袁 偉，金解放，王 杰，梁 晨，郭鐘群

(江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

目前，在礦山巷道開挖、交通隧道掘進(jìn)、水工隧洞建設(shè)等工程中，爆破開挖仍然是一種常用的、有效的施工方法。鑒于我國隧洞建設(shè)頻繁、既有數(shù)量龐大的特點(diǎn)，在爆破工程中，經(jīng)常遇到爆破近場存在既有洞室的情況。為了最大限度地降低爆破活動(dòng)對既有洞室的不利影響，需要對既有洞室的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行分析研究，以確定合理的爆孔位置、爆破裝藥量、安全距離等技術(shù)參數(shù)，并及時(shí)對既有洞室采取有效支護(hù)措施[1]。

爆破沖擊對既有洞室的影響規(guī)律，其本質(zhì)是應(yīng)力波的傳播問題。應(yīng)力波在傳播過程中，遇到介質(zhì)材料性質(zhì)、幾何性質(zhì)突變時(shí)，傳播規(guī)律將發(fā)生變化。爆破地震波越過巷道的迎爆側(cè)時(shí)，一部分發(fā)生反射，另一部分將在洞室周圍發(fā)生衍射和繞射，這就使得洞室周圍一定的區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布不均，通常稱其為動(dòng)應(yīng)力集中現(xiàn)象或振動(dòng)速度放大現(xiàn)象[2]。在對圓形洞室的研究方面，易長平等[3]針對爆破地震波與鄰近圓形洞室的相互作用問題，利用波函數(shù)展開法，理論推導(dǎo)了圍巖的應(yīng)力和位移表達(dá)式。爆破地震波的振動(dòng)頻率、洞室尺寸、圍巖性質(zhì)等因素，對洞壁質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)均有較大的影響[4-6]。吳亮等[7]考慮了既有隧道與新建隧道的相對位置，分析了鄰近隧道爆破掘進(jìn)對既有隧道的影響。對于工程場地存在既有地下圓形洞室群的情況，梁建文等[8]研究表明當(dāng)洞室間距較近時(shí)，地下洞室群的動(dòng)應(yīng)力集中效應(yīng)顯著增大。在直墻拱洞室的研究方面，成果相對較少，楊年華等[9]指出，最大振動(dòng)速度出現(xiàn)在爆破振動(dòng)波正入射部位的墻壁和拱部，而墻腳點(diǎn)振動(dòng)速度較小。王光勇等[10]研究了縱波入射角度對地下洞室圍巖動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)的影響。

在地下工程結(jié)構(gòu)中，為適應(yīng)工程場地實(shí)際的豎向、側(cè)向地壓分布，洞室的斷面往往形式多樣。而應(yīng)力集中現(xiàn)象與孔洞的形狀密切相關(guān)[11]，洞室的斷面形式不同，圍巖區(qū)的動(dòng)應(yīng)力集中程度和分布情況均會(huì)有所差異。為了更加準(zhǔn)確地控制爆破地震波對既有洞室的不利影響，需要分析不同斷面形式的洞室對近場爆破地震波的響應(yīng)特點(diǎn)，相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

因此，本文將利用FLAC3D軟件，建立圓形、橢圓形、矩形、直墻半圓拱形和直墻圓弧拱形五種典型斷面形式的礦山巷道數(shù)值模型[12]。前三種是基本斷面，后兩種為組合式斷面，本文稱圓形、橢圓形和矩形巷道為基本式斷面巷道，其他為組合式斷面巷道。對正入射爆破地震縱波作用下，不同斷面巷道的圍巖振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。對比分析洞壁不同部位和圍巖體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)振速的大小、分布差異,并考慮不同頻率爆破地震波下，各種巷道圍巖振動(dòng)響應(yīng)的變化差異。

1 數(shù)值模型

1.1 模型假設(shè)

由于涉及的影響因素較多，爆破地震波在巷道圍巖介質(zhì)中的傳播是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。鑒于本文的研究重點(diǎn)在于巷道斷面的幾何性質(zhì)對圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律，因此，可以對實(shí)際的問題進(jìn)行合理地簡化和假設(shè)。

