s。

隧道表面爆破地震波的产生机制及传播特征

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。

爆破地震作用下的老旧砌体结构动力特性分析

城市内老旧砌体结构多但抗震性能较差,在爆破作用下可能产生破坏。为研究爆破作用下老旧砌体的动力特性,在爆破现场附近的老旧砌体结构上布设强震仪,以观测爆破地震波对结构的瞬时作用以及长期爆破作用下的累积损伤效应。通过对爆破加速度和速度记录进行时域和频域分析比较,认为爆破速度记录相比爆破加速度记录可以更好地识别出砌体结构的动力特性,且爆破地震速度对砌体结构横向的共振影响最大。采用对比分析法,分别用爆破地震速度和地脉动加速度记录识别老旧砌体结构的动力特性,发现两种方法都能近似地识别出砌体结构的低阶平动和扭转频率,但采用爆破速度计算的自振频率比地脉动法要小1.8%~3.4%,这主要是因为爆破振动更能反映在较大振动作用下结构的响应,频繁的爆破可能导致老旧砌体结构出现非线性反应。通过监测结构自振频率在长期爆破作用下的变化,发现虽然单个爆破振动能满足《爆破安全规程》的安全要求,但在长期爆破作用下,结构1阶扭转频率、2阶横向和纵向频率随爆破次数的增加分别减少了4%、3.6%和5.2%,因此在爆破安全监测中应考虑长期爆破作用对老旧砌体结构等抗震能力较差建筑的累积损伤效应。

基于爆破荷载等效施加方法的振动波形预测与古建筑安全评估

隧道爆破开挖产生的振动对邻近的古建筑有着不容忽视的安全影响,为研究爆破振动波的传播规律以及预测地面振动效应和分析临近古建筑结构的安全性,以拉卜楞隧道为依托,采用现场实测结合数值模拟分析的方法,预测爆破荷载作用下拉卜楞寺的动力响应。结果表明:(1)随着单响总药量的增加,质点振动速度增大,衰减比也随之增大,说明高频振动衰减快,低频振动衰减慢;(2)通过理论计算将爆破荷载等效施加在弹性边界或隧道开挖轮廓面上,动力模拟结果表明在大于40 m的中远区两者振速变化规律趋于一致,故将荷载施加在开挖轮廓面上是合理的;(3)爆破地震波自由界面处体波经过反射形成沿表面传播的Rayleigh波,结合数值模拟山体内部地震波的传播规律发现,经反射叠加山体内部形成复杂的振动区;(4)当地震波到达拉卜楞寺最近点时,径向振速峰值为0.000672 cm/s,垂向振速峰值为0.000448 cm/s,合成振速峰值为0.000807 cm/s,远小于古建筑安全振动控制标准。

爆破地震波信号EMD端点效应抑制研究

针对爆破地震波信号经验模态分解(EMD)得到的IMF在端点处的发散现象,提出一种同时考虑信号端点发展趋势和全局时间-能量联合参数的改进EMD端点效应抑制算法。该算法首先考虑端点变化趋势得到延拓后的边界局部特征尺度X_0,再计算X_0的能量E_0,找到原始信号中和E_0最匹配的分段信号X_k,最后用X_k代替X_0进行EMD。通过建立仿真信号,验证该算法和常规端点效应抑制算法相比,对EMD端点效应具有更好的抑制能力,能够得到精度更高的IMF。最后将该算法用于实际爆破地震波信号分解中,发现提出的算法能够有效抑制EMD端点效应,有利于爆破地震波信号细节特征参数的提取。

爆破地震波作用下含断层结构面高陡边坡动力响应分析

为了防止白马铁矿及及坪采场含断层的岩质边坡受爆破振动作用发生失稳,利用小波分析对现场监测点爆破地震波进行频谱能量分析,得到断层影响下高陡边坡爆破振动波传播规律,同时根据实际边坡建立边坡模型,分析在爆破振动作用下边坡断层岩体劣化效应对边坡动力响应及损伤规律的影响。结果表明:1)当爆破地震波在含断层结构面的高陡边坡中传播时,断层结构面对爆破地震波在边坡中的传播规律影响显著;2)爆破振动波在断层岩体区域传播时,断层岩体力学强度对振动波的传播有明显的影响,断层力学强度越低,对振动波的传播阻隔效果越明显。断层岩体力学强度的劣化加速了爆破振动波传播的衰减;3)不同断层岩体参数劣化工况下爆破振动下边坡损伤有明显变化,随着断层岩体力学强度的劣化,边坡抵抗变形能力减弱。

