一种隧道围岩纵波速度确定方法、装置和计算机设备与流程

1.本发明涉及隧道围岩纵波波速测量领域，特别涉及一种基于爆破地震波与空气冲击波走时差拾取，快速确定隧道围岩纵波波速的测量方法、装置和计算机设备。


背景技术：

2.岩体的纵波波速是反应岩体的物理力学性质和工程指标的重要参数，在评价岩体质量好坏和评定场地条件中有着广泛的应用。依据纵波波速测试技术可解决地下工程、水利水电工程、隧道工程和建筑地基中的岩土力学问题，还可用于勘察工程地质和检测工程质量，随着岩体波速测试水平的不断提高，其工程应用范围也将随之扩大。
3.现有的岩体纵波波速测试多采用直达波法，该方法是在对场地进行勘察钻孔后，在钻孔中安放炸药或激振器等人工振源，并在钻孔附近围岩表面设置振动传感器。振源激发后将产生直达波。同时设置在钻孔周围的振动传感器会记录振源产生的振动波形。通过采集到的直达波的初至信号，结合纵波的传播距离和传播时间计算岩体的纵波波速。待计算完成后，改变振源的位置以计算不同区域岩体的纵波波速。
4.直达波法的测试原理及过程相对简单，其缺点是：
5.①
岩体纵波传播速度极快，直接测量岩体纵波速度误差大、准确度低。
6.②
直达波法中，振源激发产生直达波将随着距离的增加而快速衰减，当超出一定距离后，振动传感器将无法采集到直达波形。因此，其适用范围相对较小。
7.③
测试不同区域内岩体的纵波波速，则需要分别打设多个不同的钻孔，一定程度上会增加测试的成本。