針對本文擬建立的數(shù)值計(jì)算模型，在保證結(jié)果不失一般性的前提下，提出如下假設(shè)：假設(shè)一,傳播至既有巷道迎爆側(cè)的爆破地震波為平面應(yīng)力波，且為正入射，即入射角為0°；假設(shè)二,圍巖體完整性較好，不存在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)面、裂隙等缺陷；假設(shè)三,以圍巖體為主要分析對象，暫不考慮巷道襯砌結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

1.2 模型建立

采用有限差分程序FLAC3D，分別建立斷面為圓形、橢圓形、矩形、直墻半圓拱形和直墻圓弧拱形的巷道-圍巖體模型，其中橢圓形斷面的長軸位于洞寬方向，如圖1(a)所示。各模型的尺寸均為100 m×2 m×100 m，巷道洞高為6 m,除橢圓形巷道洞寬為8 m外，其他模型為6 m。直墻半圓拱形巷道的邊墻高為3 m，直墻圓弧拱形巷道邊墻高為4 m。直角坐標(biāo)系的x、z軸分別與模型的水平、豎向?qū)ΨQ軸重合，如圖1所示。基于假設(shè)二，本文在研究應(yīng)力波在圍巖體中的傳播時(shí)，不考慮巖石本身的能量耗散特性，且不涉及巖體的破壞過程，故圍巖選用各向同性的線彈性材料模型來模擬。所輸入的材料參數(shù)包括：體積模量K=6.0 GPa，剪切變形模量G=4.5 GPa，密度ρ=2 700 kg/m3。

圖1 局部網(wǎng)格劃分示意圖

對巷道進(jìn)深方向的位移和速度進(jìn)行約束，其余外邊界施加靜態(tài)邊界，防止邊界反射波的影響以模擬無限大圍巖體。在FLAC3D的Dynamic計(jì)算模塊中，模型邊界采用靜態(tài)邊界條件時(shí)，所施加的動(dòng)力荷載形式只能為應(yīng)力時(shí)程。擬對模型施加速度時(shí)程時(shí)，需利用式(1)將其轉(zhuǎn)化為應(yīng)力時(shí)程[13]。

σ(t)=-2ρcv(t)(1)

式中：σ(t)為應(yīng)力時(shí)程，Pa；ρ為模型材料的密度，kg/m3；c為模型材料的縱波(或橫波)波速，m/s；v(t)為質(zhì)點(diǎn)縱向(或橫向)振動(dòng)速度時(shí)程，m/s。

《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)[14]對礦山巷道的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行了規(guī)定，爆破地震波的振動(dòng)頻率越低，允許的安全質(zhì)點(diǎn)振速越小，下限為15 cm/s，在計(jì)算時(shí)將輸入爆破地震速度時(shí)程的峰值定為該值。一般將爆破沖擊波簡化為三角形波，但在考慮不同頻率的諧波振動(dòng)規(guī)律時(shí)，三角波的計(jì)算誤差較大[6]。因此，輸入爆破地震波形采用半正弦式平面應(yīng)力波，頻率為10～180 Hz。

由于5組計(jì)算工況中巷道的斷面形式各不相同，在布置監(jiān)測點(diǎn)時(shí)充分考慮了斷面的特點(diǎn)。以直墻圓弧拱形巷道為例，監(jiān)測點(diǎn)分布在拱圈、邊墻和底板三個(gè)區(qū)域。拱圈的監(jiān)測點(diǎn)位于圓弧的六等分點(diǎn)；邊墻的起拱處，距離底板3 m、1.5 m處，墻腳處分別布置監(jiān)測點(diǎn)；底板上每隔1.5 m布置一個(gè)測點(diǎn)。規(guī)定監(jiān)測點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的連線與x軸正向的夾角為θ，如圖2所示。其他斷面形式巷道模型的監(jiān)測點(diǎn)布置方式與此類似。

