地下储气库洞室开挖爆破围岩动力响应特性研究

发布时间：2019-06-03 05:43

【摘要】：受到传统施工工法的影响和工程成本控制的制约,对于大型地下洞室的施工,目前最常采用的手段仍是钻孔爆破法。爆破开挖过程中,爆破引起的地震效应对爆源洞室及邻近洞室围岩造成动力响应影响(动力响应因子包括振动速度、位移、频率、能量及应力),极易导致爆源洞室及邻近洞室围岩的动力损伤,使得围岩力学性质出现劣化,对地下洞室围岩的稳定性产生不利影响。当前针对地下储气库洞室的研究明显不足,且已有研究成果主要集中在围岩稳定性分析、渗流场分析、爆破振动效应、动力响应衰减规律等方面,侧重于洞室开挖卸荷应力应变分析、爆破振动速度衰减规律及基于爆破峰值振动速度的安全评价等单一角度和宏观规律分析,缺乏多角度的、系统的、内在机制上的研究,特别是对于地下储气库洞室围岩爆破动力响应特性的研究,国内外文献鲜有研究。因此,在当前我国大力建设地下储气库洞室的迅猛时期,深入开展地下储气库洞室开挖爆破围岩动力响应特性研究是工程应用科学中一项关键基础理论问题,对大型地下储气库洞室工程爆破设计及施工安全控制具有重要的现实意义。立足上述认识,论文以烟台万华地下水封石洞液化石油气储库(储气库)爆破工程为研究对象,通过现场爆破振动测试试验,建立储气库洞室围岩爆破振动效应数据库;采用粗糙集理论,进行洞室围岩爆破振动效应影响因素(爆源条件因素和工程条件因素)敏感度分析和影响因素重要度排序,并约简获取必要因素;综合采用不确定性理论中的支持向量机、模糊神经网络和传统经验公式等方法,优化比选获取最佳的地下储气库洞室围岩爆破特征参量预测模型;运用小波分解与重构技术和自适应最优核(AOK)时频分析技术,进行围岩动力响应频率因子和能量因子的时频特性分析,探究了爆破振动信号分频带的振动频率、振动持续时间与地震波能量比重在不同爆源条件和不同工程条件下的动力响应机制与演化规律;运用理论分析和数值模拟等方法,掌握不同爆源条件和不同工程条件下围岩振动速度因子、位移因子及应力因子的动力响应机制及演变规律,构建围岩峰值拉应力、峰值切应力与合成峰值振动速度之间的动力响应模型(动力响应函数);基于等效峰值能量理论和围岩动态强度准则,提出考虑爆破振动速度因子与频率因子的地下储气库洞室围岩综合安全判据。从而在围岩爆破振动效应和变形破坏机理上进行多角度、系统的围岩动力稳定性评价,对地下储气库洞室围岩安全评价体系的构建具有重要的理论研究意义,对储气库洞室设计与施工具有重大的工程应用价值。主要获取了以下6个方面的研究成果:1、地下储气库洞室围岩现场爆破振动测试与分析(1)对于地下储气库洞室围岩峰值振动速度,其传统地萨道夫斯基经验公式衰减规律的相关程度较低,表现为在沿爆破主洞室走向和垂直走向两个方向上具有显著的各向异性特征;(2)对于爆破主洞室,其萨道夫斯基公式不准确性特征表现为:地质参数K、α均趋于取值范围的下限值,岩体坚硬程度特性上表现为极坚硬岩石,岩体质量条件被予以提高,究其原因为存在高程放大效应;(3)对于邻近主洞室,其萨道夫斯基公式不准确性特征表现为:地质参数K、α均趋于中硬岩石的下限值,岩体质量条件被予以降低,根本原因在于爆破洞室走向的垂直方向上爆破振动速度衰减规律和动力响应机制的复杂性,难以用一个具体的函数表达式加以描述其动力响应特性;(4)结合地下构筑物结构自振频率和共振破坏理论,竖直方向(Z向)振动主频率存在显著影响,需要加以重点关注并深入研究其对储气库洞室围岩动力响应特性的影响机制,同时需要考虑采用爆破方案优化的措施予以控制;(5)根据联合判据分析法,现场爆破振动测试质点爆破振动数据的振动主频率和振动速度均为合理的,但不能判定低频率振动信号下围岩的动力稳定性状态;2、地下储气库洞室围岩爆破振动效应影响因素敏感性研究(1)决策属性{峰值振动速度V}的必要影响因素为爆心距L、高程差H、传播介质条件A、最大单段药量Q、起爆方向D、已开挖洞室的减震效果E;(2)决策属性{振动主频率f}的必要影响因素为爆心距L、高程差H、传播介质条件A、最大单段药量Q、微差时间T、已开挖洞室的减震效果E;(3)决策属性对条件属性的敏感程度可用不协调率进行等价代替。