爆破地震波能量分布研究

徐振洋，楊 軍，陳占揚，劉燕燕

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

爆破地震效應是復雜環(huán)境控制爆破工程中的主要危害，電子雷管延時時間長、精度高，已廣泛應用于各類爆破工程中［1］?，F(xiàn)場結合預裂爆破，嚴格控制爆破振動并對爆破區(qū)域周邊建筑物進行振動安全分析。使用EEMD(集合經(jīng)驗模態(tài)分解)方法，對各測點爆破振動信號振速、頻率與能量分布主頻帶及其變化規(guī)律進行分析［2］。將爆破振動信號能量分布主頻帶概念引入建筑物保護研究，為深入探討爆破振動安全問題提供依據(jù)。

1 實驗設計

圖1 爆破現(xiàn)場圖Fig.1 Blasting areas

1.1 工程概況

工程位于赤城縣西側湯泉河北岸。場地向北側和東西兩側山體開挖擴展，表面覆蓋層開挖后，下部巖體需要進行爆破開挖，區(qū)域面積約13 500 m2，平均下挖深度7～8 m，爆破方量約6 000 m3。圖1為爆破現(xiàn)場，圖2為監(jiān)測點布置示意圖。

圖2 監(jiān)測點布置示意圖Fig.2 Places of monitoring points

1.2 爆破及監(jiān)測點布置方案

采用精確延時逐孔起爆方案，所用雷管均為電子雷管，為確保臨近建筑物的安全，在主爆區(qū)和保留區(qū)之間利用預裂爆破形成一條預裂縫，達到減震的目的［3］。本次爆破總藥量約3 600 kg，預裂孔單孔最大藥量10 kg，孔內不耦合裝藥，預裂孔孔距0.8 m，排距 2.3 m。預裂孔先于主爆孔70 ms起爆，孔數(shù)為33個，三個孔一組，每組之間延期時間同為3 ms。主爆孔單孔最大藥量約為21 kg，孔距3 m，排距2.5 m，采取孔內延期與孔外延期結合。具體延期時間設定如圖3所示，所標注時間為炮孔雷管引爆時刻。

圖3 爆破延時時間Fig.3 Blasting delay time

表1 爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)表Tab.1 Table of blasting vibration monitoring results

1.3 爆破振動信號監(jiān)測結果

根據(jù)現(xiàn)場地形及周邊建筑物受保護需要，共布置10個監(jiān)測點，均使用三向傳感器進行爆破振動信號監(jiān)測，表1為爆破振動信號監(jiān)測數(shù)據(jù)表。

測點1、測點2、測點3位于爆區(qū)側面，高程相同，三個方向質點峰值振速均在安全標準之內。測點4～10位于爆區(qū)后方，高程相同，與爆破拋擲方向相反，一般爆區(qū)后方振動速度較大［4］。測點4距離磚砌民房只有15 m，三個方向地表峰值振速在10個測點信號中均為最大，水平切向振速為4.18 cm/s，明顯大于水平徑向與垂直向振速。在高程相同條件下，質點峰值振速大小隨監(jiān)測點與爆源中心距離增大遞減，除測點8與測點10外，余下8個測點信號水平切向振速均大于其余兩個方向振速。考慮高程差的影響，測點3、測點7、測點8距爆心距離相同，爆破振動信號主頻隨高程增大而增大。

10個測點信號主頻在20 Hz左右波動，并未有明顯變化規(guī)律，說明使用電子雷管精確延時逐孔起爆，可以較好的控制爆破振動主頻。依據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)［5］，該類房屋最大振速不得超過 2.8 cm/s，測點4、測點5峰值振速已經(jīng)超出安全標準，但爆破后檢查發(fā)現(xiàn)民房并未受到破壞，需結合多因素綜合分析［6］。

由于建(構)筑物的自振頻率一般都比較低，所以降低低頻振動能量與提高信號能量分布主頻帶是很重要的［7］，使用電子雷管精確延時主控起爆可以減少振動疊加，避免峰值振速過大并使振動信號主頻提高［8］。爆破振動是時間、頻率、振速三者共同作用的，爆破振動能量即為三個參數(shù)綜合表現(xiàn)［9-10］，使用EEMD方法對信號能量特征進行分析。