圖2 直墻圓弧拱形巷道模型監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

2 巷道的振動(dòng)速度響應(yīng)規(guī)律

由于爆破地震波給既有建筑、結(jié)構(gòu)物帶來不利影響，規(guī)范采用安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；入射爆破地震波的振動(dòng)頻率不同，圍巖安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度值也不同。因此，研究爆破地震波作用下，既有巷道洞壁質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度響應(yīng)具有一定的工程指導(dǎo)意義。

本文采用質(zhì)點(diǎn)振速峰值放大系數(shù)來表征振動(dòng)速度放大效應(yīng)的強(qiáng)弱,其表達(dá)式見式(2)。

M=vmax/v0(2)

式中：M為質(zhì)點(diǎn)振速峰值放大系數(shù)；vmax為質(zhì)點(diǎn)的振速峰值；v0為輸入爆破地震波的速度峰值，即震源的質(zhì)點(diǎn)振速峰值。

2.1 洞壁質(zhì)點(diǎn)水平振動(dòng)速度響應(yīng)

在爆破地震波為正入射條件下，圍巖的水平振動(dòng)是引發(fā)巷道損傷破壞的主要誘因。圖3所示為100 Hz爆破地震波入射條件下，巷道洞壁質(zhì)點(diǎn)的水平振速峰值放大系數(shù)(以下簡稱水平放大系數(shù))分布。從水平放大系數(shù)的大小可以看出，洞壁迎爆側(cè)的振速放大效應(yīng)總是大于背爆側(cè)，表明洞壁上越靠近震源的區(qū)域，其振速放大效應(yīng)越嚴(yán)重。

圖3 巷道洞壁質(zhì)點(diǎn)水平振速峰值放大系數(shù)分布

由圖3可知，巷道斷面在幾何上具有上下對稱性時(shí)，洞壁質(zhì)點(diǎn)的水平放大系數(shù)也呈現(xiàn)出上下對稱分布的特點(diǎn),反之亦反。在組合式斷面巷道中，由于拱圈為圓弧，質(zhì)點(diǎn)水平放大系數(shù)的分布特征與圓形巷道類似。而邊墻和底板均為直線，該處的質(zhì)點(diǎn)水平振動(dòng)響應(yīng)則與矩形巷道一致。同理，直墻半圓拱形巷道的底板與直墻圓弧拱形巷道的相同，故二者底板的水平放大系數(shù)近似相等。由此可見，正入射爆破地震波作用下，組合式斷面巷道的振動(dòng)響應(yīng)近似等于對應(yīng)基本式斷面巷道的振動(dòng)疊加。

根據(jù)圖3(a)，在同樣的爆破地震波入射條件下，巷道的斷面形式不同，水平放大系數(shù)沿洞壁周向的分布有較大差異。在迎爆側(cè)，三種基本式斷面巷道中，矩形巷道洞壁水平放大系數(shù)的空間變異性最大。分析認(rèn)為，這與孔洞形狀的緩和程度有關(guān)。根據(jù)彈性波的衍射理論[2,6]，應(yīng)力波在穿越孔洞或障礙物時(shí)，將發(fā)生振動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)；孔洞的變化越緩和，振動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)變化越小，振速的變化也越小，應(yīng)力集中度也越小。而在背爆側(cè)，巷道的斷面不同，水平放大系數(shù)的空間變異性差別較迎爆側(cè)更小。

在洞壁的爆破地震波正入射點(diǎn)，水平放大系數(shù)表現(xiàn)為矩形>圓形>橢圓形。組合式斷面巷道中，直墻圓弧拱形巷道的正入射點(diǎn)在邊墻，其水平放大系數(shù)較直墻半圓拱形巷道的更大。這說明，爆破地震波正入射點(diǎn)位于直墻面時(shí)，所引發(fā)的振速放大效應(yīng)是最強(qiáng)的，即迎爆側(cè)的邊墻部位是最容易發(fā)生破壞的區(qū)域。文獻(xiàn)[9]對直墻拱形秦嶺隧道的爆破振動(dòng)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了分析，其結(jié)論表明邊墻是最危險(xiǎn)區(qū)域，本文結(jié)果與其一致。

