楊 潤(rùn) 強(qiáng)，嚴(yán) 鵬，盧 文 波，陳 明，王 高 輝

（1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072；2.武漢大學(xué) 水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072）

深部地層地應(yīng)力水平與爆破振動(dòng)頻率特征的相關(guān)性

楊 潤(rùn) 強(qiáng)1，2，嚴(yán) 鵬1，2，盧 文 波1，2，陳 明1，2，王 高 輝1，2

（1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072；2.武漢大學(xué) 水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072）

不同的地應(yīng)力水平對(duì)深部巖體爆破振動(dòng)的頻率和能量分布具有重要影響。通過(guò)對(duì)不同地應(yīng)力水平的深埋隧洞爆破開(kāi)挖過(guò)程中實(shí)測(cè)圍巖振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，采用功率譜分析方法研究振動(dòng)信號(hào)在不同頻帶上的能量分布。研究表明，實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)的低頻振動(dòng)（＜50 Hz）能量占總振動(dòng)能量的百分比隨應(yīng)力水平的提高而增加；爆破振動(dòng)在其頻域中除了有一個(gè)主振頻率外，還存在多個(gè)子頻帶，且各子頻帶振動(dòng)的能量與主頻帶振動(dòng)能量的差距隨應(yīng)力水平的提高而減??；伴隨爆破破巖過(guò)程而發(fā)生的應(yīng)變能瞬態(tài)釋放效應(yīng)誘發(fā)圍巖振動(dòng)的主頻一般比爆炸荷載誘發(fā)振動(dòng)的主頻低；在50 MPa或更高應(yīng)力水平下，應(yīng)變能釋放誘發(fā)的振動(dòng)能量與爆炸荷載誘發(fā)振動(dòng)能量大致相當(dāng)。

地應(yīng)力水平；爆破振動(dòng)；振動(dòng)頻率；能量分布；功率譜分析

1 引言

爆破振動(dòng)是指裝入地下的炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波通過(guò)巖土介質(zhì)傳播到遠(yuǎn)距離處衰減而引起的彈性振動(dòng)﹝1﹞。然而，隨著越來(lái)越多的地下工程向深部發(fā)展，巖體具有埋深大、地應(yīng)力高等特點(diǎn)﹝2﹞，高地應(yīng)力條件下高儲(chǔ)能巖體的爆破開(kāi)挖誘發(fā)振動(dòng)明顯不同于淺埋巖體，爆破開(kāi)挖時(shí)，開(kāi)挖輪廓面上的法向應(yīng)力在很短的時(shí)間內(nèi)變?yōu)?，開(kāi)挖輪廓面上的初始地應(yīng)力卸載是一個(gè)區(qū)別于常規(guī)準(zhǔn)靜態(tài)卸載的高速動(dòng)態(tài)卸載過(guò)程﹝3﹞，必然會(huì)在圍巖中產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力調(diào)整，在圍巖中激起動(dòng)態(tài)卸載振動(dòng)﹝4﹞。CARTER和BOOKER﹝5﹞通過(guò)理論分析證明，隧洞的瞬間開(kāi)挖可在圍巖誘發(fā)振動(dòng)，并且振動(dòng)的幅值隨卸荷速率的提高而增大。盧文波等﹝6-7﹞研究表明，在巖體初始地應(yīng)力較低的條件下，隧洞鉆爆開(kāi)挖過(guò)程中圍巖振動(dòng)主要由爆炸荷載引起；而在高地應(yīng)力條件下，初始地應(yīng)力的動(dòng)態(tài)卸載將在掌子面附近的巖體中激起動(dòng)態(tài)卸載振動(dòng)，并且較高地應(yīng)力條件下，這一振動(dòng)有可能超過(guò)爆炸荷載所誘發(fā)的振動(dòng)而成為圍巖振動(dòng)的主要因素。張正宇等﹝8﹞在龍灘地下的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)也表明，爆破過(guò)程所誘發(fā)的圍巖振動(dòng)是由爆炸荷載所誘發(fā)的振動(dòng)和開(kāi)挖輪廓面上初始應(yīng)力瞬間釋放所誘發(fā)的振動(dòng)二者的疊加。同時(shí)，羅先啟和舒茂修﹝9﹞認(rèn)為，堅(jiān)硬脆性圍巖中開(kāi)挖洞室相當(dāng)于一個(gè)處于壓縮應(yīng)力場(chǎng)中的脆性材料塊體在開(kāi)挖邊界上突然卸載，卸載波迅速?gòu)拈_(kāi)挖邊界傳播至巖體深部；若巖體中彈性壓縮所貯存的勢(shì)能足夠大，位于卸載波前緣的剪切微裂紋將因動(dòng)力擴(kuò)展而導(dǎo)致巖體破壞并誘發(fā)巖爆。徐則明等﹝10﹞則認(rèn)為爆破開(kāi)挖過(guò)程中掌子面上初始地應(yīng)力的瞬態(tài)卸載所激起的卸載應(yīng)力波是巖爆發(fā)生的重要觸發(fā)機(jī)制之一。以往對(duì)于爆破開(kāi)挖振動(dòng)能量特征的研究多僅針對(duì)爆炸荷載誘發(fā)的振動(dòng)，對(duì)地應(yīng)力瞬態(tài)卸載誘發(fā)振動(dòng)的能量分布特征鮮有研究。因此，研究不同地應(yīng)力水平實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)的能量分布特性不僅對(duì)于揭示深部巖體爆破開(kāi)挖振動(dòng)的頻譜特性和優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)具有重要意義，同時(shí)也對(duì)高地應(yīng)力條件下爆破開(kāi)挖過(guò)程所誘發(fā)的圍巖穩(wěn)定和地質(zhì)災(zāi)害等問(wèn)題的預(yù)報(bào)和防治具有重要價(jià)值。

