張震,周傳波,路世偉,吳超,王超
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超淺埋地鐵站通道爆破暗挖地表振動(dòng)傳播特征
張震,周傳波,路世偉,吳超,王超
(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院,湖北武漢,430074)
結(jié)合武漢市軌道交通2號(hào)線工程背景,采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和動(dòng)力有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,對(duì)超淺埋通道下臺(tái)階爆破開挖地表振動(dòng)傳播規(guī)律進(jìn)行研究。同時(shí),為研究上臺(tái)階開挖空間對(duì)爆破地震波傳播特征的影響,對(duì)通道全斷面爆破開挖的地表振動(dòng)傳播規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析。研究結(jié)果表明:下臺(tái)階爆破開挖工況下,沿通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,由于應(yīng)力波的繞射,掌子面前方5 m處地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速達(dá)到最大值;垂直于通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,掏槽孔孔底連心線中點(diǎn)正上方地表質(zhì)點(diǎn)與爆源距離最小,但峰值振速并不是最大,且質(zhì)點(diǎn)兩側(cè)2 m范圍內(nèi),隨著爆心距的增加,峰值振速不斷增大。全斷面爆破開挖工況下,沿通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,掌子面前方2 m處地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速達(dá)到最大值;垂直于通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,掏槽孔孔底連心線中點(diǎn)正上方地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速最大,且隨著爆心距的增加,峰值振速不斷減小。對(duì)比通道下臺(tái)階爆破開挖和全斷面爆破開挖2種工況下地表質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)特征,上臺(tái)階開挖空間的存在阻隔了應(yīng)力波的傳播,在一定空間范圍內(nèi)影響爆破地震波的傳播特征,能夠有效降低地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速。
地下通道;爆破開挖;數(shù)值模擬;地表振動(dòng);傳播規(guī)律
地下空間巖石開挖大多采用鉆爆法。城市地下工程多在環(huán)境復(fù)雜、人口密集的城市中心地帶,鉆爆法施工產(chǎn)生的地震效應(yīng)可能危及周邊安全[1?3]。了解地下空間爆破開挖引起的地表振動(dòng)特性和傳播規(guī)律,是安全控制爆破開挖的前提[4?5]。目前,研究者對(duì)淺埋隧道爆破開挖地表振動(dòng)傳播規(guī)律研究較多[6?8]。高文學(xué)等[6]通過現(xiàn)場(chǎng)地表振動(dòng)監(jiān)測(cè),研究了上臺(tái)階爆破開挖工況下沿隧道軸向地表振動(dòng)傳播規(guī)律;李利平等[7]系統(tǒng)分析了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)地表振速,對(duì)地表振動(dòng)的爆破動(dòng)力特性進(jìn)行了研究;肖文濤等[8]用薩道夫斯基公式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)地表振速進(jìn)行擬合,并用動(dòng)力有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)上臺(tái)階爆破開挖工況下地表振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析??傮w來看,學(xué)者對(duì)上臺(tái)階人工開挖情況下超淺埋隧道下臺(tái)階爆破開挖地表振動(dòng)規(guī)律研究少有涉及。本文作者結(jié)合武漢市軌道交通二號(hào)線寶通寺站Ⅳ號(hào)出口過街通道工程實(shí)際,以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地表爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用動(dòng)力有限元數(shù)值模擬方法,研究了超淺埋通道下臺(tái)階爆破開挖作用下沿通道軸向及垂直于通道軸向地表振動(dòng)傳播規(guī)律。為了研究上臺(tái)階開挖空間對(duì)地表爆破地震波傳播特征的影響,對(duì)通道全斷面爆破開挖的地表振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析并與下臺(tái)階爆破開挖工況下地表振動(dòng)規(guī)律對(duì)比。
寶通寺車站Ⅳ號(hào)出口過街通道為超淺埋,暗挖段埋深4.0 m,總長(zhǎng)57.77 m,其中標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)53.17 m,標(biāo)準(zhǔn)段凈空高6.14 m,寬6.46 m。過街通道暗挖段采取CD法分為2個(gè)導(dǎo)洞開挖,每個(gè)導(dǎo)洞分上下臺(tái)階分步開挖。通道上臺(tái)階為粉質(zhì)黏土層,厚度為2.0~2.5 m,采取人工挖除,與下臺(tái)階錯(cuò)開2.0~3.0 m的超短臺(tái)階。下臺(tái)階為粉砂質(zhì)泥巖,厚度為3.5~4.0 m,采取爆破方式開挖,爆破開挖循環(huán)進(jìn)尺為1.0 m。
