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原文传递隧道群孔爆破振动精准预测方法及应用研究

论文题名：	隧道群孔爆破振动精准预测方法及应用研究
关键词：	隧道工程;爆破振动;二维指标变量法;神经网络;叠加预测模型
摘要：	我国隧道爆破的振动预测通常采用萨道夫斯基公式进行计算，但研究人员通过长期的工程实践发现爆破振动对附近建（构）筑物及人员安全的危害主要体现在三个方面：爆破振动速度，主振频率和振动持续时间，而萨道夫斯基公式只能预测振动速度，且仅适用于爆破远区，无法满足有较强非线性响应的爆破近区的预测需求。另一方面，随着电子雷管的不断推广使用，这种可以单孔连续起爆、延时间隔小而精准的雷管所产生的爆破振动速度，也很难使用萨道夫斯基公式去预测。因此，本文针对这些问题，采用三种不同的方法分别构建了基于二维指标变量法的多元回归预测模型、基于鲸鱼优化算法的改进人工神经网络预测模型和基于叠加原理的群孔爆破振动预测模型，并结合现场实测数据对预测模型进行了对比和工程应用，验证了预测模型的可靠性和准确性。主要研究内容包括：　　（1）对4个各具特色的不同工程的爆破振动进行监测，总结各项参数和振动监测数据，为后续模型建立提供数据基础；分析了炮孔内炸药的起爆和传播过程中的爆轰参数的变化；提出了两种经典的球形和柱状爆源模型的简化表达，为后续群孔爆破模型的建立提供理论基础；基于柱面波理论和经验公式对爆破振动计算方法的优缺点进行了分析，阐明了后续几种预测模型的必要性和适用范围。　　（2）介绍和引用了二维指标变量法，将围岩等级、岩体类型和风化程度三个定性的地质因素代入回归模型之中，构建了8种不同的候选模型；结合决定系数R2、方差分析ANOVA、赤池信息准则AIC、贝叶斯信息准则BIC和参数显著性分析，对候选模型进行了对比研究，得出了X、Y、Z三个方向的多元回归预测模型；采用多元回归预测模型对X、Y、Z三个方向的爆破振动速度进行预测分析，并与实测值和萨道夫斯基公式的预测结果进行对比，回归模型的决定系数分别达到0.86、0.81和0.80，远高于萨道夫斯基公式同方向的预测精度。　　（3）基于所有收集到的爆破设计参数、地面振动现场监测数据，以及收集到的爆区岩体的物理力学特性和地质信息，采用描述性统计、皮尔逊和斯皮尔曼矩阵，对各参数进行分析，同时引入了围岩等级、岩体类别和风化程度3个定性参数，确定了模型的基础数据库；结合MSE函数、AIC信息准则和BIC信息准则，构建了一个能提升模型泛化能力，避免过度拟合和较大的复杂度的双层优化结构，并引入鲸鱼优化算法对模型初始权值和阈值的选取进行了改良，最终得到了基于鲸鱼优化算法的改进人工神经网络预测模型；模型在X、Y、Z三个方向预测结果的决定系数最高可达到0.99、0.97、0.96，平均决定系数分别为0.96、0.95、0.93。　　（4）以爆破振动信号的正弦函数表达式为基础，对表达式的振幅选取，装药量指数项的取值范围，装药量、爆心距和炮孔数量对爆破振动的影响，爆破振动频率的计算，振动波形衰减系数在不同岩石条件下的分布规律等多个不同参数的计算和取值进行了详细的研究分析，得到了单孔爆破的振动预测表达式；研究了群孔爆破的屏蔽效应、有效距离、不同炮孔炸药对振动的贡献程度以及爆源到测点的振动传播时间的计算方法，考虑爆破近区的非线性响应和装药量及爆心距在不同起爆范围内的主导影响作用，分别建立基于有效距离和炸药贡献的电子雷管群孔爆破振动预测模型；研究了非电雷管的起爆延迟误差现象，结合延迟误差的正态分布规律推导了不同段位雷管延迟时间误差的计算公式，推导出了非电雷管群孔爆破的振动预测公式。　　（5）以京张高铁八达岭长城站的爆破监测数据为例，分别采用单孔爆破的振动预测表达式、基于有效距离和炸药贡献的电子雷管群孔爆破振动预测模型以及，非电雷管群孔爆破的振动预测模型计算了三种情况下的爆破振动波形和频谱波形，预测结果均能够很好的反应实际波形的振幅、频率、持续时间和雷管起爆波动范围，各种条件下的PPV预测误差均在20%以下。
作者：	高宇璠
专业：	土木工程
导师：	傅洪贤
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023