在實(shí)際爆破施工過(guò)程中所監(jiān)測(cè)到的圍巖振動(dòng)信號(hào)中，爆炸荷載所誘發(fā)的振動(dòng)和開(kāi)挖輪廓面上的地應(yīng)力動(dòng)態(tài)卸載所誘發(fā)的振動(dòng)，在時(shí)域中并沒(méi)有明確的分界點(diǎn)，兩種振動(dòng)相互耦合、疊加在一起﹝11-12﹞，而且爆破過(guò)程中的圍巖振動(dòng)是一個(gè)短時(shí)非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，具有明顯的持時(shí)短、突變快等特點(diǎn)。近年來(lái)，信號(hào)處理領(lǐng)域提出的小波變換具有突出被分析信號(hào)能量突變的特征，研究者們將十分適合處理非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的小波變換引入到爆破振動(dòng)信號(hào)處理中來(lái)，婁建武等﹝13﹞采用小波分析方法分析了實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)的能量分布，嚴(yán)鵬等﹝14﹞利用小波包分析方法研究了地應(yīng)力水平對(duì)爆破振動(dòng)能量分布的影響，但目前利用小波變換處理爆破振動(dòng)信號(hào)仍然還處于起步階段﹝15-16﹞，其計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，且其物理意義不容易被工程技術(shù)人員理解，實(shí)際應(yīng)用中有一定難度。因此，采用功率譜能量分析方法，其原理和小波變換能量分析方法基本一致，并且具有操作簡(jiǎn)單、物理意義明確的特點(diǎn)﹝15﹞。盧文波等﹝17-18﹞采用功率譜能量分析方法，對(duì)比了不同爆源形式及深埋洞室鉆爆開(kāi)挖和露天臺(tái)階爆破振動(dòng)的能量分布特征。趙振國(guó)等﹝19﹞采用基于功率譜的振動(dòng)能量分析方 法，研究了爆炸荷載和不同水平地應(yīng)力瞬態(tài)卸載誘發(fā)的振動(dòng)能量頻域分布特征。本文主要利用傅里葉變換得到不同地應(yīng)力水平實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)的功率譜密度，運(yùn)用基于功率譜的爆破振動(dòng)能量分析方法研究實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)在不同頻段上的能量分布特性。

2 基于功率譜的能量分析方法

2.1 傅里葉變換

設(shè)f（t）是定義在R上的函數(shù)，f（t）的傅里葉變換定義為：

其逆變換為：

通常將函數(shù)|?f（ω）|稱為函數(shù)f（t）的幅值譜函數(shù)，|?f（ω）|2稱為功率譜密度函數(shù)。在獲取振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)后，利用Matlab中傅里葉變換工具箱函數(shù)，通過(guò)比較簡(jiǎn)單的編程將振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析直接完成從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)化，即可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的幅值譜和功率譜分析。本文主要研究爆破振動(dòng)能量在頻域上的分布特性，因此采用功率譜分析方法。