在隧道爆破開挖時(shí),掏槽孔爆破造成的地震效應(yīng)通常最為強(qiáng)烈[9],根據(jù)爆破設(shè)計(jì)方案,右導(dǎo)洞掏槽孔裝藥量明顯大于左導(dǎo)洞,按最不利安全條件考慮,對(duì)右導(dǎo)洞爆破開挖作用下地表振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。通道掏槽爆破示意圖如圖1所示。炮孔直徑為40 mm,采用耦合裝藥,單孔裝藥量為0.3 kg,起爆方式為孔底同時(shí)起爆。
(a) 縱斷面示意圖;(b)-橫斷面示意圖;(c) 掏槽孔布置平面示意圖
1—人工挖空區(qū)(粉質(zhì)黏土層);2—掏槽孔;3—掌子面;4—襯砌;5—地表;Ⅰ—左導(dǎo)洞;Ⅱ—右導(dǎo)洞
①,②,③,④—開挖順序。
單位:mm
圖1 通道掏槽爆破示意圖
Fig. 1 Schematic diagram of underpass cut blasting
采用動(dòng)力有限元程序ANSYS/LS-DYNA對(duì)通道掘進(jìn)的掏槽孔爆破進(jìn)行模擬。圖2所示為通道下臺(tái)階爆破開挖工況下掏槽爆破時(shí)的模型。模型整體尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為40 m×40 m×18 m,地表土層厚度為 6 m。模型中材料均采用Soild164單元?jiǎng)澐譃長(zhǎng)agrange網(wǎng)格。在關(guān)于有限元的動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬中,KUHLEMEYER等[10]認(rèn)為為了能夠精確模擬應(yīng)力波的傳播,模型網(wǎng)格的單元尺寸須小于輸入波波長(zhǎng)的1/10~1/8,而網(wǎng)格太密太細(xì)會(huì)占用大量的分析時(shí)間,綜合考慮,土體單元網(wǎng)格尺寸為0.5 m,對(duì)巖體單元網(wǎng)格尺寸進(jìn)行適當(dāng)粗劃以減少單元數(shù)量。模型共劃分448 019個(gè)單元,計(jì)算采用cm-g-μs單位制。模型中除頂面及通道輪廓為自由邊界外,其余邊界均采用無反射邊界。
(a) 整體模型;(b) 開挖斷面處網(wǎng)格劃分
計(jì)算模型包括炸藥、圍巖、上覆土體及襯砌材料。炸藥為2號(hào)巖石乳化炸藥;圍巖為粉砂質(zhì)泥巖,選用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型[11?13],該材料模型考慮了巖石介質(zhì)材料的彈塑性性質(zhì),并能夠?qū)Σ牧系膹?qiáng)化效應(yīng)(隨動(dòng)強(qiáng)化和各向同性強(qiáng)化)和應(yīng)變率變化效應(yīng)加以描述;土體采用MAT_DRUCKER_PRAGER材料模型[14?16],該材料模型能有效模擬土體特性,且用于定義屈服面的巖土參數(shù)簡(jiǎn)單易得;襯砌采用MAT_ELASTIC彈性模型。巖土體及襯砌物理力學(xué)參數(shù)見表1~3。
表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)
表2 土體物理力學(xué)參數(shù)
表3 襯砌物理力學(xué)參數(shù)
模擬炸藥爆轟過程中壓力和比容的關(guān)系為JWL狀態(tài)方程[17]:
式中:,,1,2和為材料常數(shù);為壓力;為相對(duì)體積;0為初始比內(nèi)能。炸藥材料的主要輸入?yún)?shù)見表4。
表4 炸藥參數(shù)
采用武漢中巖科技有限公司SR?VM2004便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)地表振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)與模型對(duì)應(yīng)位置如圖2所示。分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù),垂向峰值振動(dòng)速度明顯大于環(huán)向和徑向峰值振動(dòng)速度,垂向爆破振動(dòng)速度對(duì)爆破地震效應(yīng)起控制作 用[18?20],選擇垂向振速作為評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)強(qiáng)度的物理量。
通道上方地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果如圖3和圖4所示。實(shí)測(cè)峰值振動(dòng)速度為1.15 cm/s,模擬計(jì)算的峰值振動(dòng)速度為1.20 cm/s,與實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差為0.05 cm/s,相對(duì)誤差為4.35%,計(jì)算得到的振動(dòng)速度波形與實(shí)測(cè)振動(dòng)速度時(shí)程曲線的形態(tài)基本相同。因此,采用上述掏槽孔爆破模型對(duì)爆破產(chǎn)生的振動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行模擬研究是可行的。
圖3 垂向振動(dòng)速度實(shí)測(cè)波形
圖4 垂向振動(dòng)速度模擬波形
對(duì)下臺(tái)階爆破開挖和全斷面爆破開挖2種工況下沿通道開挖導(dǎo)洞軸向及垂直于通道開挖導(dǎo)洞軸向地表振動(dòng)傳播規(guī)律進(jìn)行分析,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置方向如圖5所示。
以掌子面中心正上方地表質(zhì)點(diǎn)為原點(diǎn),沿開挖導(dǎo)洞軸線方向距掌子面不同水平距離位置布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),下臺(tái)階爆破開挖工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂向峰值振速如圖6所示。圖6中:橫坐標(biāo)負(fù)向表示掌子面后方(已開挖區(qū)域),橫坐標(biāo)正向表示掌子面前方(未開挖區(qū)域)。
圖5 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方向
