下穿隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)傳播規(guī)律研究

李云赫 董 捷 王晟華 王小敬 呂 剛

(1.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)試驗(yàn)室，河北 張家口 075000；3.北旺建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,承德 067000；4.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100071)

1 前 言

爆破施工技術(shù)憑借經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于隧道建設(shè)中，但隧道爆破掘進(jìn)施工誘發(fā)的地震負(fù)面效應(yīng)，尤其是爆破振動(dòng)對(duì)周圍建(構(gòu))筑物造成不同程度的危害，越來越受到關(guān)注和重視.國內(nèi)外學(xué)者分別從峰值振速、頻率、能量等角度探討爆破振動(dòng)傳播衰減規(guī)律及其控制技術(shù).

Deng[1]等從應(yīng)力波理論出發(fā)，對(duì)多孔多級(jí)爆破方案下的振速衰減公式進(jìn)行修正，推導(dǎo)彈性應(yīng)力波在彈性體中的傳播速度衰減公式;Nateghi[2]等基于大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析不同巖層、不同雷管和炸藥等因素對(duì)地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速衰減規(guī)律的影響，并預(yù)測(cè)了對(duì)鄰近混凝土結(jié)構(gòu)的影響程度;李清[3]等人基于大斷面高鐵隧道掘進(jìn)爆破實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究不同測(cè)試方位對(duì)振動(dòng)波衰減規(guī)律的影響;1996年C.H.Dowding[4]提出由質(zhì)點(diǎn)位移、振速和加速度譜預(yù)測(cè)主頻理論;周俊汝[5]等人深入研究不同裝藥條件下爆破振動(dòng)頻率隨距離變化的衰減規(guī)律及空間分布特征;蘭明雄[6]等通過對(duì)小凈距隧道開挖爆破振動(dòng)信號(hào)應(yīng)用小波包分析，揭示爆破振動(dòng)波沿既有隧道傳播過程中的頻譜及能量變化規(guī)律;李洪濤[7]等通過理論分析得到同一爆破振動(dòng)信號(hào)的總能量值近似為峰值振速的平方，峰值能量的衰減規(guī)律同峰值振速的衰減規(guī)律公式形式一致;費(fèi)鴻祿[8]等基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，從能量的角度探討爆破振動(dòng)波沿三個(gè)方向的衰減規(guī)律以及能量在不同頻帶下的分布情況.

盡管眾多學(xué)者采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等手段，分別對(duì)隧道爆破掘進(jìn)施工誘發(fā)的地表質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度、主頻率、能量等進(jìn)行了大量的研究，但從多指標(biāo)不同測(cè)試方位角度的綜合研究相對(duì)較少.本文以崇禮隧道下穿既有村莊掘進(jìn)爆破施工為工程背景，利用爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀采集爆破振動(dòng)信號(hào)；利用數(shù)學(xué)方法對(duì)地表質(zhì)點(diǎn)三個(gè)方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行振速擬合運(yùn)算、頻域圖譜分析、小波包能量分析，探討爆破振動(dòng)波的傳播衰減規(guī)律，從而為合理控制爆破振動(dòng)危害和科學(xué)優(yōu)化施工方案提供理論基礎(chǔ).

2 工程背景

2.1 工程地質(zhì)條件

本文依托新建崇禮隧道爆破施工工程背景進(jìn)行研究.崇禮隧道位于燕山～太行山裂陷槽西側(cè)，總體巖體較完整～極破碎.隧道起迄里程為DK62+310～DK67+800，在DK65+500～DK65+800段洞身下穿崇禮區(qū)西灣子鎮(zhèn)和平村莊.隧道爆破開挖不可避免地會(huì)引起劇烈的爆破振動(dòng)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，和平村村內(nèi)民用建筑大多為土坯房或者磚瓦房，同時(shí)，由于村內(nèi)房屋大多常年未經(jīng)維護(hù)修理，建筑結(jié)構(gòu)遭到或多或少的損壞，甚至有些房屋結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)可見裂縫.基于此可知，隧道爆破施工會(huì)引起村莊內(nèi)房屋不規(guī)律振動(dòng)，若振動(dòng)超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)上限，很有可能會(huì)造成房屋的損壞甚至倒坍.崇禮隧道下穿和平村莊平面圖如圖1所示.

圖1 崇禮隧道下穿和平村莊平面圖

2.2 隧道爆破施工方案及參數(shù)

隧道以III級(jí)圍巖和IV級(jí)圍巖為主，采用全斷面法爆破施工.爆破材料選用1～13段非電毫秒雷管和2號(hào)巖石乳化炸藥，采用連續(xù)法裝藥方式.掏槽孔深4m，孔距1m，輔助孔深3.5m，孔距0.8m，周邊孔深3m，孔距0.4m，最大單響藥量43.2kg，炮孔布置圖如圖2所示.