2.2 功率譜能量分析方法

爆破振動(dòng)發(fā)生時(shí)，空間中質(zhì)量為Δm的質(zhì)元在t時(shí)刻的動(dòng)能可以表示為：

式中：E（t）為爆破振動(dòng)t時(shí)刻的能量；v（t）為t時(shí)刻振動(dòng)速度；Δm為質(zhì)元質(zhì)量。

對(duì)質(zhì)元質(zhì)量做歸一化處理，爆破振動(dòng)信號(hào)的總能量E可表示為在振動(dòng)時(shí)程內(nèi)進(jìn)行積分：

式中：E為爆破振動(dòng)的總能量；t1，t2分別為爆破振動(dòng)信號(hào)記錄的起止時(shí)刻。

由于爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀記錄的是一系列離散值，所以式（4）可表示為：

式中：N為監(jiān)測(cè)儀采集的離散振動(dòng)速度-時(shí)間序列采樣點(diǎn)數(shù)目；v（ti）為采樣序列中ti時(shí)刻對(duì)應(yīng)的爆破振動(dòng)速度；Δt為采樣間隔時(shí)間。

對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以得到離散化的頻率值系列和相應(yīng)的功率譜密度PSDi系列。功率譜密度表示一定頻率諧波分量能量的相對(duì)大小，因此可以利用功率譜對(duì)爆破振動(dòng)在一定頻帶范圍內(nèi)的能量分布進(jìn)行分析研究。頻率范圍（fm，fn）內(nèi)的振動(dòng)能量占總能量的比例可以表示為：

式中：PEi為頻率范圍（fm，fn）內(nèi)振動(dòng)能量比重；根據(jù)奈奎斯特采樣定理，式中分母求和項(xiàng)為f＝0～fc/2的功率譜密度值總和，fc為爆破振動(dòng)測(cè)試采樣頻率；M為轉(zhuǎn)化到頻率帶（0，fc/2）內(nèi)的序列樣本數(shù)目。

對(duì)于特定的爆破振動(dòng)信號(hào)，在進(jìn)行頻譜分析后，如果將整個(gè)頻率域分為若干段，根據(jù)式（6），即可求得各頻率區(qū)段內(nèi)的能量比例大小，從而定量分析爆破振動(dòng)頻率的構(gòu)成。

3 實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)分析

3.1 工程背景

工程基本資料見(jiàn)表1。

表1 工程基本資料Table 1 Engineering basic information

選取了深溪溝排水灌漿廊道、瀑布溝尾水洞和錦屏地下實(shí)驗(yàn)室三個(gè)不同地應(yīng)力水平的實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)作為研究對(duì)象，開(kāi)挖斷面均為城門洞型，爆破開(kāi)挖均采用2#巖石乳化炸藥，非電毫秒雷管起爆，爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)分別見(jiàn)圖1（a）、圖2（a）、圖3（a）。爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用相同的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，各測(cè)點(diǎn)均監(jiān)測(cè)水平徑向、水平切向、豎直向三個(gè)正交方向的爆破振動(dòng)速度，測(cè)點(diǎn)布置方案分別見(jiàn)圖1（b）、圖2（b）、圖3（b）。選擇了爆心距相近的三個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行研究，限于篇幅，僅給出每個(gè)測(cè)點(diǎn)水平徑向的實(shí)測(cè)圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線，分別見(jiàn)圖1（c）、圖2（c）、圖3（c）。

圖1 深溪溝排水灌漿廊道Fig.1 The drainage grouting gallery of Shenxigou

3.2 整條曲線的功率譜分析

在Matlab8.0中編制相應(yīng)的信號(hào)處理和分析程序，通過(guò)快速傅里葉變換工具箱函數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，直接完成從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)化得到功率譜密度，并采用能量分析方法對(duì)功率譜密度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到不同地應(yīng)力水平條件下實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)能量在不同頻帶上的百分比及分布，限于篇幅，僅給出與3.1中對(duì)應(yīng)曲線的功率譜密度（見(jiàn)圖4～圖6）。不同地應(yīng)力水平實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)能量在不同頻帶上的百分比及分布見(jiàn)圖7。