技术实现要素：

8.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种简便、快速测试岩体纵波速度的方法，即在隧道内钻孔爆破的同时直接对爆破后冲向岩体纵波波速进行计算分析，计算结果精度高、误差小、工序简单。
9.本发明实施例提供一种隧道围岩纵波速度确定方法，包括：
10.当隧道爆破开挖时，获取岩体内传播的爆破地震波到达监测点的初至时间和空气中传播的空气冲击波到达监测点的初至时间的时间差；
11.根据时间差与监测点和爆源中心之间的距离，确定岩体内纵波速度。
12.在其中一个实施例中，所述时间差的获取，包括：
13.采用振动传感器，获取岩体内传播的爆破地震波；
14.采用空气冲击波传感器，获取空气中传播的空气冲击波；
15.根据爆破地震波和空气冲击波，确定爆破地震波到达监测点的初至时间和空气冲击波到达监测点的初至时间的时间差；
16.其中，在隧道围岩表面确定一条测线，在测线上间隔布置监测点，并在每个监测点上布置振动传感器和空气冲击波传感器。
17.在其中一个实施例中，所述振动传感器和所述空气冲击波传感器，采用振动及过压监测仪。
18.在其中一个实施例中，
19.所述振动传感器，采用爆破振动监测仪；
20.所述空气冲击波传感器，采用冲击波监测仪。
21.在其中一个实施例中，相邻两个所述监测点之间的距离为30～50m。
22.在其中一个实施例中，所述岩体内纵波速度的表达为：
[0023][0024]
其中，δt为同一测点地震波与空气冲击波的初至时间差；l
n
为第n个监测点和爆源中心之间的距离；c
u
为空气冲击波的速度，取值为340m/s；c
p
为岩体内纵波速度。
[0025]
一种隧道围岩纵波速度确定装置，包括：
[0026]
时间差确定模块，用于当隧道爆破开挖时，获取岩体内传播的爆破地震波到达监测点的初至时间和空气中传播的空气冲击波到达监测点的初至时间的时间差；
[0027]
纵波速度确定模块，用于根据时间差与监测点和爆源中心之间的距离，确定岩体内纵波速度。
[0028]
在其中一个实施例中，所述时间差确定模块包括：
[0029]
爆破地震波获取单元，用于采用振动传感器，获取岩体内传播的爆破地震波；
[0030]
空气冲击波获取单元，用于采用空气冲击波传感器，获取空气中传播的空气冲击波；
[0031]
时间差计算单元，用于根据爆破地震波和空气冲击波，确定爆破地震波到达监测点的初至时间和空气冲击波到达监测点的初至时间的时间差；
[0032]
其中，在隧道围岩表面确定一条测线，在测线上间隔布置监测点，并在每个监测点上布置振动传感器和空气冲击波传感器。
[0033]
在其中一个实施例中，所述岩体内纵波速度的表达为：
[0034][0035]
其中，δt为同一测点地震波与空气冲击波的初至时间差；l
n
为第n个监测点和爆源中心之间的距离；c
u
为空气冲击波的速度，取值为340m/s；c
p
为岩体内纵波速度。
[0036]
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述的方法的步骤。
[0037]
本发明实施例提供的上述隧道围岩纵波速度确定方法、装置和计算机设备，与现有技术相比，其有益效果如下：
[0038]
(1)测试方法简单、高效，无需打设探孔，可在隧道爆破开挖的同时完成对岩体纵波波速的测试，且可同时测量测点范围内不同区域的岩体纵波波速。(2)适用范围广，由于隧道爆破开挖产生地震波及空气冲击波强度大，故在较远距离依然可以采集到相应的地震波及空气冲击波信号，适合大范围区域内岩体纵波波速的测试。(3)节能环保，借助爆破开挖产生地震波及空气冲击波测试岩体纵波波速，无需设置人工振源，一定程度上节约了岩体纵波波速的测试成本。
附图说明
[0039]
图1为一个实施例中提供的一种隧道围岩纵波速度确定方法结构示意图；
[0040]
图2为一个实施例中提供的隧道监测点布置三维示意图；
[0041]
图3为一个实施例中提供的隧道监测点布置剖面图；
[0042]
图4为振动传感器拾取的爆破地震波波形示意图；
[0043]
图5为冲击波传感器拾取的空气冲击波波形示意图。
[0044]
附图标记说明：
[0045]1‑
炮孔，2
‑
掌子面。
具体实施方式
[0046]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0047]
参见图1，一个实施例中提供的一种隧道围岩纵波速度确定方法，该方法具体包括：
[0048]
步骤1，测点布置及振动传感器与空气冲击波传感器的安装。
[0049]
为保证测试结果的准确可靠。首先对爆源附近待测试区域进行调查，清除测试区域表面的粉尘、松散破碎岩体；然后对振动传感器及空气冲击波传感器进行检查、检测和标定；同时根据待测试区域与爆源的相对位置，确定监测点1#、2#、3#的位置(图2)，并测量不同测点与爆源中心间的距离。在监测点1#、2#、3#上安装振动传感器与空气冲击波传感器，为防止传感器移动，采用速凝石膏将传感器与基岩粘结。
[0050]
步骤2，爆破地震波及空气冲击波振动信号的采集与识别。
[0051]
确定爆破区域后，对掌子面炮孔成孔质量进行检查、孔底找平，之后安装炸药和堵塞。待起爆条件准备就绪后，同时打开振动监测仪及空气冲击波监测仪，使其处于采样状态。炸药起爆后将产生爆破地震波和空气冲击波。利用振动传感器及空气冲击波传感器分别采集岩体内地震波振动信号及空气中冲击波的振动信号，图4、图5分别给出了1#测点地震波及空气冲击波振动波形。
[0052]
对步骤1～2的说明：
[0053]
在待测区域围岩表面确定一条测线，并在测线方向间隔一定距离布置测点，随后在测点位置安装振动传感器、空气冲击波传感器。炸药起爆后，振动传感器及空气冲击波传感器将分别采集岩体内的地震波振动信号及空气中爆炸冲击波传播信号，并将不同信号传至主机进行存储。
[0054]
上述爆破地震波及空气冲击波信号的采集，可以采用振动及过压监测仪(如minimate pro4)同时采集，亦或使用爆破振动监测仪(如tc
‑
4850)及冲击波监测仪分别采集爆破地震波及空气冲击波信号。
[0055]
步骤3，岩体纵速度的计算
[0056]