因此，為增強(qiáng)既有巷道抵抗爆破沖擊的能力，應(yīng)當(dāng)對迎爆側(cè)洞壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)。當(dāng)爆破近場存在直墻式巷道時(shí)，應(yīng)提高對迎爆側(cè)邊墻部位的支護(hù)等級(jí)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測其動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.2 洞壁質(zhì)點(diǎn)豎向振動(dòng)速度響應(yīng)

入射爆破地震波為平行于x軸的平面應(yīng)力縱波，但其通過既有巷道時(shí)，由于發(fā)生振動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)，引起了洞壁某些區(qū)域質(zhì)點(diǎn)的豎向振動(dòng)。圖4所示為不同斷面形式巷道的洞壁質(zhì)點(diǎn)豎向振速峰值分布，需要說明，由于入射波中不含豎向振動(dòng)成分，數(shù)據(jù)處理時(shí)無法計(jì)算豎向振速峰值放大系數(shù)。

根據(jù)圖4(a)，斷面的幾何形狀不同，巷道洞壁的豎向振速峰值沿洞壁的變化趨勢是相似的，但振速峰值的大小差異較大。自迎爆側(cè)的正入射點(diǎn)至背爆側(cè)的對稱位置，洞壁質(zhì)點(diǎn)的豎向振速峰值先增大后減小，在背爆側(cè)的洞頂和底板位置達(dá)到最大。在迎爆側(cè)，三種基本斷面式巷道中，矩形斷面巷道的洞壁質(zhì)點(diǎn)豎向振速峰值最大，橢圓形斷面次之，圓形斷面的最小。而在背爆側(cè)，矩形斷面巷道的洞壁質(zhì)點(diǎn)豎向振速峰值遠(yuǎn)大于橢圓形和圓形斷面巷道，且橢圓形斷面、圓形斷面巷道的洞壁質(zhì)點(diǎn)豎向振速峰值較為接近。

圖4 巷道洞壁質(zhì)點(diǎn)豎向振速峰值分布

由圖4(b)可以看出，對于組合式斷面巷道，洞壁豎向振速峰值的分布兼有圓形和矩形斷面巷道的分布特點(diǎn)。在下半部分洞壁(x軸以下的洞壁部分)上，兩種組合式斷面均為折線式，洞壁豎向振動(dòng)響應(yīng)近似相同。在上半部分洞壁(x軸以上的洞壁部分)上，直墻半圓拱形巷道為半圓拱，直墻圓弧拱形巷道為圓弧拱+直墻，因此，兩種形式巷道的豎向振動(dòng)響應(yīng)差異在上半部分洞壁表現(xiàn)較為明顯。在迎爆側(cè)的巷道起拱點(diǎn)處，由于直墻段到圓弧段的突變，質(zhì)點(diǎn)豎向振動(dòng)強(qiáng)度隨之增大，并且正入射點(diǎn)的豎向振速峰值相較于圓形和矩形巷道有所增大。

2.3 圍巖體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)

孔洞處質(zhì)點(diǎn)的振速放大現(xiàn)象具有共同的特點(diǎn)：集中性和局部性。集中性是指孔洞附近質(zhì)點(diǎn)的振速遠(yuǎn)大于孔洞較遠(yuǎn)處；局部性則表明，振速放大現(xiàn)象主要發(fā)生在距孔洞一定范圍內(nèi)的區(qū)域，而在該區(qū)域以外，質(zhì)點(diǎn)的振速近似不變。因此，鄰近震源產(chǎn)生的爆破地震波不僅引起既有巷道洞壁的振速放大，洞壁周圍一定范圍的圍巖體內(nèi)也將發(fā)生振速的放大現(xiàn)象。當(dāng)圍巖體質(zhì)點(diǎn)的振速達(dá)到一定值時(shí)，也會(huì)造成圍巖的損傷甚至破壞，從而影響既有巷道的安全。因此，需要進(jìn)一步確定爆破地震波作用下，巷道圍巖的受影響范圍。