2 信號能量分布

2.1(EEMD)集合經(jīng)驗模態(tài)分解

在EEMD方法中附加的白噪聲均勻分布在整個時頻空間，不同尺度的信號區(qū)域將自動映射到與背景白噪聲建立的相應尺度上。EEMD分解通過加上有限的噪聲，IMF分量均值保持在正常的動態(tài)濾波器窗口范圍內，自動排除了模態(tài)混疊［11-12］。

EEMD 分解步驟如下［13］:

(1)將均值為零、幅值標準差為常數(shù)的白噪聲ni(t)多次加入原始信號y(t)，即

式中，yi(t)為含有第i次白噪聲的信號。

(2)將包含白噪聲的信號yi(t)分別進行EMD分解，將各個IMF分量記為cij(t)，余項記為ri(t)。

(3)將之前得到的IMF分量進行總體平均運算，得到EEMD分解后最終的IMF分量，即

2.2 爆破振動信號分析

建(構)筑物水平向抗震能力相對薄弱，建(構)筑物受相同強度水平荷載的剪切破壞更為強烈［14］，且建(構)筑物高度對水平振動具有明顯放大作用［15］。測點4與測點5信號水平切向振速均大于其余兩個方向振速，超出安全振動標準，為討論建筑物振動安全，選擇測點4信號水平切向分量作為分析對象。圖4為監(jiān)測點4爆破振動信號水平切向分量波形圖，圖5為邊際能量譜。

由于電子雷管精確延期，圖4中可以看出，信號出現(xiàn)多個峰值，除0.29 s處開始的2個峰值明顯較大以外，其余峰值大小相當，分析峰值出現(xiàn)時間，考慮由于預裂孔距離測點4更為接近，信號最大峰值為預裂爆破振動信號。在預裂爆破之后，主爆區(qū)信號表現(xiàn)出精確延時逐孔起爆控制爆破振動速度的優(yōu)勢，且避免了信號疊加形成的峰值過大。圖5中看出，信號能量分布主頻帶為17.6～38.2 Hz，10 Hz以下的低頻能量較少，可以有效地減小共振危害。圖6為監(jiān)測點4三維能量譜，圖7為能量分布圖。

圖4 波形圖Fig.4 Blasting vibration signal waveform

圖5 邊際能量譜Fig.5 Marginal energy spectrum

圖6 三維能量譜Fig.6 Three-dimensional energy spectrum

圖7 能量分布圖Fig.7 Energy scale plan

對三維能量譜進行分析，可以看出能量在低頻帶分布較少，且較為均勻。爆破振動能量在整個頻域內較為分散，這就很好的避免了某個窄小的頻帶內能量過于集中，尤其是降低了與建筑物自振頻率接近的低頻帶上的能量分布。

使用邊際能量譜進行能量分布計算，用柱狀圖來表示振動能量的分布比例?？梢缘贸瞿芰繌?7.6 Hz開始明顯增大，超過40 Hz的分布極少，10 Hz以下頻帶振動能量分布非常少，只占信號總能量的3.3%。

2.3 能量分布主頻帶

爆破振動頻譜一般以寬帶頻譜與窄帶頻譜相結合的形式表現(xiàn)，圖6中這種形式明顯的表現(xiàn)出來，較寬的頻帶內，不同的頻率上出現(xiàn)能量較為接近的多個峰值，此種表現(xiàn)正是寬帶頻譜的特點;在振動主頻率較窄的范圍內，振動主頻能量峰值明顯較大［16-17］。分析信號特征是，由于各諧波頻率的能量都比較大，僅以主頻率能量分析爆破振動對建(構)筑物的破壞作用是不全面的，使用能量分布主頻帶作為評價特征參數(shù)更為合理［18］。

在此做探索性研究，根據(jù)此次電子雷管逐孔起爆振動信號能量計算結果，如圖7，能量分布圖擬合后較為接近正態(tài)分布函數(shù)曲線，延時間坐標軸，在分布曲線最大值兩側存在兩點導數(shù)值突然增大和減小，將此兩點稱為能量分布主頻帶上下限，將上限點與下限點之間具有一定寬度的頻帶定義為能量分布主頻帶。表2為爆破振動能量分布主頻帶。