依据波形图，可获取振动传感器拾取岩体纵波的初至时间t1和空气冲击波传感器拾取空气冲击波的初至时间t2，计算初至时间差δt＝t2‑
t1，依据公式可计算出
1#测点与爆源中心范围内岩体纵波速度c
p
。同理，根据2#及3#测点采集到的振动波形可分别计算2#及3#测点到爆源中心范围内的岩体纵波波速。
[0057]
本发明原理为：炸药在岩土体介质中爆炸，仅有20％～30％的能量用于岩体的破碎及抛掷，大部分能量则转化为爆破振动能及空气冲击波能等。由于爆破地震波在岩体内传播，其传播速度必然大于空气中传播的冲击波。因此，传播相同距离条件下，爆破冲击波与地震波的初至时间会产生时间差。在待测区域围岩表面选择监测点，确定一条测线，并在测线测点上布置振动传感器、空气冲击波传感器。炸药起爆后，产生地震波及空气冲击波将依次到达某一确定测点，根据采集到的地震波及空气冲击波信号，计算岩体内地震波、空气冲击波的初至时间差δt。
[0058]
总之，本发明公开了一种基于爆破地震波与空气冲击波走时差拾取快速确定隧道围岩纵波波速的方法，按照常规爆破振动跟踪监测布置测点，通过振动传感器及冲击波传感器拾取各测点地震波、空气冲击波的初至时间，并利用两者的时间差及测点与爆源中心距离，计算测点到爆源中心区域内岩体的纵波波速。本发明适用于水利、采矿、交通及市政等地下隧道(洞)或巷道爆破开挖中围岩纵波速度的确定，相比传统测试方法更为简单、高效，且测试结果精确、可靠、适应性高。
[0059]
实施例1：
[0060]
下面结合某隧道钻孔爆破施工，对利用拾取地震波和空气冲击波初至时间差来计算岩体的纵波速度的方法做进一步的说明：
[0061]
该测试隧道为公路隧道，隧道断面净空宽度为5米，高度4.5米，设计长度为2000米。采用本发明基于隧道钻爆开挖诱发地震波与空气冲击时差拾取的确定岩体纵波速度的方法，具体流程包括如下步骤：
[0062]
(1)首先确定所需岩体纵波波速测试区域，并布置三个振动监测点1#、2#、3#，各测点距离爆源中心的距离分别为40m、80m、120m。清除测点附近位置表面的粉尘、松散破碎岩体。在每个测点位置利用速凝石膏将振动传感器与基岩进行粘结。
[0063]
(2)按照炮孔设计要求，在隧道掌子面钻设炮孔，并对成孔质量进行检查、孔底找平，然后进行装药和堵塞。待爆破条件准备就绪后，同时打开振动监测仪及空气冲击波监测仪，使其处于采样状态。
[0064]
(3)炸药起爆后，通过振动传感器及冲击波传感器采集地震波及空气冲击波的振动信号并存储于主机中。利用后处理软件从主机中读取监测数据，进行后一步的比较计算。
[0065]
(4)1#测点记录的振动传感器拾取地震波初至时间t1为第100ms，空气冲击波初至时间t2为第205ms，两者初至时间的时间差为δt＝t2‑
t1＝105ms，1#测点至爆源中心的距离l1为40m，并依据公式可计算出监测点到爆源中心区域段岩体纵波速度，式中c
u
为冲击波在空气中传播速度，为340m/s。
[0066]
(5)同理，2#测点距爆源中心距离为80m，拾取的岩体纵波、空气冲击波的初至时间差δt＝210ms，依据公式计算该区域段内岩体纵波速度c
p
＝3220m/s。即2#测点距爆源中心区域岩体的纵波波速为3220m/s。
[0067]
一个实施例中提供的一种隧道围岩纵波速度确定装置，该装置包括：
[0068]
时间差确定模块，用于当隧道爆破开挖时，获取岩体内传播的爆破地震波到达监测点的初至时间和空气中传播的空气冲击波到达监测点的初至时间的时间差。
[0069]
纵波速度确定模块，用于根据时间差与监测点和爆源中心之间的距离，确定岩体内纵波速度。
[0070]
上述时间差确定模块包括：
[0071]
爆破地震波获取单元，用于采用振动传感器，获取岩体内传播的爆破地震波；空气冲击波获取单元，用于采用空气冲击波传感器，获取空气中传播的空气冲击波；时间差计算单元，用于根据爆破地震波和空气冲击波，确定爆破地震波到达监测点的初至时间和空气冲击波到达监测点的初至时间的时间差；其中，在隧道围岩表面确定一条测线，在测线上间隔布置监测点，并在每个监测点上布置振动传感器和空气冲击波传感器。
[0072]
关于隧道围岩纵波速度确定装置的具体限定可以参见上文中对于隧道围岩纵波速度确定方法的限定，在此不再赘述。上述隧道围岩纵波速度确定装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0073]
一个实施例中，提供的一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
[0074]
当隧道爆破开挖时，获取岩体内传播的爆破地震波到达监测点的初至时间和空气中传播的空气冲击波到达监测点的初至时间的时间差。
[0075]
根据时间差与监测点和爆源中心之间的距离，确定岩体内纵波速度。
[0076]
上述时间差的获取，包括：
[0077]
采用振动传感器，获取岩体内传播的爆破地震波。
[0078]
采用空气冲击波传感器，获取空气中传播的空气冲击波。
[0079]
根据爆破地震波和空气冲击波，确定爆破地震波到达监测点的初至时间和空气冲击波到达监测点的初至时间的时间差。
[0080]
其中，在隧道围岩表面确定一条测线，在测线上间隔布置监测点，并在每个监测点上布置振动传感器和空气冲击波传感器。
[0081]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(read
‑
only memory，rom)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(random access memory，ram)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(static random access memory，sram)或动态随机存取存储器(dynamic randomaccess memory，dram)等。
[0082]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛
盾，都应当认为是本说明书记载的范围。还有，以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。