【摘要】：受到傳統(tǒng)施工工法的影響和工程成本控制的制約,對(duì)于大型地下洞室的施工,目前最常采用的手段仍是鉆孔爆破法。爆破開挖過程中,爆破引起的地震效應(yīng)對(duì)爆源洞室及鄰近洞室圍巖造成動(dòng)力響應(yīng)影響(動(dòng)力響應(yīng)因子包括振動(dòng)速度、位移、頻率、能量及應(yīng)力),極易導(dǎo)致爆源洞室及鄰近洞室圍巖的動(dòng)力損傷,使得圍巖力學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)劣化,對(duì)地下洞室圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。當(dāng)前針對(duì)地下儲(chǔ)氣庫洞室的研究明顯不足,且已有研究成果主要集中在圍巖穩(wěn)定性分析、滲流場(chǎng)分析、爆破振動(dòng)效應(yīng)、動(dòng)力響應(yīng)衰減規(guī)律等方面,側(cè)重于洞室開挖卸荷應(yīng)力應(yīng)變分析、爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律及基于爆破峰值振動(dòng)速度的安全評(píng)價(jià)等單一角度和宏觀規(guī)律分析,缺乏多角度的、系統(tǒng)的、內(nèi)在機(jī)制上的研究,特別是對(duì)于地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖爆破動(dòng)力響應(yīng)特性的研究,國內(nèi)外文獻(xiàn)鮮有研究。因此,在當(dāng)前我國大力建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫洞室的迅猛時(shí)期,深入開展地下儲(chǔ)氣庫洞室開挖爆破圍巖動(dòng)力響應(yīng)特性研究是工程應(yīng)用科學(xué)中一項(xiàng)關(guān)鍵基礎(chǔ)理論問題,對(duì)大型地下儲(chǔ)氣庫洞室工程爆破設(shè)計(jì)及施工安全控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。立足上述認(rèn)識(shí),論文以煙臺(tái)萬華地下水封石洞液化石油氣儲(chǔ)庫(儲(chǔ)氣庫)爆破工程為研究對(duì)象,通過現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn),建立儲(chǔ)氣庫洞室圍巖爆破振動(dòng)效應(yīng)數(shù)據(jù)庫;采用粗糙集理論,進(jìn)行洞室圍巖爆破振動(dòng)效應(yīng)影響因素(爆源條件因素和工程條件因素)敏感度分析和影響因素重要度排序,并約簡獲取必要因素;綜合采用不確定性理論中的支持向量機(jī)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式等方法,優(yōu)化比選獲取最佳的地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖爆破特征參量預(yù)測(cè)模型;運(yùn)用小波分解與重構(gòu)技術(shù)和自適應(yīng)最優(yōu)核(AOK)時(shí)頻分析技術(shù),進(jìn)行圍巖動(dòng)力響應(yīng)頻率因子和能量因子的時(shí)頻特性分析,探究了爆破振動(dòng)信號(hào)分頻帶的振動(dòng)頻率、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間與地震波能量比重在不同爆源條件和不同工程條件下的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制與演化規(guī)律;運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬等方法,掌握不同爆源條件和不同工程條件下圍巖振動(dòng)速度因子、位移因子及應(yīng)力因子的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制及演變規(guī)律,構(gòu)建圍巖峰值拉應(yīng)力、峰值切應(yīng)力與合成峰值振動(dòng)速度之間的動(dòng)力響應(yīng)模型(動(dòng)力響應(yīng)函數(shù));基于等效峰值能量理論和圍巖動(dòng)態(tài)強(qiáng)度準(zhǔn)則,提出考慮爆破振動(dòng)速度因子與頻率因子的地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖綜合安全判據(jù)。從而在圍巖爆破振動(dòng)效應(yīng)和變形破壞機(jī)理上進(jìn)行多角度、系統(tǒng)的圍巖動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)價(jià),對(duì)地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖安全評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建具有重要的理論研究意義,對(duì)儲(chǔ)氣庫洞室設(shè)計(jì)與施工具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值。