紧邻桥梁水下钻孔爆破地震波与水击波控制技术

炸药水下爆炸在岩层中形成地震波,在水域中形成水击波,二者协同作用造成紧邻爆区桥梁结构振动与损伤。为了有效控制爆破有害效应,提出了爆源、传播过程的控制技术和爆破安全判据,并将其应用于长江上游九龙坡至朝天门段建设工程。通过爆破控制技术的有效实施和现场监测结构分析,表明该方法大幅降低了爆破地震波与水击波强度,保护了紧邻桥墩的结构安全。

基于CEEMDAN·MPE-NHT的爆破地震波信号时频分析

针对希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform,HHT)处理混有噪声的爆破地震波信号时,会出现时频分析失真的现象,对影响HHT时频分析精度的因素进行逐一改进,得到改进后的算法来提高含噪爆破地震波信号时频分析精度。首先对经验模态分解(Ensemble Empirical Mode,EMD)进行改进得到自适应补充集合经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN)抑制低频趋势项,同时添加多尺度排列熵(Multiscale Permutation Entropy,MPE)代码控制高频噪声,最后对CEEMDAN·MPE得到的IMF进行归一化Hilbert变换(Normalized Hilbert Transform,NHT),通过上述三步即可改善传统HHT含噪爆破地震波信号时频分析精度不足的问题。为验证CEEMDAN·MPE-NHT算法时频分析的准确性,进行HHT和CEEMDAN·MPE-NHT算法的含噪仿真信号时频分析对比研究,并将CEEMDAN·MPE-NHT算法用于水下钻孔爆破地震波信号时频分析中。研究结果表明:CEEMDAN·MPE分解得到的IMF经NHT处理得到的时频谱在时域和频域上均具有较高的分辨率,得到的时频分析参数精度相比HHT有了很大的提升,可实现更准确提取含噪爆破地震波信号时频特征参数,对爆破地震波危害效应识别,制定科学的爆破地震波危害效应控制措施具有重要的现实意义。

爆破振动作用下含断层边坡动力响应分析

依据施加爆破地震波后含断层边坡稳定性模拟计算结果,研究了爆破振动作用下不同断层厚度边坡的动力响应变化规律。结果表明,爆破地震波在边坡坡表及断层区域传播时存在高程放大效应;断层厚度越大,爆破地震波衰减越快;随着断层厚度增加,边坡在爆破振动作用下产生的位移逐渐增大,整体抵抗变形能力变小;爆破振动作用下不同断层厚度对边坡稳定性影响差异明显,断层厚度2~8 m时边坡稳定性呈持续快速降低趋势,断层厚度超过8 m后边坡稳定性趋于平稳。

赣南台网天然地震与人工爆破的信号特征研究

本研究旨在解决区分工业爆破与天然地震地震波波形的问题,以提高地震监测台站人员的快速识别能力。通过对赣南数字地震台网记录到的同一地区工业爆破和天然地震的进行时域特征的分析和频谱分析的比较,我们发现人工爆破和天然地震的地震波波形在很大程度上相似。然而,在震中距较近的记录台站(30 km以内),两者的频谱差异较明显。天然地震的速度谱与位移谱的优势频率和振幅峰值主要集中在低频区,而人工爆破没有明显的优势频率,频率的分布更为均匀。随着震中距的增加,地震与爆破速度谱与位移谱的优势频率和振幅峰值的分布主要在中频与中低频区域,直到最后优势频率与振幅峰值均集中在低频区域。然而,地震与爆破地震的速度谱与位移谱在震中距较大时,差异不再明显。研究结果表明,这种现象可作为地震台站人员快速识别人工爆破和天然地震的一项有效指标,对提高地震监测准确性和地震应急响应具有重要意义。

基于CEEMDAN-INHT的地下洞室爆破振动时频分析应用研究

爆破地震波信号采集会因监测环境、测试系统等因素导致实测信号中混有噪声,噪声的存在将导致信号希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform,HHT)时频分析结果失真。原因有二:其一是经验模态分解(Ensemble Empirical Mode,EMD)处理含噪爆破地震波信号会得到具有模态混淆现象的固有模态函数(Intrinsic mode function,IMF)分量;其二是Hilbert变换受Bedrosian定理的约束在处理模态混淆分量时会产生负值瞬时频率,从而造成巨大的分析误差。为获得真实的爆破振动属性需对HHT进行改进,在EMD中添加自适应噪声信号得到自适应补充集合经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN)算法;再对CEEMDAN得到的IMF进行归一化Hilbert变换,得到改进归一化Hilbert变换(Improved Normalized Hilbert Transform,INHT)。通过上述两步可建立CEEMDAN-INHT时频分析算法,为验证该算法可有效提高含噪爆破地震波振动信号时频分析精度,进行HHT和CEEMDAN-INHT含噪仿真振动信号时频分析对比研究。最后将CEEMDAN-INHT用于某地下洞室爆破地震波信号时频分析中,发现该算法能有效克服EMD固有的模态混淆现象,同时得到反映真实爆破振动属性的时-频-能特征参数,对从频率-能量的角度进行洞室爆破开挖共振分析,实现爆破地震波危害控制具有一定的现实意义。