圖2 炮孔布置圖

3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

3.1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

為確保崇禮隧道鉆爆法開挖施工過程中上部既有建筑物的安全，開挖面3次爆破過程中，采用TC-4850N爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)地表5個(gè)測(cè)點(diǎn)處的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度.在各測(cè)點(diǎn)處清除表面雜物，用石膏將振動(dòng)速度傳感器與地面緊密連接，振動(dòng)傳感器x方向指向隧道軸線，y方向垂直于隧道軸線指向隧道方向，z方向?yàn)樨Q直向上.儀器布置如圖3所示.

圖3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀布置圖

3.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

三次爆破采用相同的藥量，掏槽孔中裝藥量最大，每孔藥量為2.7kg，單段最大藥量為43.2kg，循環(huán)爆破總藥量為192kg.監(jiān)測(cè)結(jié)果詳見表1.其中負(fù)號(hào)表示測(cè)點(diǎn)在掌子面后方已開挖段.

表1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 地表振動(dòng)波衰減規(guī)律分析

4.1 爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律分析

隧道掘進(jìn)爆破施工過程中，不可避免的會(huì)對(duì)上部既有建筑物產(chǎn)生影響，通過數(shù)據(jù)分析及前人研究成果總結(jié)，發(fā)現(xiàn)影響質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度與頻率的三個(gè)重要因素為：地形條件、藥量和爆心距，根據(jù)我國現(xiàn)行的《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)，用薩道夫斯基公式對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn)行回歸分析[9]：

(1)

式中：v為爆破振動(dòng)速度；k、α分別為反映隧道爆破區(qū)地形、地質(zhì)條件、爆破方案等相關(guān)的參數(shù)和衰減系數(shù)；Q為單段最大裝藥量；R為測(cè)點(diǎn)與爆源之間的距離.

對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)得：

(2)

利用最小二乘法和線性回歸方程對(duì)表1中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別計(jì)算三個(gè)振動(dòng)方向的參數(shù)k、α，并用origin進(jìn)行線性擬合，求得隧道爆破振動(dòng)波振動(dòng)速度在地表中的傳播衰減規(guī)律.線性回歸方程以z方向?yàn)槔?，如圖4所示，x、y方向擬合參數(shù)見表2.

圖4 z方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度線性擬合結(jié)果

表2 X與Y方向擬合參數(shù)

z方向振動(dòng)速度的擬合結(jié)果：k=48.959,α=1.272，即爆破振動(dòng)速度衰減方程為：

(3)

x方向振動(dòng)速度擬合結(jié)果：k=151.563,α=1.927，即爆破振動(dòng)速度衰減方程為：

(4)

y方向振動(dòng)速度擬合結(jié)果：k=199.937,α=2.005，即爆破振動(dòng)速度衰減方程為：

(5)

通過分析3個(gè)方向的振動(dòng)速度衰減公式可以看出，x、y方向的k、α較為相近，而與z方向上的參數(shù)相差較大，說明地質(zhì)條件以及空間方位對(duì)隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)衰減規(guī)律有較大的影響，這與文獻(xiàn)[3]結(jié)論相近.地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離爆源較遠(yuǎn)，中夾巖構(gòu)造復(fù)雜，同時(shí)隧道掘進(jìn)爆破使圍巖及周圍傳播介質(zhì)受到不同程度的擾動(dòng)，增強(qiáng)巖體各向異性.炸藥爆炸后，波從爆破點(diǎn)向各個(gè)方向輻射，對(duì)周圍土巖介質(zhì)產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)，在離擾動(dòng)中心較遠(yuǎn)處，爆破地震波可以近似的看做平面波，其傳播至同處于水平方向的x、y方向測(cè)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)傳播衰減規(guī)律明顯區(qū)別于z方向，而在z方向上由于存在高程放大效應(yīng)(文獻(xiàn)[10-11]對(duì)高程放大效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)說明)，振速明顯大于其他兩個(gè)方向，場(chǎng)地系數(shù)偏于體現(xiàn)優(yōu)質(zhì)巖性，即z方向的k值小于其他兩個(gè)方向.盡管三個(gè)方向求得的爆破振動(dòng)速度衰減公式不一致，但總體與實(shí)際相符，且相關(guān)系數(shù)均大于80%，因此本次監(jiān)測(cè)結(jié)果通過薩道夫斯基公式進(jìn)行擬合得到的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律較為合理.

4.2 爆破振動(dòng)頻譜分析

為更好的減小周邊建筑物受爆破掘進(jìn)施工的影響，避免其與爆破振動(dòng)波產(chǎn)生共振現(xiàn)象，《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[12]將爆破振動(dòng)頻率納入重要的考慮因素，結(jié)合反應(yīng)譜分析深入研究爆破振動(dòng)波在地表中的傳播及衰減規(guī)律，為獲得高效減振方法及科學(xué)判斷準(zhǔn)則提供一定的理論依據(jù).傳統(tǒng)傅里葉變換存在局限性和特定性，不適合應(yīng)用在非平穩(wěn)、非線性的爆破振動(dòng)信號(hào)中[13].目前主要采用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)做爆破振動(dòng)信號(hào)頻譜分析，該算法克服了傳統(tǒng)傅里葉變換局部分析能力差的缺點(diǎn)，且使計(jì)算機(jī)計(jì)算離散傅里葉變化所需要的乘法運(yùn)算次數(shù)大大減少，提高變換速度[14].

