本申請(qǐng)涉及掩體爆破的，尤其是涉及一種用于隧道爆破圍巖損傷控制的三分量das技術(shù)。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，隨著公路、鐵路等交通基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)發(fā)展，隧道工程的建設(shè)也呈現(xiàn)出顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)。在巖質(zhì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中，鉆爆法因其成本效益高、施工速度快以及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在隧道掘進(jìn)和礦山建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但在鉆爆過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊波和振動(dòng)不可避免的會(huì)對(duì)周邊圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，引起隧道爆源近區(qū)圍巖損傷破壞和遠(yuǎn)區(qū)圍巖振動(dòng)破壞，從而誘發(fā)工程安全問(wèn)題。因此，在隧道鉆爆開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖損傷的有效控制對(duì)保證施工安全、防止隧道塌方造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義。

2、現(xiàn)階段巖土工程領(lǐng)域中采用的光纖感測(cè)技術(shù)主要有：光纖布拉格光柵技術(shù)（fbg）、光時(shí)域反射技術(shù)（otdr）、布里淵光時(shí)域反射技術(shù)（botdr）、布里淵光時(shí)域分析技術(shù)（botda）、布里淵光頻域分析技術(shù)（bofda）以及分布式光纖聲波傳感技術(shù)（das）。其中，分布式光纖聲波傳感技術(shù)（das）基本原理：由光源發(fā)射光進(jìn)入光纖，當(dāng)光纖周圍環(huán)境發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，會(huì)引起光纖纖芯參數(shù)如光纖長(zhǎng)度、直徑、折射率等發(fā)生變化，而這些參數(shù)又會(huì)調(diào)制散射光，導(dǎo)致散射光強(qiáng)度、相位、頻率等發(fā)生改變。das則是通過(guò)解調(diào)受擾動(dòng)的光纖段兩端產(chǎn)生的瑞利散射光相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，從而有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)的點(diǎn)式傳感器。

3、由于爆破振動(dòng)振幅很大，光纖測(cè)振信號(hào)非常容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，信號(hào)飽和易導(dǎo)致散射光相位混亂，如波形扭曲、時(shí)間錯(cuò)位等，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得粒子振動(dòng)的峰值速度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了能夠提高對(duì)粒子振動(dòng)峰值速度的準(zhǔn)確性，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N用于隧道爆破圍巖損傷控制的三分量das技術(shù)。

2、本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N用于隧道爆破圍巖損傷控制的三分量das技術(shù)，采用如下的技術(shù)方案：

3、一種用于隧道爆破圍巖損傷控制的三分量das技術(shù)，包括：

4、s1、制作抗飽和特殊光纜，將光纖按照固定角度螺旋纏繞在圓柱體材料上，并將光纖與圓柱體材料進(jìn)行粘接；

5、s2、將抗飽和特殊光纜固定安裝在爆破震源附近，沿抗飽和特殊光纜內(nèi)的光纖長(zhǎng)度方向等距間隔安裝有m個(gè)點(diǎn)式傳感器；

6、s3、設(shè)置有n個(gè)不同爆破當(dāng)量的爆源，通過(guò)三分量das系統(tǒng)以及m個(gè)點(diǎn)式傳感器對(duì)m次爆破振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，記錄隧道中各位置的三分量das系統(tǒng)對(duì)n次爆破的第一測(cè)振數(shù)據(jù)和隧道中各位置的點(diǎn)式傳感器對(duì)n次爆破的第二測(cè)振數(shù)據(jù)；

7、s4、將三分量das系統(tǒng)和點(diǎn)式傳感器與不同爆源之間不同距離測(cè)量點(diǎn)測(cè)得n×m個(gè)測(cè)振數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，確定第一測(cè)振數(shù)據(jù)和第二測(cè)振數(shù)據(jù)的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系；

8、s5、根據(jù)點(diǎn)式傳感器的振動(dòng)安全閾值以及第一測(cè)振數(shù)據(jù)和第二測(cè)振數(shù)據(jù)的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到三分量das系統(tǒng)的振動(dòng)安全閾值；

9、s6、通過(guò)函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系將三分量das系統(tǒng)測(cè)得的所有測(cè)振數(shù)據(jù)換算成真實(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)，從而得到整個(gè)測(cè)量面的粒子振動(dòng)峰值速度；

10、s7、通過(guò)粒子振動(dòng)峰值確定裝藥量。

11、可選的，在步驟s1中，抗飽和特征光纜內(nèi)部填充tpu等緩震材料，光纖和圓柱體材料外套設(shè)有橡膠套。

12、可選的，在步驟s1中，為纏繞起點(diǎn)，為終點(diǎn)，為纏繞角，為纏繞半徑，表示光纖纏繞的一個(gè)周期，為該周期內(nèi)的任意一點(diǎn)，，，分別為特殊光纜所在位置處由地震波振動(dòng)引起的 x，y，z方向上的三個(gè)分量應(yīng)變，為 p點(diǎn)處沿纏繞軸（）方向的應(yīng)變，為 p點(diǎn)處螺旋光纖的軸向應(yīng)變，為 p點(diǎn)處沿圓周切線方向上的應(yīng)變。 l為從到光纖的長(zhǎng)度，為到 p點(diǎn)的光纖長(zhǎng)度，