对于决策属性{峰值振动速度V},其对条件属性的不协调率范围为0.095~0.293;对于决策属性{振动主频率f},其对条件属性的不协调率范围为0.086~0.276;(4)对于峰值振动速度V,影响因素的重要度排序从大到小依次为最大单段药量Q高程差H=爆心距L传播介质条件A=已开挖洞室的减震效果E起爆方向D总装药量TQ微差时间T;(5)对于振动主频率f,影响因素的重要度排序从大到小依次为最大单段药量Q已开挖洞室的减震效果E传播介质条件A爆心距L=高程差H微差时间T起爆方向D总装药量TQ;(6)地下储气库洞室围岩爆破振动效应影响因素的重要度排序从大到小依次为最大单段药量Q已开挖洞室的减震效果E高程差H=爆心距L传播介质条件A起爆方向D微差时间T总装药量TQ;3、基于不确定性理论的地下储气库洞室围岩爆破特征参量预测研究(1)粒子群算法最小二乘支持向量机(PSO-LSSVM)回归预测模型获取的关键参数较最小二乘支持向量机(LS-SVM)在优化区间内的位置和精确度的小数点位数上均更为精确,最优关键参数获取的工作时间和工作量也极大地缩减,预测精度也有了极大的提高;(2)粗糙集算法模糊神经网络(RS-FNN)回归预测模型较模糊神经网络(FNN)初始输入向量更为精简和独立,不存在伪数据、重复数据和不必要影响因素的条件属性,达到最佳训练模型的训练次数和训练时间也极大地缩减,预测精度也有了极大的提高;(3)在5种模型预测精度和泛化能力的综合比较评价上,确定考虑爆破振动效应必要影响因素构建的粒子群算法最小二乘支持向量机(PSO-LSSVM)回归预测模型是最佳的地下储气库洞室围岩爆破特征参量预测模型;4、地下储气库洞室开挖爆破围岩动力响应时频特性研究(1)对于爆破振动信号,AOK分布能在时变频域分辨精度和交叉项抑制上达到双向最优。最佳AOK时频特性分布函数的控制参数为:能量体积指标取为2,窗函数-径向基高斯核函数的窗长度和宽度为32×32,FFT分辨率为512,时频分析结果的模方数为1.5;(2)不同最大单段药量、爆心距、高程差条件下,地下储气库洞室开挖爆破围岩动力响应时频特性表现为相似特征:随着最大单段药量、爆心距、高程差的增加,爆破振动信号低频带的能量比重增大,使得爆破地震波对围岩的动力破坏效应增强;持续时间均增加,使得围岩的低周期疲劳破坏累积效应增强,对围岩结构动力破坏起到了促进作用;0~200Hz低频范围内的分频带振动主频向着固有频率20Hz方向发展,促使围岩的共振破坏效应增强;(3)不同已开挖洞室减震效果条件下,地下储气库洞室开挖爆破围岩动力响应时频特性表现为:随着已开挖洞室减震效果的增加,爆破振动信号高频带的能量比重增大,转化为爆破声响信号,使得爆破地震波对围岩的动力破坏效应显著减弱;持续时间均有减小,使得围岩的低周期疲劳破坏累积效应减弱;分频带振动主频向着远离结构固有频率,向着爆破声响频率方向发展,避免了围岩的共振破坏效应;5、地下储气库洞室开挖爆破围岩动力响应特性数值模拟研究(1)不同爆心距条件下,随着爆心距的增长,邻近主洞室迎爆侧与背爆侧合成峰值振动速度、峰值拉应力、峰值切应力的衰减趋势均呈现反函数曲线演变规律,且背爆侧衰减趋势较迎爆侧缓慢;而邻近主洞室质点在其平衡位置上一个较小位移值范围内的振动,无破坏性位移出现;(2)不同高程差条件下,合成峰值振动速度、峰值拉应力、峰值切应力均在高程差增长的一定范围内存在放大效应,随着高程差继续增长,高程放大效应逐渐减弱到无,其后随着高程差的增长继续衰减,表现为二次抛物线函数曲线演变规律;负高程差方向与正高程差方向有着类似的演变规律;而围岩质点在其平衡位置上一个较小位移值范围内的振动,无破坏性位移出现;(3)不同爆源条件和工程条件下,地下储气库洞室围岩振动速度因子和应力因子之间存在着一种特定地动力响应模型(动力响应函数关系),表现为峰值拉应力、峰值切应力与合成峰值振动速度之间的线性函数关系,其相关系数分别为0.871~0.925和0.818~0.841;6、地下储气库洞室围岩爆破振动安全判据研究(1)在围岩动态抗拉强度准则下,本依托工程的爆破振动速度安全判据范围为11.612~14.094cm/s;在围岩动态抗剪切强度准则下,本依托工程的爆破振动速度安全判据范围为15.587~19.729cm/s。综合考虑爆破振动速度安全判据的普遍适用性,确定本地下储气库洞室工程围岩动力破坏以拉伸破坏为主,其对应的地下储气库洞室围岩爆破振动速度安全判据为11.612cm/s;(2)根据等效峰值能量理论,地下储气库洞室围岩中爆破地震波的特征等效峰值能量[E_(PE)]值为16.989,振动频率-振动速度综合安全判据为:0~20Hz频率下,允许峰值振动速度为7.158cm/s;20~100Hz频率下,允许峰值振动速度为9.162cm/s;100~200Hz频率下,允许峰值振动速度为11.612cm/s。
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【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE972.2
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本文编号：2491720