圖6 下臺(tái)階爆破開挖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂向峰值振速
下臺(tái)階爆破開挖工況下,掌子面后方,隨著與掌子面水平距離的增加,地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速不斷衰減,由于下部通道的存在,在?5~0 m范圍內(nèi),應(yīng)力波在地表與通道上表面之間反射疊加現(xiàn)象明顯,使得地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速衰減緩慢;在掌子面前方,由于通道上臺(tái)階粉質(zhì)黏土的開挖,應(yīng)力波傳播過程中發(fā)生繞射,在0~5 m范圍內(nèi),地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速不斷增大,掌子面前方5 m處速度達(dá)到最大值,掌子面前方地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速整體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。
分析通道全斷面爆破開挖工況下開挖導(dǎo)洞軸向方向地表振動(dòng)規(guī)律,并與下臺(tái)階爆破開挖工況進(jìn)行對(duì)比,2種工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂向峰值振速對(duì)比如圖7所示。
1—全斷面爆破開挖;2—下臺(tái)階爆破開挖。
全斷面爆破開挖工況下,掌子面后方,隨著與掌子面水平距離的增加,地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速不斷衰減,且在?3~0 m范圍內(nèi),地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值速度衰減較快;在?6~?3 m范圍內(nèi),由于下部通道的存在,應(yīng)力波在地表與通道上表面之間反射疊加現(xiàn)象明顯,使得地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速衰減緩慢;掌子面前方2 m處地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速達(dá)到最大,掌子面前方地表質(zhì)點(diǎn)垂向振速整體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。
從整體上來看,全斷面爆破開挖地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速分布規(guī)律與下臺(tái)階爆破開挖類似,從掌子面后方到掌子面前方,地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì);在2種工況下,地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速最大值出現(xiàn)在不同位置,全斷面爆破開挖工況下,掌子面前方2 m處地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速達(dá)到最大,在下臺(tái)階爆破開挖工況下,上臺(tái)階的開挖阻礙了應(yīng)力波的傳播,應(yīng)力波發(fā)生繞射,掌子面前方5 m處地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速達(dá)到最大;當(dāng)掌子面前后方在距掌子面一定水平距離后,2種工況下地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速大小和衰減情況大體一致;沿通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,在全斷面爆破開挖工況下,地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速最大值為3.15 cm/s,下臺(tái)階爆破開挖工況下地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速最大值為1.18 cm/s,可見上臺(tái)階的開挖阻隔了應(yīng)力波的向上傳播,能夠有效降低地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速;沿通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,全斷面爆破開挖工況下地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速最大值是通道下臺(tái)階爆破開挖工況下的2.67倍。
以掏槽孔孔底連心線中點(diǎn)正上方地表質(zhì)點(diǎn)為原點(diǎn),垂直于通道開挖導(dǎo)洞軸線方向選取一系列地表監(jiān)測(cè)點(diǎn),下臺(tái)階爆破開挖工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂向峰值振速如圖8所示。圖8中:橫坐標(biāo)負(fù)向表示通道開挖導(dǎo)洞軸線左側(cè)區(qū)域,橫坐標(biāo)正向表示通道開挖導(dǎo)洞軸線右側(cè)區(qū)域。
圖8 下臺(tái)階爆破開挖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂向峰值振速