圖5所示為100 Hz縱波入射條件下，巷道圍巖水平放大系數(shù)的空間變化情況。從圖5可以看出，盡管巷道的斷面形式不同，但圍巖體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)水平振速的空間變化趨勢是相似的。洞壁質(zhì)點(diǎn)的水平放大系數(shù)最大；隨著圍巖與洞壁距離的增加，圍巖水平放大系數(shù)逐漸減小，并逐漸趨于1.0。表明圍巖的響應(yīng)振速峰值趨于入射爆破地震波的振速峰值，此即體現(xiàn)了振速放大效應(yīng)的集中性。

圖5 圍巖內(nèi)質(zhì)點(diǎn)水平放大系數(shù)

巷道圍巖的水平放大系數(shù)隨空間的變化可以分為三個(gè)區(qū)間：①距洞壁1 m的范圍內(nèi)，圍巖水平放大系數(shù)較大，而變化速率較?。虎诰喽幢? m至1倍洞高范圍內(nèi)，圍巖水平放大系數(shù)快速減小，圍巖質(zhì)點(diǎn)振速逐漸接近入射縱波的強(qiáng)度；③1倍洞高范圍以外，圍巖水平振動(dòng)響應(yīng)接近入射爆破地震波，且基本不隨空間距離而變化。此即為振速放大效應(yīng)的局部性。在靜力條件下，孔邊應(yīng)力集中主要發(fā)生在距孔邊1.5倍孔徑范圍內(nèi)[12]，相較于靜力條件，爆破地震波對巷道圍巖應(yīng)力集中的影響范圍更小。

巷道的斷面形式不同，圍巖內(nèi)質(zhì)點(diǎn)水平放大系數(shù)有所差異。在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，對比三種基本式斷面巷道的圍巖水平放大系數(shù)，橢圓形巷道圍巖水平放大系數(shù)最小，矩形巷道圍巖的最大。這也表明矩形巷道圍巖的水平振速隨空間位置的變化率最大。對于組合式斷面的巷道，圍巖的水平放大系數(shù)則大于圓形巷道圍巖，而小于矩形巷道圍巖；直墻半圓拱形巷道圍巖的水平放大系數(shù)，約為圓形和矩形巷道圍巖放大系數(shù)之和的二分之一。這進(jìn)一步說明，組合式斷面巷道的振動(dòng)響應(yīng)近似等于對應(yīng)基本式斷面巷道的振動(dòng)疊加。

綜上所述，矩形斷面存在明顯的幾何拐點(diǎn)，導(dǎo)致巷道周圍一定區(qū)域內(nèi)圍巖的質(zhì)點(diǎn)振速放大效應(yīng)較為嚴(yán)重，振速隨空間位置的變化幅度較大。而對于圓形和橢圓形斷面，由于不存在幾何上的拐點(diǎn)，圍巖的質(zhì)點(diǎn)振速放大效應(yīng)較弱。組合式巷道圍巖的振速放大效應(yīng)大小介于圓形和矩形巷道之間，且拱圈的比例越大，振速放大效應(yīng)越弱。

3 振動(dòng)響應(yīng)的頻率敏感性分析

已有研究表明[3,15]，在爆破地震波作用下，洞壁的質(zhì)點(diǎn)振速放大效應(yīng)具有頻率相關(guān)性，即爆破地震波的頻率不同，洞壁的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)也會(huì)有差異?！侗瓢踩?guī)程》中對安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的規(guī)定，也考慮了入射爆破地震波的振動(dòng)頻率影響。對于非圓形洞室，目前對其質(zhì)點(diǎn)振速隨入射波振動(dòng)頻率的變化規(guī)律研究較少。

3.1 洞壁質(zhì)點(diǎn)水平振動(dòng)速度的頻率敏感性

當(dāng)入射爆破地震波的振動(dòng)頻率為10 Hz、50 Hz、100 Hz時(shí)，巷道洞壁質(zhì)點(diǎn)的水平放大系數(shù)分布如圖6所示。由圖6可知，對于任意斷面的巷道，入射波的振動(dòng)頻率不同，洞壁質(zhì)點(diǎn)水平放大系數(shù)的分布也不同。以矩形斷面的巷道為例，振動(dòng)頻率f=10 Hz時(shí)，迎爆側(cè)洞壁的水平放大系數(shù)接近于1，且迎爆側(cè)和背爆側(cè)的差異較小，水平放大系數(shù)沿洞壁呈近圓形分布。當(dāng)振動(dòng)頻率提高至50 Hz、100 Hz時(shí)，迎爆側(cè)的水平放大系數(shù)增大，背爆側(cè)變化較小，且洞壁的質(zhì)點(diǎn)水平放大系數(shù)逐漸偏向迎爆側(cè)。其他斷面形式的巷道，規(guī)律與此類似。

