[发明专利]一种基于实测振动的地应力大小预测方法

权利要求书

1.一种基于实测振动的地应力大小预测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：根据爆破设计参数、开挖场地环境以及所选取的岩石力学参数，建立圆形隧洞爆破开挖分析模型，并通过理论分析得到地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程；

步骤2：根据深埋地下洞室爆破开挖场地环境和设计参数以及围岩的力学特性参数，建立地下洞室爆破开挖动力有限元模型，将步骤1中所得出的地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程施加于动力有限元模型的开挖面上，并通过调整地应力大小模拟出不同地应力水平下，地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用时与爆破荷载单独作用时围岩的振动响应；

步骤3：根据步骤2数值模拟计算结果，根据“地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用引起的振动峰值要大于爆破荷载单独引起的，并且二者之间的差值随着地应力水平的提高逐步增大”的特征，建立地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用与爆破荷载单独作用引起的振动峰值差值在爆破荷载引起的振动峰值中所占百分比与地应力大小之间的关系，再根据实测振动数据，并结合二荷载振动峰值差值在爆破荷载引起的振动峰值中所占百分比与地应力大小的关系预测出现场开挖施工洞段地应力的大小，即完成基于实测振动的地应力大小预测；

步骤3进一步包括以下子步骤：

步骤3-1：根据数值模拟计算结果中不同荷载引起围岩振动响应变化特征，建立振动峰值差值在爆破荷载单独作用引起的振动峰值中所占百分比之间的关系，爆破荷载引起的振动峰值在数值模拟计算过程中为定值；

步骤3-2：在爆破开挖隧洞的侧壁上布置检波器，进行爆破振动跟踪监测，并将得到的实测振动波形进行滤波处理进一步得到实测地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用时与爆破荷载单独作用时引发的围岩振动数据，根据滤波后的振动数据，计算出地应力瞬态卸荷和爆破荷载耦合作用与爆破荷载单独作用二者引发的振动峰值差值在爆破荷载单独作用引发的振动峰值中所占百分比；

步骤3-3：将步骤3-2中计算所得到的百分比结合步骤3-1中所建立的关系预测出相应洞段地应力的大小。

2.根据权利要求1所述的一种基于实测振动的地应力大小预测方法，其特征在于步骤1中通过理论分析得到地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程为：

从爆破荷载作用机制、爆生气体运动状态及地应力瞬态卸荷的力学过程出发，结合爆破设计参数与岩石力学特性参数，分别计算分析出爆破荷载作用时的荷载峰值、压力变化历程和持续时间与地应力瞬态卸荷的卸荷历程、开始时刻及持续时间，并将二者作用过程根据开挖面上需满足的应力连续条件做连续处理，即将地应力瞬态卸荷过程视为与爆破荷载后半段应力变化过程相同，最终得出地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程。

3.根据权利要求2所述的一种基于实测振动的地应力大小预测方法，其特征在于得出的地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程的数学表达式为：

式中：P(t)为爆破荷载和地应力瞬态卸荷耦合作用过程中t时刻压力大小；t_d为地应力瞬态卸荷与爆破荷载耦合作用过程总历时；t_r为爆破荷载上升时间；P₀为爆破荷载的压力最大值，t_r、t_d和P₀具体计算如下：

式中：c_f为爆轰气体作用下裂缝的平均扩展速度，c_f＝(0.2～0.3)c_p，c_p岩体纵波速度，取值范围为4000～6000m/s；S为相邻炮孔的间距；VOD为爆轰波速；c_u1为爆破气体向炮孔低传播的稀疏波波速；c_u2为遇孔底反射的稀疏波波速；L_c与L_s分别为炮孔装药长度与炮孔堵塞段长度；

由于炮孔装药有两种不同结构形式，耦合装药和不耦合装药，且装药形式不同会影响作用在炮孔壁上的爆破荷载，因此爆破荷载峰值P₀将分以下两种情况计算：

情况1：耦合装药

情况2：不耦合装药

式中：ρ_e为炸药密度；γ为等熵指数，对于爆轰作用产物，一般近似取为3；d_c和d_b分别为装药直径与炮孔直径。