13、特殊光纜與螺旋纏繞光纖應(yīng)變關(guān)系推導(dǎo)過(guò)程如下：

14、；（1）

15、將式（1）兩邊同時(shí)微分：

16、；（2）

17、即：

18、；（3）

19、將式（2）兩邊同除以，即：

20、；（4）

21、由于，，故式（4）可表示為：

22、；（5）

23、由于，，，即：

24、；（6）

25、而，故（6）式可改寫(xiě)為：

26、；（7）

27、其中的值取決于特殊光纜x和y方向上的應(yīng)變，的值，由（7）式可定性獲得螺旋光纖軸向應(yīng)變與真實(shí)地震波振動(dòng)引起的實(shí)際三分量應(yīng)變之間的關(guān)系。

28、可選的，在步驟s6中，粒子振動(dòng)峰值速度vs為：

29、；（8）

30、式（8）中，為描述壓力大小的常數(shù)；

31、為初始炮轟壓力；

32、為無(wú)限小長(zhǎng)度；

33、1為爆轟氣體密度；

34、為波傳播速度；

35、為與炮孔距離。

36、可選的，在步驟s7中，根據(jù)裝藥量確定爆破動(dòng)能a為：

37、；（9）

38、式（9）中，為裝藥長(zhǎng)度；

39、2為巖石密度；

40、為炸藥能量；

41、裝藥結(jié)構(gòu)為：

42、；（10）

43、圓柱形裝藥結(jié)構(gòu)的粒子振動(dòng)峰值速度v：

44、；（11）

45、式（11）中，為與炮孔距離。

46、綜上所述，本申請(qǐng)包括以下至少一種有益技術(shù)效果：

47、1.用三分量das系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的點(diǎn)式傳感器進(jìn)行分布式爆破測(cè)振，根據(jù)函數(shù)關(guān)系將三分量das系統(tǒng)測(cè)得的測(cè)振數(shù)據(jù)換算成真實(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)，得到整個(gè)測(cè)量面的粒子振動(dòng)峰值速度，之后根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)調(diào)整裝藥量，進(jìn)而有效控制隧道鉆爆開(kāi)挖的圍巖損傷范圍；

48、2.光纖既作為傳輸介質(zhì)，同時(shí)光纖上的每一點(diǎn)可作為傳感器，光纖耐腐蝕、抗電磁、鋪設(shè)方便、成本低廉，僅需一根光纖即可實(shí)現(xiàn)大范圍、高密度、分布式測(cè)量。

技術(shù)特征：

1.一種用于隧道爆破圍巖損傷控制的三分量das技術(shù)，其特征在于：包括，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于隧道爆破圍巖損傷控制的三分量das技術(shù)，其特征在于，在步驟s1中，抗飽和特征光纜內(nèi)部填充tpu等緩震材料，光纖和圓柱體材料外套設(shè)有橡膠套。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于隧道爆破圍巖損傷控制的三分量das技術(shù)，其特征在于，在步驟s1中，為纏繞起點(diǎn)，為終點(diǎn)，為纏繞角，為纏繞半徑，表示光纖纏繞的一個(gè)周期，為該周期內(nèi)的任意一點(diǎn)，，，分別為特殊光纜所在位置處由地震波振動(dòng)引起的x，y，z方向上的三個(gè)分量應(yīng)變，為p點(diǎn)處沿纏繞軸（）方向的應(yīng)變，為p點(diǎn)處螺旋光纖的軸向應(yīng)變，為p點(diǎn)處沿圓周切線方向上的應(yīng)變，l為從到光纖的長(zhǎng)度，為到p點(diǎn)的光纖長(zhǎng)度，

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于隧道爆破圍巖損傷控制的三分量das技術(shù)，其特征在于，在步驟s6中，粒子振動(dòng)峰值速度vs為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于隧道爆破圍巖損傷控制的三分量das技術(shù)，其特征在于，在步驟s7中，根據(jù)裝藥量確定爆破動(dòng)能a為：

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及一種用于隧道爆破圍巖損傷控制的三分量DAS技術(shù)，其包括，S1、制作抗飽和特殊光纜；S2、將抗飽和特殊光纜固定安裝在爆破震源附近；S3、設(shè)置有n個(gè)不同爆破當(dāng)量的爆源，通過(guò)三分量DAS系統(tǒng)以及m個(gè)點(diǎn)式傳感器對(duì)m次爆破振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量；S4、將三分量DAS系統(tǒng)和點(diǎn)式傳感器與不同爆源之間不同距離測(cè)量點(diǎn)測(cè)得n×m個(gè)測(cè)振數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，確定第一測(cè)振數(shù)據(jù)和第二測(cè)振數(shù)據(jù)的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系；S5、根據(jù)點(diǎn)式傳感器的振動(dòng)安全閾值以及第一測(cè)振數(shù)據(jù)和第二測(cè)振數(shù)據(jù)的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到三分量DAS系統(tǒng)的振動(dòng)安全閾值；S6、將三分量DAS系統(tǒng)測(cè)得的所有測(cè)振數(shù)據(jù)換算成真實(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)，從而得到整個(gè)測(cè)量面的粒子振動(dòng)峰值速度；S7、通過(guò)粒子振動(dòng)峰值確定裝藥量。

技術(shù)研發(fā)人員：李曉鋒,李海波,蔣鐘崴,李潛,何天佑,何立恒
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15