基于小波分析的淺埋隧道爆破地震波時頻特征研究

王恒富 ,陳壽如

(1.中國核電工程有限公司 田灣3、4號項目部, 江蘇 連云港市 222042; 2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南 長沙 410083)

隧道爆破開挖施工過程中產(chǎn)生的地震效應(yīng)會影響或危害地面建(構(gòu))筑物及相關(guān)設(shè)施的安全，嚴(yán)重時會使建(構(gòu))筑物受到破壞。由于淺埋隧道的地質(zhì)條件較復(fù)雜，而地形和地質(zhì)的變化對爆破地震效應(yīng)的影響很明顯，爆破振動幅值、頻率和能量分布對建筑物的作用過程有很重要的作用，因此，研究爆破地震波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，找出爆破地震波時-頻特性，不僅具有很高的學(xué)術(shù)價值，而且具有很大的經(jīng)濟(jì)價值和社會效益。

小波分析(小波變換)是傅立葉變換思想的發(fā)展，是一種信號的時間-尺度(時間-頻率)分析方法，具有多分辨率分析的特點，在時域和頻域內(nèi)均有表征信號局部特征的能力。小波分析的時間窗和頻率窗均可以改變，但保持窗口面積不變(只是在窗口形狀上變化以滿足時間窗、頻率窗的改變要求)。即：在信號的低頻段，小波分析的時間分辨率較差，而頻率分辨率較高；在高頻段，小波分析的時間分辨率較高，而頻率分辨率較低。正是這種優(yōu)越特征，使得小波分析方法在對各種非平穩(wěn)信號分析處理中應(yīng)用廣泛。

1 工程概況

廈門機(jī)場路三標(biāo)段下穿市內(nèi)浦南淺埋暗挖段(見圖1)，起止樁號為右線YK7+500～YK8+185.2，長685.2 m。洞身段圍巖以殘積亞粘土、沙礫狀～碎塊狀全～強(qiáng)風(fēng)化正長巖和花崗巖為主，地下水埋深2～4 m。沿線地表建筑物復(fù)雜，為密集的居住區(qū)、軍管用房，樓層多為3～7層，基礎(chǔ)多為擴(kuò)大條形基礎(chǔ)或獨立基礎(chǔ)，主體結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)；根據(jù)現(xiàn)場房屋現(xiàn)狀安全性評價成果(廈門市房屋鑒定所)，該路段施工期間受影響的房屋有67棟，其中房屋完全座落在線路上方的有13棟，局部座落在線路上方的有23棟，其余房屋座落在線路兩側(cè)；影響范圍內(nèi)房屋基本完好的有31棟，一般損壞的有24棟，嚴(yán)重?fù)p壞的有3棟。

圖1 隧道位置

目前施工的小凈距隧道右線為Ⅱ級圍巖，分上中下3臺階進(jìn)行開挖，其中上臺階高度為6.5 m，由于其他原因，目前只對隧道上半斷面進(jìn)行開挖。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)的規(guī)定要求，隧道爆破施工過程中，需要對其房屋地面質(zhì)點震動速度進(jìn)行監(jiān)測，在監(jiān)測數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下進(jìn)行爆破施工作業(yè)，以保證該建筑群的安全。

2 爆破地震波的小波時-頻分析

為了進(jìn)行爆破振動信號小波時-頻特征分析，在廈門機(jī)場路JC3標(biāo)段右線爆破振動監(jiān)測的不同時期取得了4組典型爆破振動信號，4組爆破振動信號的測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 4組典型爆破振動信號的測試數(shù)據(jù)

采用小波變換的快速算法(Mallat算法)，使用MATLAB語言編制計算程序，得出4組典型爆破振動信號的小波時-頻特征分析如圖2～圖5。

圖2 Y05-07時-頻分析

圖3 Y06-16時-頻分析

圖4 Y08-11時-頻分析

圖5 Y09-17時-頻分析

3 爆破地震波的小波包分析

應(yīng)用小波包分析法對實測爆破振動信號進(jìn)行分解，采用db7小波基對該4組信號進(jìn)行8層分解，共有28=256個小波包，由于廈門機(jī)場路蓮前西路(JC3標(biāo)段)實際爆破振動測試信號的頻率一般在125 Hz以下，因此在編程計算時，僅計算了前16個頻帶，而把剩下大于125 Hz的頻率劃分為一個頻帶(即125～2000 Hz)進(jìn)行計算，得到各頻帶能量分布見表2。

4 結(jié) 論

根據(jù)對4組實測爆破振動測試信號的小波時-頻特征分析和小波包頻帶能量分析，結(jié)合表1和表2，對比圖2～圖5，可得到如下結(jié)論：

(1) 小波時-頻分析不僅能反映爆破振動信號的頻譜特性，并且可以給出爆破振動信號的時-頻分布特征，能反映爆破振動的非平穩(wěn)特性，能很好地滿足爆破振動非平穩(wěn)隨機(jī)特征分析的要求。從圖3和圖4可以明顯看出:在同一地質(zhì)條件下，不同信號的傳播信息也不同。如信號Y06-16高頻部分比低頻部分傳播的時間更長，而信號Y08-11則相反。

表2 爆破振動信號各頻帶能量分布

(2) 隨著埋深的越來越淺，爆破地震波的主頻越來越小。從信號Y05-07到信號Y09-17，埋深從52.3 m減少到32.2 m，而爆破振動信號的主頻也由49.072 Hz減小到19.287 Hz。

(3) 隨著埋深的越來越淺，爆破振動信號的能量主要集中頻帶也越來越窄，且向低頻帶發(fā)展。如信號Y06-16能量主要集中的頻帶相對較寬，而信號Y08-11能量主要集中的頻帶相比更窄，且向低頻發(fā)展。

(4) 從炸藥量來看，當(dāng)埋深相差不大時，主頻隨著掏槽眼最大段藥量的增大而減小，信號能量主要分布頻帶更加集中。如信號Y08-11和Y09-17，從圖5和圖6可以很明顯看出。

(5) 從信號高頻部分和低頻部分傳播來看，當(dāng)埋深相差不大時，信號的傳播信息相似；當(dāng)埋深變化較大時，信號傳播信息也不同。如信號Y05-06和Y06-16，從圖3和圖4可以看出低頻部分和高頻部分傳播時間差不多，信號Y06-16甚至高頻部分傳播時間更長些，而Y08-11和Y09-17，從圖5和圖6可以看出低頻部分比高頻部分傳播時間更長。

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