圖2 瀑布溝尾水洞Fig.2 Pubugou tailrace tunnel

圖3 錦屏地下實(shí)驗(yàn)室Fig.3 The underground laboratory in Jinping

從圖4～圖6不同地應(yīng)力水平的實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)功率譜可以看出，爆破振動(dòng)在其頻域中除了有一個(gè)主振頻率外，還存在多個(gè)子頻帶。隨著地應(yīng)力水平的提高，爆破振動(dòng)的主頻會(huì)減小，低頻振動(dòng)成分會(huì)增加，并且呈現(xiàn)出兩個(gè)優(yōu)勢(shì)頻帶。表明隨著地應(yīng)力水平的提高，不同頻率的振動(dòng)由兩個(gè)不同的激勵(lì)源引起，而根據(jù)楊建華等﹝20﹞研究表明，不同頻率的振動(dòng)不是由雷管誤差等一些偶然因素產(chǎn)生，而是分別由爆炸荷載和應(yīng)變能瞬態(tài)釋放這兩個(gè)必然的激勵(lì)源所引起的。由于爆炸荷載上升時(shí)間短，荷載變化梯度大，主要對(duì)應(yīng)產(chǎn)生圍巖振動(dòng)中的高頻成分，而應(yīng)變能瞬態(tài)釋放時(shí)間稍長(zhǎng)，主要對(duì)應(yīng)產(chǎn)生圍巖振動(dòng)中的低頻成分。因此，伴隨爆破破巖過(guò)程而發(fā)生的應(yīng)變能瞬態(tài)釋放效應(yīng)誘發(fā)圍巖振動(dòng)的主頻一般比爆炸荷載誘發(fā)振動(dòng)的主頻低。

圖4 深溪溝排水灌漿廊道實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)功率譜Fig.4 Measured blasting vibration power spectrum of drainage grouting gallery in Shenxigou

圖5 瀑布溝尾水洞實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)功率譜Fig.5 Measured blasting vibration power spectrum of Pubugou tailrace tunnel

圖6 錦屏地下實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)功率譜Fig.6 Measured blasting vibration power spectrum of the underground laboratory in Jinping

圖7 不同地應(yīng)力水平實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)在不同頻帶上的能量分布Fig.7 Energy distribution of blasting vibration in different frequency bands at different crustal stress levels

從圖7可以看出，低地應(yīng)力水平爆破振動(dòng)能量主要集中在50～200 Hz頻帶，約占總振動(dòng)能量的70%，低頻振動(dòng)（＜50 Hz）能量占比不到10%；中等地應(yīng)力水平的爆破振動(dòng)能量主要集中在50～200 Hz頻帶，約占總振動(dòng)能量的80%，低頻振動(dòng)能量有所增加，約占總振動(dòng)能量的20%；而高地應(yīng)力水平的爆破振動(dòng)的能量主要集中在低頻和高頻（＞200 Hz）部分，并且低頻振動(dòng)能量占總能量的50%左右。表明隨著地應(yīng)力水平的提高，實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)的低頻振動(dòng)能量占總振動(dòng)能量的百分比會(huì)增加，并且各子頻帶的振動(dòng)能量與主頻帶振動(dòng)能量差距也會(huì)隨著應(yīng)力水平提高而減小。而實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)低頻振動(dòng)主要由應(yīng)變能瞬態(tài)釋放所引起，高頻振動(dòng)主要由爆炸荷載所引起?？梢钥闯?，當(dāng)?shù)貞?yīng)力水平超過(guò)50 MPa后，應(yīng)變能瞬態(tài)釋放誘發(fā)圍巖振動(dòng)能量與爆炸荷載誘發(fā)振動(dòng)能量大致相當(dāng)。

3.3 第一延時(shí)段（MS1）功率譜分析

由于夾制作用較大，實(shí)測(cè)振動(dòng)曲線中最大振動(dòng)峰值一般出現(xiàn)在第一延時(shí)段（MS1），這一段振動(dòng)也含有最為豐富的巖體應(yīng)變能瞬態(tài)釋放誘發(fā)的振動(dòng)信息。因此，對(duì)不同地應(yīng)力水平的實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)MS1進(jìn)行分析。同3.2中處理方法一樣，改變間隔時(shí)間可以獲得爆破振動(dòng)MS1的功率譜密度和不同應(yīng)力水平條件下實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)能量在不同頻帶上的百分比及分布，限于篇幅，僅給出與3.1中對(duì)應(yīng)曲線的功率譜密度（見(jiàn)圖8～圖10）。不同地應(yīng)力水平實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)能量在不同頻帶上的百分比及分布見(jiàn)圖11。

