爆炸应力波传播规律与TSP基本原理分析

第27卷 第2期2010年6月

爆 破 BLASTI NG

V o.l 27 N o .2

Jun .2010

DO I :10.3963/.j issn.1001-487X.2010.02.009

爆炸应力波传播规律与TSP 基本原理分析

*

王国斌1,2

,利奕年2

,杨文东

3

(1.中国地质大学工程学院,武汉430074;2.湖北省交通规划设计院,武汉430051;

3.武汉理大学土木工程与建筑学院,武汉430070)

摘 要: T SP 是一种用微量炸药爆破产生地震波进行隧道地质超前预报的技术。为了更好地了解T SP 基本原理,分析了炸药爆炸所产生的应力波在介质中的传播形式及其能量的分配,推导了应力波传播形式的波动方程。在此基础上,详细地阐述了T SP 超前预报探测系统工作原理和T SP 测试爆破设计,最后应用TSP 法对某隧道掌子面进行了探测分析。这些成果可为探测人员进一步掌握TSP 技术提供一些理论参考。关键词: 爆炸; 应力波; TSP; 爆破设计

中图分类号: O 382 文献标识码: A 文章编号: 1001-487X (2010)02-0032-04

Anal ysis of Propagation Characteristics of Explosion

StressW ave and Basic Pri nci ple of TSP

WANG Guo bin 1,2

,LI Yi nian 2

,Y ANG W en dong

3

(1.Schoo l of Eng i n eering ,Ch i n a U niversity o fGeosc iences ,W uhan 430074,China ;

2.Co mm un ications Plann i n g and D esi g n I nstitute o fH uhe i Prov i n ce ,W uhan 430051,Ch i n a ;

3.Schoo l o f C ivil Eng i n eering and Architecture ,W uhan U niversity of Techno logy ,W uhan 430070,China)A bstract : TSP i s a tunne l geo l og ica l adv anced pred icti on techno l ogy through se i s m ic wave produced by m i ni

charge exp l os i on .In o rder to understand t he bas i c princ i p l e o f TPS be tter ,this artic l e ana lysis propagation for m s and energy distr i buti on of exp l os i ve stress wave i n t he m edi um and deduces the vo l a tility equati on o f stressw ave propaga tion for m s .Based on t h is ,this artic l e deta iled l y describes the wo rk i ng pr i nciple o f TSP advanced pred icti on detecti on syste m and T SP testing b l asti ng design .In t he end ,T SP i s appli ed to detect a t unne l face .T hese res u lts can prov i de som e theo retical re f e rences for prob i ng persons t o g rasp T SP techno logy furt her .K ey words : expl o si on ;stress w ave ;tunne l se i s m i c pred i c ti on

;blasting desi gn 收稿日期:2010-01-14

作者简介:王国斌(1974-),男,博士生,E ma i :l vocar @si na .co m 。基金项目:湖北省交通科技项目(鄂交科教[2005]361号)

0 引言

TSP(Tunnel Se is m ic Pred iction)是目前隧道施工超前地质预报最为有效的方法之一,它是一种无损的地震波反射探测技术。该技术采用微量炸药爆破人为形成多个微振源,利用爆破地震波在岩土体中传播规律来探测隧道施工前方的地质状况。为了

探测技术人员更好地了解TSP 基本原理及其使用,首先,对炸药爆炸所产生的应力波在介质中的传播规律进行了分析,然后,详细地阐述了TSP 超前预报探测系统工作原理和TSP 测试爆破设计及其应用。

1 爆炸应力波传播形式及波动方程

1)爆炸应力波传播形式

炸药包爆炸所产生的应力波,在介质中的传播形式及其能量的分配是不同的,如图1所示。在靠

近爆源3~7倍药包半径的距离内,以冲击波的形式出现,占爆炸能量的60%以上;在距爆源120~150倍药包半径的距离内,以压缩波的形式出现,占爆炸能量的30%以上;直到距爆源超过药包半径150倍的距离后,才以地震波的形式出现,只占爆炸能量的10%左右

[1 2]

。

图1 爆炸应力波在介质中的传播形式

2)波动方程

设有一平面余弦行波,沿X 轴的正向传播,波速为C,取O 作为计算坐标的原点,X 表示各质点在波线上的平衡位置,y 表示振动位移,则质点的振动方程为

[3 5]

y =A cos t -X

C

(1)

式中,A 为振幅; 为频率;y 为距离坐标原点X 处

质点在时刻的位移。

平面波波动方程

由(1)式分别对t 和X 求二阶偏微分,得到

2

y t 2=-A 2cos t -X

C 2y X 2=-A 2

C

2cos t-X

C 比较上列2式,即得

2

y X 2=1C 2 2

y

t

2(2)

式(2)所反映的是平面波的共同特征,统称为平面波波动方程,可以证明,在三维空间中传播的一切波动过程,只要介质是理想的,无吸收的各向同性的均匀介质,都符合下式

2

x 2+ 2

y 2+ 2

z 2=1C 2 2

t

2(3)

式中, 为位移,该式常称为平面波波动方程。

球面波波动方程

将式(3)化成球坐标的形式,并注意到各个径向方向上的传播完全相同,即可得到球面波的波动方程为

2

(r ) r 2=1C 2 2

(r )

t

2

(4)

式中, 为位移,r 为沿任一半径方向上离点波源或

球心的距离。

2 TSP 超前预报探测系统工作原理

TSP(Tunne l Seis m ic Prediction)203p l u s 系统是瑞士Am berg 工程技术公司的最新产品,是一种快速、有效、无损的地震波反射探测技术,人为形成多个微振源,采用微量炸药爆破产生地震波并以球面波的形式在岩体中传播,其中一部分沿掌子面轴向传播,当地震波遇到地层界面、节理面,特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落带、淤泥等不良地质界面时,将产生反射波,反射波的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质和产状相

关,并通过不同数据表现出来,然后被高灵敏度的特制地震检波器接收,并被转换成电信号加以放大。经过电脑处理后,形成反应相关界面或地质体反射能量的影像点图和隧道平面、剖面图;一部分直接向接受器方向传播,被接受器接受,形成首到波,由此可计算波速

[6 8]

。

纵波波速计算公式:

V p =

L 1T 1

(5)

式中,L 1为振源到传感器的距离,m;T 1为首波到达

传感器的时间,s 。

从起爆到反射信号被接受,这段时间与距反射界面的距离成比例,由反射时间和地震波的速度进行换算,得出反射面的位置和与隧道轴线的夹角,从

而确定出距掌子面的距离和大体的形状,同时还可以通过对波速的计算将岩性的变化显示出来。进而结合具体的地质情况,预测诸如断层破碎带、软弱岩

层、溶洞等影响施工的不良地质构造的位置、宽度、产状等,见图2所示。

图2 T SP 超前预报探测系统工作原理

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