在下臺(tái)階爆破開挖工況下,垂直于通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,由于通道上臺(tái)階粉質(zhì)黏土的開挖,應(yīng)力波在傳播過程中發(fā)生繞射,掏槽孔孔底連心線中點(diǎn)正上方地表質(zhì)點(diǎn)與爆源距離最小,但垂向峰值振速并不是最大,且在原點(diǎn)兩側(cè)2 m范圍內(nèi),隨著與原點(diǎn)水平距離的增加,垂向峰值振速不斷增大;在原點(diǎn)兩側(cè)2 m范圍外,隨著與原點(diǎn)距離的增加,地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速不斷減小,且左側(cè)地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速衰減較右側(cè)快;從垂向峰值振速曲線上來看,在原點(diǎn)兩側(cè)5 m范圍內(nèi),距原點(diǎn)相同距離,左側(cè)地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速明顯比右側(cè)的大;當(dāng)與原點(diǎn)距離超過5 m時(shí),兩側(cè)地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速差別不大。
分析通道全斷面爆破開挖工況下垂直于通道開挖導(dǎo)洞軸線方向地表振動(dòng)規(guī)律,并與下臺(tái)階爆破開挖工況進(jìn)行對(duì)比,2種工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂向峰值振速對(duì)比如圖9所示。
全斷面爆破開挖工況下,垂直于通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,掏槽孔孔底連心線中點(diǎn)正上方地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速最大,左右兩側(cè)隨著與原點(diǎn)距離的增加,地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速不斷減小;在原點(diǎn)兩側(cè)5 m范圍內(nèi),對(duì)左右兩側(cè)距原點(diǎn)相同位置的地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn):左側(cè)地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速明顯大于右側(cè),左側(cè)地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速衰減較右側(cè)緩,當(dāng)與原點(diǎn)距離超過5 m時(shí),兩側(cè)地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速差別不大。
1—全斷面爆破開挖;2—下臺(tái)階爆破開挖。
在全斷面爆破開挖工況下,掏槽孔孔底連心線中點(diǎn)正上方地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速最大,而在下臺(tái)階爆破開挖工況下,掏槽孔孔底連心線中點(diǎn)正上方地表質(zhì)點(diǎn)與爆源距離最小,但垂向峰值振速并不是最大。對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了由于通道上臺(tái)階的開挖,應(yīng)力波在垂直通道開挖導(dǎo)洞軸線方向傳播時(shí)發(fā)生了繞射;當(dāng)左右兩側(cè)在距原點(diǎn)一定距離后,2種工況下地表質(zhì)點(diǎn)垂向振速的衰減情況趨于一致;垂直于通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,在全斷面爆破開挖工況下,地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速最大為2.59 cm/s;在下臺(tái)階爆破開挖工況下,地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速最大為1.55 cm/s,全斷面爆破開挖工況下地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速最大值是下臺(tái)階爆破開挖工況下的1.67倍。在2種工況下,在原點(diǎn)兩側(cè)5 m范圍內(nèi),對(duì)左右兩側(cè)距原點(diǎn)相同位置處地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速對(duì)比,左側(cè)地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速均明顯比右側(cè)的大,因此在CD法開挖時(shí),垂直于通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,要加強(qiáng)對(duì)后開挖導(dǎo)洞一側(cè)的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。
1) 模擬計(jì)算的峰值振動(dòng)速度與實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差為0.05 cm/s,相對(duì)誤差為4.35%,本計(jì)算模型可用于模擬掏槽孔爆破開挖。
2) 沿通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,在下臺(tái)階爆破開挖工況下,由于應(yīng)力波的繞射,掌子面前方5 m處地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速達(dá)到最大值;全斷面爆破開挖工況下(即上臺(tái)階粉質(zhì)黏土不開挖),掌子面前方2 m處地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速達(dá)到最大值。
3) 沿垂直于通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,在下臺(tái)階爆破開挖工況下,掏槽孔孔底連心線中點(diǎn)正上方地表質(zhì)點(diǎn)與爆源距離最小,但垂向峰值振速并不是最大,且在質(zhì)點(diǎn)兩側(cè)2 m范圍內(nèi),隨著爆心距。的增加,垂向峰值振速不斷增大;在全斷面爆破開挖工況下,掏槽孔孔底連心線中點(diǎn)正上方地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速最大,且隨著爆心距。的增加,垂向峰值振速不斷減小。