從圖8～圖10可以看出，隨著地應(yīng)力水平的提高，爆破振動(dòng)的主頻明顯降低，低頻振動(dòng)成分明顯增多，能明顯看到兩個(gè)優(yōu)勢(shì)頻率，分別為低頻振動(dòng)對(duì)應(yīng)于應(yīng)變能瞬態(tài)釋放所誘發(fā)的振動(dòng)和高頻振動(dòng)對(duì)應(yīng)于爆炸荷載所誘發(fā)的振動(dòng)。

圖8 深溪溝排水灌漿廊道實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)（MS1）功率譜Fig.8 Measured blasting vibration（MS1）power spectrum of drainage grouting gallery in Shenxigou

圖9 瀑布溝尾水洞實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)（MS1）功率譜Fig.9 Measured blasting vibration（MS1）power spectrum of Pubugou tailrace tunnel

從圖11可以看出，隨著地應(yīng)力水平的提高，爆破振動(dòng)的能量會(huì)向低頻和高頻集中，當(dāng)?shù)貞?yīng)力水平超過(guò)50 MPa后，低頻振動(dòng)能量與高頻振動(dòng)能量大致相當(dāng)，表明在50 MPa或更高地應(yīng)力水平下，應(yīng)變能瞬態(tài)釋放誘發(fā)圍巖振動(dòng)能量與爆炸荷載誘發(fā)振動(dòng)能量大致相當(dāng)。

4 結(jié)論

（1）隨著地應(yīng)力水平的提高，實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)的低頻振動(dòng)（＜50 Hz）能量占總振動(dòng)能量的百分比增加；

圖10 錦屏地下實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)（MS1）功率譜Fig.10 Measured blasting vibration（MS1）power spectrum of the underground laboratory in Jinping

圖11 不同地應(yīng)力水平實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)（MS1）在不同頻帶上的能量分布Fig.11 Energy distribution of blasting vibration（MS1）in different frequency bands at different crustal stress levels

（2）實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)在其頻域中除了有一個(gè)主振頻率外，還存在多個(gè)子頻帶，且各子頻帶振動(dòng)的能量與主頻帶振動(dòng)能量差距隨著應(yīng)力水平提高而減小；

（3）隨著地應(yīng)力水平提高，伴隨爆破破巖過(guò)程而發(fā)生的應(yīng)變能瞬態(tài)釋放效應(yīng)誘發(fā)的圍巖振動(dòng)的主頻一般比爆炸荷載誘發(fā)振動(dòng)主頻低；

（4）在50 MPa或更高地應(yīng)力水平下，應(yīng)變能瞬態(tài)釋放誘發(fā)圍巖振動(dòng)能量與爆炸荷載誘發(fā)振動(dòng)能量大致相當(dāng)。

本文得到的結(jié)論只是對(duì)不同應(yīng)力水平實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)的能量分布的初步結(jié)果，由于深溪溝排水灌漿廊道斷面尺寸較小，因此還需要更多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于高應(yīng)力條件下爆破開(kāi)挖過(guò)程中爆炸荷載誘發(fā)振動(dòng)和應(yīng)變能瞬態(tài)釋放誘發(fā)振動(dòng)的分離與識(shí)別等重要問(wèn)題還需進(jìn)一步開(kāi)展研究。

（

）：

﹝1﹞汪旭光.爆破手冊(cè)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010. WANG Xu-guang.Blasting manual［M］.Beijing：Metallurgical Industry Press，2010.

﹝2﹞何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開(kāi)采巖體力學(xué)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（16）：2 803-2 813. HE Man-chao，XIE He-ping，PENG Su-ping，et al.Study on rock mechanics in deep mining engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（16）：2 803-2 813.

﹝3﹞盧文波，金李，陳明，等.節(jié)理巖體爆破開(kāi)挖過(guò)程的動(dòng)態(tài)卸載松動(dòng)機(jī)制研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（1）：4 653-4 657. LU Wen-bo，JIN Li，CHEN Ming，et al.Study on the mechanism of jointed rock mass loosing induced by dynamic unloading of initial stress during rock blasting［J］. Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（1）：4 653-4 657.