主要獲取了以下6個(gè)方面的研究成果:1、地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試與分析(1)對(duì)于地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖峰值振動(dòng)速度,其傳統(tǒng)地薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式衰減規(guī)律的相關(guān)程度較低,表現(xiàn)為在沿爆破主洞室走向和垂直走向兩個(gè)方向上具有顯著的各向異性特征;(2)對(duì)于爆破主洞室,其薩道夫斯基公式不準(zhǔn)確性特征表現(xiàn)為:地質(zhì)參數(shù)K、α均趨于取值范圍的下限值,巖體堅(jiān)硬程度特性上表現(xiàn)為極堅(jiān)硬巖石,巖體質(zhì)量條件被予以提高,究其原因?yàn)榇嬖诟叱谭糯笮?yīng);(3)對(duì)于鄰近主洞室,其薩道夫斯基公式不準(zhǔn)確性特征表現(xiàn)為:地質(zhì)參數(shù)K、α均趨于中硬巖石的下限值,巖體質(zhì)量條件被予以降低,根本原因在于爆破洞室走向的垂直方向上爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律和動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制的復(fù)雜性,難以用一個(gè)具體的函數(shù)表達(dá)式加以描述其動(dòng)力響應(yīng)特性;(4)結(jié)合地下構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)自振頻率和共振破壞理論,豎直方向(Z向)振動(dòng)主頻率存在顯著影響,需要加以重點(diǎn)關(guān)注并深入研究其對(duì)儲(chǔ)氣庫洞室圍巖動(dòng)力響應(yīng)特性的影響機(jī)制,同時(shí)需要考慮采用爆破方案優(yōu)化的措施予以控制;(5)根據(jù)聯(lián)合判據(jù)分析法,現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)的振動(dòng)主頻率和振動(dòng)速度均為合理的,但不能判定低頻率振動(dòng)信號(hào)下圍巖的動(dòng)力穩(wěn)定性狀態(tài);2、地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖爆破振動(dòng)效應(yīng)影響因素敏感性研究(1)決策屬性{峰值振動(dòng)速度V}的必要影響因素為爆心距L、高程差H、傳播介質(zhì)條件A、最大單段藥量Q、起爆方向D、已開挖洞室的減震效果E;(2)決策屬性{振動(dòng)主頻率f}的必要影響因素為爆心距L、高程差H、傳播介質(zhì)條件A、最大單段藥量Q、微差時(shí)間T、已開挖洞室的減震效果E;(3)決策屬性對(duì)條件屬性的敏感程度可用不協(xié)調(diào)率進(jìn)行等價(jià)代替。對(duì)于決策屬性{峰值振動(dòng)速度V},其對(duì)條件屬性的不協(xié)調(diào)率范圍為0.095~0.293;對(duì)于決策屬性{振動(dòng)主頻率f},其對(duì)條件屬性的不協(xié)調(diào)率范圍為0.086~0.276;(4)對(duì)于峰值振動(dòng)速度V,影響因素的重要度排序從大到小依次為最大單段藥量Q高程差H=爆心距L傳播介質(zhì)條件A=已開挖洞室的減震效果E起爆方向D總裝藥量TQ微差時(shí)間T;(5)對(duì)于振動(dòng)主頻率f,影響因素的重要度排序從大到小依次為最大單段藥量Q已開挖洞室的減震效果E傳播介質(zhì)條件A爆心距L=高程差H微差時(shí)間T起爆方向D總裝藥量TQ;(6)地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖爆破振動(dòng)效應(yīng)影響因素的重要度排序從大到小依次為最大單段藥量Q已開挖洞室的減震效果E高程差H=爆心距L傳播介質(zhì)條件A起爆方向D微差時(shí)間T總裝藥量TQ;3、基于不確定性理論的地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖爆破特征參量預(yù)測(cè)研究(1)粒子群算法最小二乘支持向量機(jī)(PSO-LSSVM)回歸預(yù)測(cè)模型獲取的關(guān)鍵參數(shù)較最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)在優(yōu)化區(qū)間內(nèi)的位置和精確度的小數(shù)點(diǎn)位數(shù)上均更為精確,最優(yōu)關(guān)鍵參數(shù)獲取的工作時(shí)間和工作量也極大地縮減,預(yù)測(cè)精度也有了極大的提高;(2)粗糙集算法模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RS-FNN)回歸預(yù)測(cè)模型較模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FNN)初始輸入向量更為精簡和獨(dú)立,不存在偽數(shù)據(jù)、重復(fù)數(shù)據(jù)和不必要影響因素的條件屬性,達(dá)到最佳訓(xùn)練模型的訓(xùn)練次數(shù)和訓(xùn)練時(shí)間也極大地縮減,預(yù)測(cè)精度也有了極大的提高;(3)在5種模型預(yù)測(cè)精度和泛化能力的綜合比較評(píng)價(jià)上,確定考慮爆破振動(dòng)效應(yīng)必要影響因素構(gòu)建的粒子群算法最小二乘支持向量機(jī)(PSO-LSSVM)回歸預(yù)測(cè)模型是最佳的地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖爆破特征參量預(yù)測(cè)模型;4、地下儲(chǔ)氣庫洞室開挖爆破圍巖動(dòng)力響應(yīng)時(shí)頻特性研究(1)對(duì)于爆破振動(dòng)信號(hào),AOK分布能在時(shí)變頻域分辨精度和交叉項(xiàng)抑制上達(dá)到雙向最優(yōu)。