4) 上臺(tái)階的開挖阻隔了應(yīng)力波的傳播,能夠有效降低地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速。沿通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,在全斷面爆破開挖工況下,地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速最大值是下臺(tái)階爆破開挖工況下的2.67倍;垂直于通道開挖導(dǎo)洞軸線方向,全斷面爆破開挖工況下地表質(zhì)點(diǎn)垂向峰值振速最大值是下臺(tái)階爆破開挖工況下的1.67倍。
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(編輯 陳愛華)
Propagation characteristics of ground vibration induced by subsurface blasting excavation in an ultra-shallow buried underpass
ZHANG Zhen, ZHOU Chuanbo, LU Shiwei, WU Chao, WANG Chao
(Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)
Combined with the blasting excavation of an ultra-shallow buried underpass in Wuhan Metro Line 2, field monitoring of blasting vibration and numerical simulation were used to study the propagation law of ground vibration induced by the blasting excavation of the lower bench. In order to investigate the influence of the upper bench to the propagation characteristic of blasting seismic wave, the propagation law of ground vibration induced by the blasting excavation of the full section was also studied by numerical simulation. The results show that in the condition of the blasting excavation of the lower bench, the maximum ground PPV reaches at 5 m ahead of working face along the axis of pilot because of the wave diffraction. In the direction normal to the axis of pilot, the maximum ground PPV does not occur at the point right above the center of cut holes’ bottom, although it is the closest to explosion source, and within the range of 2 m away from the aforementioned point, the ground PPV increases continuously with an increasing distance to explosion source. Under the condition of the blasting excavation of the full section, the maximum ground PPV reaches at 2 m ahead of working face along the axis of pilot; the maximum ground PPV reaches at the point which is on the ground right above the center of cut holes’ bottom in the direction normal to the axis of pilot, and the ground PPV decreases continuously with an increasing distance to explosion source. Comparing the ground vibration in the above 2 conditions, the excavation space of the underpass’s upper bench hinders the propagation of stress wave, and can lower the ground PPV effectively.
underpass; blasting excavation; numerical simulation; ground vibration; propagation law
10.11817/j.issn.1672?7207.2017.08.020
U455.6
A
1672?7207(2017)08?2119?07
2016?09?07;
2016?12?28
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372312,51379194);黃鶴英才(科技)計(jì)劃項(xiàng)目(2015055003);中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015T80854)(Projects(41372312, 51379194) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015055003) supported by the Huanghe Yingcai (Science and Technology) Program; Project (2015T80854) supported by the China Postdoctoral Science Foundation)
周傳波,博士,教授,從事巖土工程、工程爆破方面的研究;E--mail:cbzhou@cug.edu.cn