﹝4﹞嚴(yán)鵬，盧文波，羅憶，等.基于小波變換時(shí)-能密度分析的爆破開(kāi)挖過(guò)程中地應(yīng)力動(dòng)態(tài)卸載振動(dòng)到達(dá)時(shí)刻識(shí)別［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（S1）：2 836-3 844. YAN Peng，LU Wen-bo，LUO Yi，et al.Identification of arriving time of vibration induced by geostress dynamic unloading during blasting-excavation employing method of time-energy analysis based on wavelet transform［J］. Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（S1）：2 836-3 844.

﹝5﹞CARTER J P，BOOKER J R.Sudden excavation of a long circular tunnel in elastic ground［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts，1990，27（2）：129-132.

﹝6﹞盧文波，陳明，嚴(yán)鵬，等.高地應(yīng)力條件下隧洞開(kāi)挖誘發(fā)圍巖震動(dòng)特性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（1）：3 329-3 334. LU Wen-bo，CHEN Ming，YAN Peng，et al.Study on vibration characteristics of surrounding rock induced by tunnel excavation under high in-situ stress［J］.Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（1）：3 329-3 334.

﹝7﹞LU W B，PENG Y，ZHOU C B.Dynamic response induced by the sudden unloading of initial stress during rock excavation by blasting［C］//Proceedings of the 4th Asian Rock Mechanics Symposium.Singapore：World Scientific Publishing，2006.

﹝8﹞張正宇，張文煊，吳新霞，等.現(xiàn)代水利水電工程爆破［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.ZHANG Zheng-yu，ZHANG Wen-xuan，WU Xin-xia，et al.Blasting of modern water conservancy and hydropower engineering［M］.Beijing：China Water Conservancy and Hydropower Press，2003.

﹝9﹞羅先啟，舒茂修.巖爆的動(dòng)力斷裂判據(jù)—D判據(jù)［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1996，7（2）：1-5. LUO Xian-qi，SHU Xiu-mao.Dynamic fracture criterion of rockburst—D criterion［J］.Chinese Journal of Geological Hazard and Control，1996，7（2）：1-5.

﹝10﹞徐則民，黃潤(rùn)秋，羅杏春，等.靜荷載理論在巖爆研究中的局限性及巖爆巖石動(dòng)力學(xué)機(jī)制的初步分［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（8）：1 255-1 262. XU Ze-min，HUANG Run-qiu，LUO Xing-chun，et al. Limitation of static load theory in rockburst research and preliminary analysis on dynamic mechanism of rockburst［J］.Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（8）：1 255-1 262.

﹝11﹞盧文波，楊建華，陳明，等.深埋隧洞巖體開(kāi)挖瞬態(tài)卸荷機(jī)制及等效數(shù)值模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（6）：1 089-1 096. LU Wen-bo，YANG Jian-hua，CHEN Ming，et al. Mechanism and equivalent numerical simulation of transient release of excavation load for deep tunnel［J］. Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30（6）：1 089-1 096.

﹝12﹞嚴(yán)鵬，盧文波，許紅濤.高地應(yīng)力條件下隧洞開(kāi)挖動(dòng)態(tài)卸荷的破壞機(jī)制初探［J］.爆炸與沖擊，2007，27（3）：283-288. YAN Peng，LU Wen-bo，XU Hong-tao.A primary study to damage mechanism of initial stress dynamic unloading when excavating under high geostress condition［J］.Explosion and Shock Waves，2007，27（3）：283-288.

﹝13﹞婁建武，龍?jiān)矗烊?小波分析在結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)響應(yīng)能量分析法中的應(yīng)用［J］.世界地震工程，2001，17（1）：64-68. LOU Jian-wu，LONG Yuan，Xu Quan-jun.The application of wavelet analysis in structure response to blasting vibration energy analysis［J］.World Earthquake Engineering，2001，17（1）：64-68.

﹝14﹞嚴(yán)鵬，盧文波，李洪濤，等.地應(yīng)力對(duì)爆破過(guò)程中圍巖振動(dòng)能量分布的影響［J］.爆炸與沖擊，2009，29：182-188. YAN Peng，LU Wen-bo，LI Hong-tao，et al.Influences of geo-stress on energy distribution of vibration induced by blasting excavation［J］.Explosion and Shock Waves，2009，29：182-188.