在振動(dòng)頻率f=10 Hz時(shí)，不同斷面形式巷道的放大系數(shù)沿洞壁的分布相似，均為近圓分布。隨著振動(dòng)頻率的提高，由斷面形式不同導(dǎo)致的差異逐漸凸顯，并且振動(dòng)頻率越大，洞壁質(zhì)點(diǎn)的水平放大系數(shù)的空間分布差異越大。

取洞壁上質(zhì)點(diǎn)的最大水平放大系數(shù)，分析其隨入射爆破地震波振動(dòng)頻率變化的規(guī)律，如圖7所示。洞壁最大水平放大系數(shù)隨振動(dòng)頻率的變化可以分為三個(gè)階段：快速增大、慢速增大和穩(wěn)定階段；不同斷面形式的巷道，每個(gè)階段對應(yīng)的頻率帶寬略有差異。當(dāng)巷道斷面為圓形時(shí)，快速增加階段的頻率范圍為10～50 Hz，慢速增加階段的頻率范圍為50～150 Hz，穩(wěn)定階段的頻率范圍為150～180 Hz。當(dāng)斷面為矩形時(shí)，對應(yīng)的頻率范圍分別為10～80 Hz、80～150 Hz、150～180 Hz。振動(dòng)頻率低于20 Hz時(shí)，斷面形式對洞壁最大水平放大系數(shù)的影響不顯著。振動(dòng)頻率超過20 Hz時(shí)，頻率越高，各巷道洞壁的水平放大系數(shù)差異越大，表現(xiàn)為矩形斷面的頻率敏感性最強(qiáng)，橢圓形的頻率敏感性最低。

分析認(rèn)為，振動(dòng)頻率較低的爆破地震波，其波長較大，在洞壁處的繞射能力較強(qiáng)，因此洞壁質(zhì)點(diǎn)的振速放大效應(yīng)較低，且波長越大，動(dòng)力擾動(dòng)的效應(yīng)越接近靜力作用的結(jié)果[2]。迎爆側(cè)直墻面不利于波的繞射，振速放大效應(yīng)對振動(dòng)頻率的變化最為敏感。

圖6 不同工況下巷道洞壁質(zhì)點(diǎn)的水平放大系數(shù)

圖7 洞壁最大水平放大系數(shù)隨振動(dòng)頻率的變化

3.2 洞壁質(zhì)點(diǎn)豎向振動(dòng)速度的頻率敏感性

圖8所示為振動(dòng)頻率f為10 Hz、50 Hz、100 Hz時(shí)，質(zhì)點(diǎn)豎向振速峰值沿洞壁的分布情況?？梢钥闯?，洞壁質(zhì)點(diǎn)的豎向振動(dòng)響應(yīng)也有較強(qiáng)的頻率敏感性。振動(dòng)頻率為10 Hz時(shí)，不同斷面的巷道，其質(zhì)點(diǎn)豎向振速峰值沿洞壁的分布形式類似，不具有明顯的偏向性。隨著振動(dòng)頻率的提高，洞壁豎向振動(dòng)響應(yīng)的分布發(fā)生較大的變化。

對于圓形巷道，振動(dòng)頻率的增大導(dǎo)致了洞壁質(zhì)點(diǎn)豎向振動(dòng)速度偏向背爆一側(cè)，頻率越大，背爆側(cè)的豎向振動(dòng)越劇烈。對于橢圓形巷道，隨著振動(dòng)頻率的增大，質(zhì)點(diǎn)豎向振速沿洞壁的分布，呈現(xiàn)了先偏向迎爆側(cè)、后偏向背爆側(cè)的變化特點(diǎn)。矩形巷道的洞壁質(zhì)點(diǎn)豎向振動(dòng)速度隨振動(dòng)頻率的變化，也有先偏向迎爆側(cè)、后偏向背爆側(cè)的特征。因此，洞壁最大豎向振速出現(xiàn)的位置就與入射縱波的振動(dòng)頻率有關(guān)。