“明灯1号”人工爆破地震地磁效应场地试验

中国地震局地球物理研究所于2007年12月12日在河北省怀来县实施了"明灯1号"大当量人工爆破,目的是以人工震源开展地球深部结构探测及地球物理学相关研究。这无疑是开展地震地磁效应场地试验的机会。在人工震源周围数十千米范围内开展了地磁三分量重复测量和地磁总强度连续测量。初步分析结果显示了有意义的信息。测量过程和数据处理结果也验证了流动地震地磁观测具有可靠的精度。

爆破地震安全判据的缺陷与改进

分析探讨了爆破地震安全判据及其在工程中的应用 ,对其中的某些局限与不足和应用中部分误区提出了质疑 ,着重分析了频率和时间等因素对建立爆破地震安全判据的影响 。

爆破地震波的能量衰减规律研究

爆破地震对建筑物的影响实质上是一种能量的传递与转化过程,从爆破振动控制的方面考虑,了解爆破地震波传播过程中的衰减特性,才能对建筑物受影响程度做出必要而又相对准确的估计。基于地震学相关理论,研究爆破地震波的能量衰减规律,表明峰值能量随距离的衰减系数同振速衰减系数呈2倍关系,对于同一场次的爆破而言,爆破地震的总能量同峰值振速的平方近似成正比例。针对实例工程的分析结果印证理论推导的正确性。实例分析同时表明,爆破地震的能量衰减是以米计的,这一点有别于天然地震。在运用天然地震方法处理爆破地震时应该注意到这一区别。

不同爆源形式的爆破地震能量分布特征

爆破地震对建筑物的影响实质上是一种能量的传递与转化过程,这种传递与转化的过程受到爆破地震波能量分布特征的影响。利用基于功率谱的爆破地震能量分析方法,借助大量工程实测数据,针对爆源形式对爆破地震能量分布特征的影响进行了分析,分析结果表明:对于4类钻孔爆破诱发的地震,能量随频率分布比较分散,0～10Hz的低频段能量比例非常少;不同爆源形式的爆破地震能量分布特征存在差别,随着孔径、孔深的增大,爆破地震主振能量频带趋于集中,也更倾向低频方向;地下工程爆破地震小于40Hz的能量比例非常小。不同爆源形式爆破地震能量分布特征上的这种差别,对于控制爆破中钻爆方式的选取具有很好的指导意义。

爆破地震峰值预报神经网络研究

在分析某核电站一期地面爆破振动监测结果的基础上，用神经网络理论建立了爆破振动加速度峰值的预报模型，提出了神经网络模型预报加速度峰值的方法。将神经网络模型预报的结果与传统方法（经验公式法）预报的结果相比，前者的预报结果有明显的改善。

基于功率谱的爆破地震能量分析方法

针对爆破振动频度-能量分布的定量分析问题,提出了一种基于功率谱的能量分析方法。功率谱密度表征了一定频率谐波分量能量的相对大小,以此为出发点,推导出可以表征爆破振动频度-能量分布的计算方法,结合工程实例的分析结果表明,利用该方法可以实现爆破振动频率构成的定量分析。同时将该方法与目前通用的小波变换能量分析方法作了比较,两者的原理是一致的,但基于功率谱的能量分析方法直接利用频谱分析完成从时域到频域的转化,因此分析过程简便,物理意义明确,更容易理解和掌握。

爆破地震安全判据几个问题的探讨

阐述了爆破地震安全判据理论 ,结合波动理论与结构动力分析对爆破地震安全判据及其应用进行了探讨 ,指出了爆破安全判据在应用中的不足之处 。

爆破地震效应若干问题的探讨

对爆破地震效应的若干问题进行了研究，提出了一些新的观点。内容包括：微差爆破问题；焊破地震动转动分量的推算；地震荷载的计算；基于多维反应谱方法的内力组合。

爆破地震效应的监测和控制技术研究

爆破地震是爆破主要危害之一。为保证工程爆破时爆区周围建筑物等的安全,对爆破的地震效应进行实测和控制是必要的。以实际矿山深孔爆破和城市基坑爆破工程为例,实测爆破振动速度和爆破振动频率,对振动速度与爆破药量及地震波传播距离的关系进行回归处理,即研究爆破地震波的传播和衰变规律。根据《爆破安全规程》(GB6722–2003)的规定,优化爆破参数和起爆网络,提出在保证安全前提下的最大一次同段起爆药量和为降低爆破地震效应应采取的技术措施。同时爆破振动频率分析表明,小药量下爆破的主振频率主要集中在30～100 Hz,远高于建筑物自振频率,一般不会引起共振现象,即爆破地震效应对周围建筑物的影响较小。