岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (12): 3366-3375.doi: 10.16285/j.rsm.2021.0602

• 岩土工程研究 • 上一篇    下一篇

基于变分模态分解的深埋洞室爆破开挖围岩 振动特性分析

杨建华,章伟鹏,姚池,张小波,周创兵   

  1. 南昌大学 建筑工程学院,江西 南昌 330031
  • 收稿日期:2021-04-21 修回日期:2021-07-04 出版日期:2021-12-13 发布日期:2021-12-14
  • 通讯作者: 姚池,男,1986年生,博士,教授,主要从事岩石破坏和水力耦合方面的研究工作。E-mail: chi.yao@ncu.edu.cn E-mail:yangjianhua86@ncu.edu.cn
  • 作者简介:杨建华,男,1986年生,博士,副教授,主要从事岩石动力学及工程爆破方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.51969015,No.52179102,No.U1765207);江西省自然科学基金(No.20192ACB21019,No.20204BCJ23002)

Characteristic analysis of rock vibrations caused by blasting excavation in deep cavern based on variational mode decomposition

YANG Jian-hua, ZHANG Wei-peng, YAO Chi, ZHANG Xiao-bo, ZHOU Chuang-bing   

  1. School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang, Jiangxi 330031, China
  • Received:2021-04-21 Revised:2021-07-04 Online:2021-12-13 Published:2021-12-14
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(51969015, 52179102, U1765207) and the Natural Science Foundation of Jiangxi Province(20192ACB21019, 20204BCJ23002).

摘要: 深埋洞室高地应力爆破开挖产生的围岩振动包含爆炸地震波和爆破开挖面上地应力快速释放诱发的地震波,二者在时域上没有明显的分界点,这给单独研究爆炸地震波和诱发地震波的振动特性及其围岩动力响应带来了很大的不便。首次采用变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)方法对典型深埋洞室爆破开挖产生的爆炸地震波和诱发地震波进行了分离,并对其可靠性进行了验证,在此基础上基于实测数据分析研究了爆炸地震波和诱发地震波的频率特性及其质点峰值振动速度(PPV)衰减规律。研究结果表明,VMD方法因能自适应地确定所给信号的模态分解个数并匹配每种模态分量的最佳中心频率和有限带宽,可以有效实现深埋洞室爆破开挖爆炸地震波和诱发地震波的分离;诱发地震波的中心频率明显低于爆炸地震波的中心频率,诱发地震波的存在使得围岩振动低频成分显著增加;相比于爆炸地震波,诱发地震波随距离衰减较慢,是中远区围岩振动的主要成分。

关键词: 深埋洞室, 爆破开挖, 振动, 变分模态分解, 中心频率

Abstract: The rock vibrations caused by blasting excavation in deep caverns under high in-situ stress conditions include explosion seismic wave and seismic wave induced by rapid release of in-situ stress on the blasting excavation surface. There is no obvious demarcation point between these two types of waves in the time domain, which brings great inconvenience to study the vibration characteristics of explosion seismic wave and induced seismic wave and its surrounding rock dynamic response alone. In this study, the variational mode decomposition (VMD) is used for the first time to separate the explosion-induced seismic waves and the in-situ stress-related seismic waves for the rock vibrations measured in a typical deep cavern. The reliability of VMD in the separation is verified before the practical application. Based on the separation signals, the frequency characteristics and peak particle velocity (PPV) attenuation laws of the two waves are investigated. The results show that VMD method can adaptively determine the number of modal decomposition of the given signal and match the optimal center frequency and limited bandwidth of each modal component, which can effectively realize the separation of the two waves in deep cavern blasting excavation. The separation signals indicate that the center frequency of the in-situ stress-related seismic waves is significantly lower than that of the explosion-induced seismic waves. Due to the seismic waves caused by the rapid in-situ stress release, the total rock vibrations are increased significantly in the lower frequency components. Compared with the explosion-induced seismic waves, the in-situ stress-related seismic waves decay with distance at a slower rate and become the predominant vibration component in the middle and far fields.

Key words: deep cavern, blasting excavation, vibration, variational mode decomposition, center frequency

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