對于組合式斷面的巷道，其洞壁質(zhì)點(diǎn)豎向振動(dòng)響應(yīng)隨頻率的變化特征，可以看作基本式斷面巷道的疊加。入射縱波的振動(dòng)頻率較高時(shí)，在迎爆側(cè)起拱點(diǎn)附近，組合式斷面巷道的豎向振動(dòng)響應(yīng)與對應(yīng)基本式斷面巷道有一定的差異。

圖9所示為巷道洞壁最大豎向振速峰值隨振動(dòng)頻率的變化，從中可以看出，不同頻率范圍內(nèi)，洞壁質(zhì)點(diǎn)的豎向振速峰值呈現(xiàn)不同的變化特征。在低頻(10～50 Hz)范圍內(nèi)，洞壁質(zhì)點(diǎn)最大豎向振速峰值隨振動(dòng)頻率的增加而增加，增速較大但有減緩的趨勢；在中等頻率(50～80 Hz)范圍內(nèi)，最大豎向振速峰值隨振動(dòng)頻率緩慢增加；隨著振動(dòng)頻率的進(jìn)一步提高(f>80 Hz)，洞壁質(zhì)點(diǎn)的最大豎向振速峰值又快速增加，但較低頻時(shí)增加速度更慢。

爆破地震波的振動(dòng)頻率對巷道洞壁質(zhì)點(diǎn)的豎向振動(dòng)影響較大。而不同斷面形式的巷道，其洞壁最大豎向振速的頻率敏感性也有差異，且主要體現(xiàn)在中低頻范圍內(nèi)。高頻擾動(dòng)將引起洞壁質(zhì)點(diǎn)較大的豎向振動(dòng)，不利于既有巷道的穩(wěn)定，在爆破開挖時(shí)應(yīng)采取措施降低高頻成分的能量。

4 結(jié) 論

1) 相同爆破地震波正入射條件下，在巷道迎爆側(cè)，含有直墻的巷道洞壁水平振速放大效應(yīng)強(qiáng)于圓形和橢圓形斷面的巷道；在背爆側(cè)，不同斷面形式的巷道洞壁水平振速差別不顯著。水平振速沿洞壁的空間變異性較直墻式巷道的大。

圖8 不同工況下巷道洞壁質(zhì)點(diǎn)豎向振速峰值

圖9 洞壁最大豎向振速峰值隨振動(dòng)頻率的變化

2) 洞壁質(zhì)點(diǎn)豎向振速遠(yuǎn)小于水平振速，且最大值出現(xiàn)在背爆側(cè)的頂部或底部；直墻式巷道豎向振速遠(yuǎn)大于圓形、橢圓形巷道。

3) 迎爆側(cè)距離洞壁約1倍洞高范圍內(nèi)的圍巖，是振速放大效應(yīng)的主要影響區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，距離洞壁越近，圍巖的質(zhì)點(diǎn)振速越大。

4) 正入射爆破地震縱波作用下，組合式斷面巷道洞壁及圍巖體的振動(dòng)響應(yīng)特征，近似等于對應(yīng)基本式斷面巷道的振動(dòng)疊加。

5) 隨入射爆破地震波振動(dòng)頻率的增加，洞壁質(zhì)點(diǎn)水平振速先增大后趨于穩(wěn)定；不同頻率范圍內(nèi)，振速隨振動(dòng)頻率增加的速率也不同，頻率越大，增速越慢。不同斷面形式的巷道，其洞壁水平振速隨振動(dòng)頻率的增加速度不同，直墻式巷道增速更大。

6) 洞壁質(zhì)點(diǎn)最大豎向振速隨振動(dòng)頻率的增加而增大，直墻式巷道增速更大，豎向振速沿洞壁的分布特征也隨振動(dòng)頻率的變化而變化。

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