最佳AOK時(shí)頻特性分布函數(shù)的控制參數(shù)為:能量體積指標(biāo)取為2,窗函數(shù)-徑向基高斯核函數(shù)的窗長度和寬度為32×32,FFT分辨率為512,時(shí)頻分析結(jié)果的模方數(shù)為1.5;(2)不同最大單段藥量、爆心距、高程差條件下,地下儲(chǔ)氣庫洞室開挖爆破圍巖動(dòng)力響應(yīng)時(shí)頻特性表現(xiàn)為相似特征:隨著最大單段藥量、爆心距、高程差的增加,爆破振動(dòng)信號(hào)低頻帶的能量比重增大,使得爆破地震波對(duì)圍巖的動(dòng)力破壞效應(yīng)增強(qiáng);持續(xù)時(shí)間均增加,使得圍巖的低周期疲勞破壞累積效應(yīng)增強(qiáng),對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)動(dòng)力破壞起到了促進(jìn)作用;0~200Hz低頻范圍內(nèi)的分頻帶振動(dòng)主頻向著固有頻率20Hz方向發(fā)展,促使圍巖的共振破壞效應(yīng)增強(qiáng);(3)不同已開挖洞室減震效果條件下,地下儲(chǔ)氣庫洞室開挖爆破圍巖動(dòng)力響應(yīng)時(shí)頻特性表現(xiàn)為:隨著已開挖洞室減震效果的增加,爆破振動(dòng)信號(hào)高頻帶的能量比重增大,轉(zhuǎn)化為爆破聲響信號(hào),使得爆破地震波對(duì)圍巖的動(dòng)力破壞效應(yīng)顯著減弱;持續(xù)時(shí)間均有減小,使得圍巖的低周期疲勞破壞累積效應(yīng)減弱;分頻帶振動(dòng)主頻向著遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)固有頻率,向著爆破聲響頻率方向發(fā)展,避免了圍巖的共振破壞效應(yīng);5、地下儲(chǔ)氣庫洞室開挖爆破圍巖動(dòng)力響應(yīng)特性數(shù)值模擬研究(1)不同爆心距條件下,隨著爆心距的增長,鄰近主洞室迎爆側(cè)與背爆側(cè)合成峰值振動(dòng)速度、峰值拉應(yīng)力、峰值切應(yīng)力的衰減趨勢(shì)均呈現(xiàn)反函數(shù)曲線演變規(guī)律,且背爆側(cè)衰減趨勢(shì)較迎爆側(cè)緩慢;而鄰近主洞室質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置上一個(gè)較小位移值范圍內(nèi)的振動(dòng),無破壞性位移出現(xiàn);(2)不同高程差條件下,合成峰值振動(dòng)速度、峰值拉應(yīng)力、峰值切應(yīng)力均在高程差增長的一定范圍內(nèi)存在放大效應(yīng),隨著高程差繼續(xù)增長,高程放大效應(yīng)逐漸減弱到無,其后隨著高程差的增長繼續(xù)衰減,表現(xiàn)為二次拋物線函數(shù)曲線演變規(guī)律;負(fù)高程差方向與正高程差方向有著類似的演變規(guī)律;而圍巖質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置上一個(gè)較小位移值范圍內(nèi)的振動(dòng),無破壞性位移出現(xiàn);(3)不同爆源條件和工程條件下,地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖振動(dòng)速度因子和應(yīng)力因子之間存在著一種特定地動(dòng)力響應(yīng)模型(動(dòng)力響應(yīng)函數(shù)關(guān)系),表現(xiàn)為峰值拉應(yīng)力、峰值切應(yīng)力與合成峰值振動(dòng)速度之間的線性函數(shù)關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)分別為0.871~0.925和0.818~0.841;6、地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖爆破振動(dòng)安全判據(jù)研究(1)在圍巖動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則下,本依托工程的爆破振動(dòng)速度安全判據(jù)范圍為11.612~14.094cm/s;在圍巖動(dòng)態(tài)抗剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則下,本依托工程的爆破振動(dòng)速度安全判據(jù)范圍為15.587~19.729cm/s。綜合考慮爆破振動(dòng)速度安全判據(jù)的普遍適用性,確定本地下儲(chǔ)氣庫洞室工程圍巖動(dòng)力破壞以拉伸破壞為主,其對(duì)應(yīng)的地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖爆破振動(dòng)速度安全判據(jù)為11.612cm/s;(2)根據(jù)等效峰值能量理論,地下儲(chǔ)氣庫洞室圍巖中爆破地震波的特征等效峰值能量[E_(PE)]值為16.989,振動(dòng)頻率-振動(dòng)速度綜合安全判據(jù)為:0~20Hz頻率下,允許峰值振動(dòng)速度為7.158cm/s;20~100Hz頻率下,允許峰值振動(dòng)速度為9.162cm/s;100~200Hz頻率下,允許峰值振動(dòng)速度為11.612cm/s。
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【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TE972.2
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本文編號(hào)：2491720