表2 爆破振動能量分布主頻帶Tab.2 Energy distribution of blasting vibration frequency band

表2中可以看出，使用電子雷管精確延時控制爆破的振動信號的能量主頻帶出現(xiàn)在15～45 Hz，能量分布主頻帶發(fā)展隨測點與爆心距離增大，主頻帶上下限有降低趨勢，分布區(qū)間大致相當，頻帶寬度在20 Hz左右。同樣場地條件與測點還進行過多次爆破，與使用普通毫秒延期雷管對比(同一工程進行過3次爆破，在場地條件相同條件下使用普通毫秒延期雷管與電子雷管進行過實驗對比)，使用電子雷管爆破振動能量主頻帶明顯較高。在同樣爆心距條件下，高程增大可使能量分布主頻帶提高，有利于建筑物保護，但由于高程對振速存在放大作用，必需嚴格控制振速［19］。

根據(jù)計算各向分量能量分布主頻帶內能量占此分量比例均在80%以上，監(jiān)測點4能量分布主頻帶內能量占水平切向分量能量的92.7%，監(jiān)測點4水平切向分量能量占信號總能量的均在47.2%。

3 能量分布規(guī)律

建筑物自振頻率一般在10 Hz以下，計算各信號的三向分量能量分布在10 Hz以下頻帶的大小占此分量信號總能量的比例。監(jiān)測點4～10高程相同，便于分析，圖8為監(jiān)測點4～10振動信號在10 Hz以下低頻帶上能量分布比例。

圖8 低頻能量分布比例Fig.8 Low-frequency energy data

圖8中坐標PR/%為低頻能量所占百分比，橫坐標S/m為測點至爆源中心距離，藍色三角形數(shù)據(jù)點為水平切向分量能量比例數(shù)據(jù)，紅色方形數(shù)據(jù)點為水平徑向分量能量比例數(shù)據(jù)，綠色圓形數(shù)據(jù)點為垂直向分量能量數(shù)據(jù)比例。將10Hz以下頻帶能量定義為低頻能量，由于建(構)筑物自振頻率較低，所以低頻能量越小且占信號能量比例越低對保護建(構)筑物越有利［20-21］。信號3個分量能量在10 Hz以下所占比例均在4.5%以下，分布比例距爆源最近處水平切向分量最大，垂直向最低;在距離爆源20～55 m，分布比例垂直向最大，水平切向最低;距離爆源60 m處，分布比例水平徑向最大，垂直向最低。將最近與最遠處兩點去除后，可觀察出整體規(guī)律，電子雷管逐孔起爆使振動能量僅有小部分分布在低頻帶，有效分散了低頻能量的破壞性。圖8中數(shù)據(jù)大致有以下規(guī)律:

(1)同一高程，各方向分量上信號低頻能量比例隨距離增大而增大;

(2)整體上觀察，信號垂直方向低頻能量比例最大，水平徑向次之，水平切向最小。

此次爆破中，測點4、測點5的質點峰值振速均超過安全允許值，但經(jīng)過現(xiàn)場勘查，并未發(fā)現(xiàn)建筑物受到破壞，根據(jù)爆破能量主頻帶計算結果，爆破振動能量主頻帶區(qū)間大于建筑物自振頻率，且10 Hz以下的低頻帶能量不到總能量的4.5%，雖然振速超標，但低頻能量較少，振動持續(xù)時間短，不會對建筑物產(chǎn)生破壞。

4 結論

(1)電子雷管精確延時逐孔起爆可以使爆破頻率及能量分布有向高頻發(fā)展并且更加均勻化的分布趨勢;

(2)爆破振動信號能量分布主頻帶出現(xiàn)在15～45 Hz，高于建筑物自振頻率，可減小對振動對建筑物的損害。主頻帶內能量分布占此分量信號總能量的80%以上，主頻帶上下限頻率的大小對振動安全至關重要;

(3)高程的增加，會提高爆破振動信號能量分布主頻帶;同一高程，各方向分量上信號低頻能量比例隨距離增大而增大，10 Hz以下的低頻帶能量不到總能量的 4.5%;

(4)質點振速并不是判斷建筑物受振動是否破壞的唯一參數(shù)，建筑物受爆破振動的安全性與爆破振動累積效應有關，以能量分布主頻帶及能量分布比例來研究振動安全問題更為合理。

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