﹝15﹞何軍，于亞倫，梁文基.爆破振動(dòng)信號(hào)的小波分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1998.20（1）：47-50. HE Jun，YU Ya-lun，LIANG Wen-ji.Wavelet analysis of blasting vibration signal［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1998.20（1）：47-50.

﹝16﹞黃文華，徐全軍，沈蔚.小波變換在判斷爆破地震危害中的應(yīng)用［J］.工程爆破，2001，7（1）：24-27. HUANG Wen-hua，XU Qun-jun，SHEN Wei.Application of wavelet transform in judging the damage of blasting［J］.Engineering Blasting，2001，7（1）：24-27.

﹝17﹞李洪濤，楊興國(guó)，舒大強(qiáng)，等.不同爆源形式的爆破地震能量分布特征［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2010，42（1）：30-34. LI Hong-tao，YANG Xing-guo，SHU Da-qiang，et al. Distribution characteristics of blasting seismic energy in different blasting source［J］.Journal of Sichuan University：Engineering Science Edition，2010，42（1）：30-34.

﹝18﹞LU W B，LI P，CHEN M，et al.Comparison of vibrations induced by excavation of deep-buried cavern and open pit with method of bench blasting［J］.Journal of Central South University of Technology，2011，18（5）：1 709-1 718.

﹝19﹞趙振國(guó)，嚴(yán)鵬，盧文波，等.地應(yīng)力瞬態(tài)卸載誘發(fā)振動(dòng)的能量分布特性［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35（1）：1-8. ZHAO Zhen-guo，YAN Peng，LU Wen-bo，et al.The energy distribution character of vibration induced by insitu stress transient unloading［J］.Journal of Rock Mechanics and Engineering，2016，35（1）：1-8.

﹝20﹞楊建華，盧文波，陳明.深部巖體應(yīng)力瞬態(tài)釋放激發(fā)微地震機(jī)制與識(shí)別［J］.地震學(xué)報(bào)，2012，34（5）：581-592. YANG Jian-hua，LU Wen-bo，CHEN Ming.Mechanism and identification of triggered microseism by transient release of in-situ stress in deep rock mass［J］.Acta Seismologica Sinica，2012，34（5）：581-592.

Effect of crustal stress level on frequency characteristics of blasting vibration

YPPC Run-qiang1，2，YPP Peng1，2，LU Wen-bo1，2，CHEP Ming1，2，WPPC Cao-hui1，2
（1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Key Laboratory of Rock Mechanics in HydrauIic StructuraIEngineering Ministry of Education，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Different stress level has important influence on the frequency and energy distribution of blasting vibration of deep rock mass.Based on the Fast Fourier transform of the measured vibration signals of surrounding rock during blasting excavation of deep buried tunnel under different stress conditions，the energy distribution of the vibration signals in different frequency bands is studied by means of the power spectrum analysis method.The research shows that the percentage of the measured blasting vibration of low frequency vibration energy in total vibration energy would increase with the increase of the stress level. In addition to a dominant frequency of blasting vibration，there are a number of sub bands in the frequency domain，and the gap between the vibration energy of each sub band and the vibration energy of dominant frequency would decrease with the increase of stress level.Accompanied by the breaking process of rock blasting，the dominant frequency of the vibration of surrounding rock induced by the transient release of strain energy is generally lower than the frequency of vibration induced by blast load. At 50 MPa or higher stress levels，the strain energy release induced vibration energy is roughly equivalent to that of blast load induced vibration energy.This research has certain guiding significance to the safety control of blasting vibration in underground engineering.

Crustal stress level；Blasting vibration；Vibration frequency；Energy distribution；Power spectrum analysis

TD235.1

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.011

1006-7051（2016）05-0050-07

2016-03-05

國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目（51125037）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51479147，51179138）

楊潤(rùn)強(qiáng)（1993-），男，碩士在讀，從事巖石動(dòng)力學(xué)與工程爆破方向的研究。E-mail：yangrq@whu.edu.cn

嚴(yán)鵬（1981-），男，副研究員，從事巖石動(dòng)力學(xué)及工程爆破相關(guān)的教學(xué)和科研工作。E-mail：pyanwhu@whu.edu.cn