城市浅埋隧道爆破振动灾害机理及预测系统研究

Blasting vibration on the surrounding environment has become a major bottleneck restricting urban shallow tunnel construction safety. Exploring the transmission mechanism and the attenuation law of the blasting vibration near the shallow tunnel, predicting accurate and controlling effective of the blasting vibration, which has an important theoretical value and practical significance on ensuring construction safety. This topic will conduct a systematic study on the elevation amplification effect mechanism of shallow tunnel blasting vibration, the blasting vibration prediction system and the relative superiority of Projection Pursuit technology forecasting model. Including analysis the inner contact of the elevation and blasting seismic wave, build the mathematical model of the blasting seismic wave in shallow tunnel, to study the dynamics process of transmission and reflection, frequency variation as well as energy loss direction of during the propagation process of seismic wave, and to obtain the height amplification effect mechanism of blasting vibration in shallow tunnel. On the basis of a large number of on-site monitoring data, using the projection pursuit techniques to simulate the generation and evolution of vibration peak, clarify the influence effect of different parameters on the speed peak, to clarify the regulatory mechanism of blasting parameters to predicting results, establishment the universal high accuracy projection pursuit model, and to predict accurately the blasting vibration velocity peak in this topic. Comparative analysis the the accuracy and reasonableness of the projection pursuit prediction method with the general prediction method and the waveform superimposed.

爆破振动对周边环境的影响已成为制约城市浅埋隧道安全施工的一项主要瓶颈，探索浅埋隧道近区爆破振动传播机理和衰减规律，实现爆破振动的准确预测和有效控制，对保证施工安全具有重要的理论价值和现实意义。本课题将对浅埋隧道爆破振动高程放大效应机理、爆破振动预测系统的建立和投影寻踪技术预测模型的相对优越性能展开系统的研究。主要包括分析地形高程与爆破地震波的内在联系，构建浅埋隧道爆破地震波传播的数理模型，研究地震波传播中的透射与反射动力学过程、频率变化规律以及能量的耗损方向，获得浅埋隧道爆破振动高程放大效应机理。在大量现场监测数据的基础上，运用投影寻踪技术，模拟振动峰值的生成与演变过程，阐明不同参量对速度峰值的影响规律，明晰爆破参数对预测结果的调控机制，建立普适性的高精度投影寻踪模型，实现爆破振动速度峰值的准确预测。同时对比分析投影寻踪模型预测法与一般预测法、波形叠加预测法的准确合理性。

探索浅埋隧道近区爆破振动传播机理和衰减规律，实现爆破振动的准确预测和有效控制,对保证施工安全具有重要的理论价值和现实意义。传统的爆破振动预测方法大多是建立在平坦地形条件下，没有反应地形高程的影响，而工程爆破绝大多数是在地形有起伏的场地上进行的。本课题以北京市昌平地铁隧道为工程背景，以高程条件下的爆破振动为研究对象，运用理论分析、现场实测和模型实验、数值模拟、计算机软件开发等相结合的方法，对浅埋隧道爆破振动高程放大效应机理、爆破振动预测系统的建立和投影寻踪预测模型的相对优越性能展开系统的研究。.通过项目研究，主要取得以下成果：.（1）从平面射线理论、界面群效应和鞭梢效应三个角度阐述了爆破振动的高程放大效应机理，分析了爆破振动与地形高程变化之间的关系。.（2）进行了浅埋隧道爆破振动的实验研究，主要包括现场原位测试和小比例模型试验，采集相关爆破数据并进行分析、整理，研究隧道近区爆破振动的传播与衰减规律，分析了爆破振动高程放大效应产生的可能性，并将实验数据作为后续爆破振动预测和预警系统建立的依据。.（3）将投影寻踪预测理论引入爆破振动灾害预测领域，在理论分析的基础上，认识影响爆破振速峰值的控制因素；在合理定义参量的基础上，运用投影寻踪技术，结合现场收集的相关资料，模拟了爆破振动的生成与演变过程；综合实验、理论分析的研究结果，建立了爆破振动的投影寻踪回归模型，实现了爆破振动的准确预测。.（4）根据试验结果，分别采用传统的萨道夫斯基公式、萨道夫斯基拓展公式、BP神经网络和有限元数值模拟方法对爆破振速峰值进行了预测，并与投影寻踪回归模型的预测结果进行对比，得到了投影寻踪预测方法的相对优越性能。研究表明：五种预测方法中，投影寻踪回归模型预测结果最为准确，误差率仅为6.36%；数值模拟和BP神经网络次之，平均误差率分别为11.08%和12.45%，但数值模拟方法受诸多条件限制，预测结果不稳定；萨道夫斯基拓展公式和萨道夫斯基公式的预测精度较低分别为21.68%；25.32%。.（5）利用Visual Basic和Matlab联合开发了爆破振动计算机预测系统，内嵌四个模块，即可采用不同预测方法进行爆破振速的预测，还可以进行不同预测方法预测结果的对比分析，为地形起伏条件下爆破振动的安全预警提供了一种便捷的新方法。