利用MATLAB軟件編程對(duì)所有測(cè)點(diǎn)波形進(jìn)行FFT變換，得到隧道爆破振動(dòng)下地表各測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向頻譜圖和主頻率的關(guān)系.本文以第三次爆破的測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)2為例，闡述其規(guī)律，如圖6～11所示.通過對(duì)比可知，距離爆源比較近的測(cè)點(diǎn)4爆破振動(dòng)波形頻率成分比較豐富，頻率分布在20～300Hz之間.由于中夾巖土體的高頻濾波特性，隨著測(cè)點(diǎn)與爆源之間距離的增大，高頻成分比低頻成分衰減得快，導(dǎo)致爆破振動(dòng)頻譜曲線向低頻區(qū)域發(fā)展.測(cè)點(diǎn)2的頻率分布較為集中且主頻率突出，頻率分布在20～150Hz之間.農(nóng)村房屋建筑自振頻率一般為10Hz以下，可以不考慮共振現(xiàn)象.結(jié)合我國爆破安全規(guī)程和施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，安全允許振速為2.0～2.5cm/s，考慮到村內(nèi)房屋大多常年未經(jīng)維護(hù)修理，將地表振速峰值2.0cm/s作為安全允許振速.通過上述擬合的z方向薩道夫斯基公式對(duì)崇禮隧道下穿和平村振動(dòng)速度安全性進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)掌子面掘進(jìn)至下穿段最不利位置時(shí)，最大單段藥量應(yīng)控制在38.4kg以內(nèi).隧道掌子面施工至下穿段，及時(shí)調(diào)整爆破方案，掏槽孔由原來每孔9條藥調(diào)整至8條，最大單段藥量減少至38.4kg，同時(shí)總裝藥量減少至174kg，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示最大振動(dòng)速度為1.8736cm/s，爆破振動(dòng)速度得到了有效控制.

圖5 測(cè)點(diǎn)4第三次爆破X方向振動(dòng)頻譜圖 圖6 測(cè)點(diǎn)4第三次爆破Y方向振動(dòng)頻譜圖

圖7 測(cè)點(diǎn)4第三次爆破Z方向振動(dòng)頻譜圖 圖8 測(cè)點(diǎn)2第三次爆破X方向振動(dòng)頻譜圖

圖9 測(cè)點(diǎn)2第三次爆破Y方向振動(dòng)頻譜圖 圖10 測(cè)點(diǎn)2第三次爆破Z方向振動(dòng)頻譜圖

5 爆破振動(dòng)能量衰減規(guī)律分析

利用小波包能量譜分析得到爆破振動(dòng)信號(hào)在頻率范圍內(nèi)的具體分布特征.采用“db8”小波基函數(shù)對(duì)隧道爆破振動(dòng)信號(hào)做8層分解，得到：

(6)

式中xi,j(tj)為原始爆破振動(dòng)信號(hào)經(jīng)小波包分解到節(jié)點(diǎn)(i,j)(第i層第j頻帶)上的重構(gòu)信號(hào)，其中j=0,1,2…，2i-1.對(duì)應(yīng)第i層信號(hào)分量的能量為：

(7)

式中：xi,j為離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度幅值；vj,m表示重構(gòu)信號(hào)；n為爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采樣長度；m為離散點(diǎn)個(gè)數(shù)，m=1,2…n.

爆破振動(dòng)信號(hào)總能量為：

(8)

各頻帶的能量比例為：

(9)

根據(jù)式(6)～(9)編寫MATLAB代碼得到振動(dòng)信號(hào)能量在頻率范圍內(nèi)的具體分布特征[11].分析第三次爆破振動(dòng)引起地表各測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)信號(hào)各頻段能量百分比，見圖11～15.爆破振動(dòng)信號(hào)的能量在頻域中分布較廣泛，主要集中在0～300 Hz范圍內(nèi)；隨著爆心距的增加，高頻部分能量比低頻部分衰減耗散得快，低頻部分能量百分比越來越大，高頻部分越來越小.z方向在低頻部分能量分布較為集中，同時(shí)z方向也是振動(dòng)速度最大的方向，而振動(dòng)能量與振速的平方成正比[7]，因此在隧道下穿既有村莊爆破施工時(shí)，低頻大振速高能量的z方向是監(jiān)測(cè)工作關(guān)注的重點(diǎn).

圖11 1#測(cè)點(diǎn)三向能量頻域分布圖

圖12 2#測(cè)點(diǎn)三向能量頻域分布圖 圖13 3#測(cè)點(diǎn)三向能量頻域分布圖

圖14 4#測(cè)點(diǎn)三向能量頻域分布圖 圖15 5#測(cè)點(diǎn)三向能量頻域分布圖

6 結(jié) 論

(1)崇禮隧道掘進(jìn)爆破施工引起地表振動(dòng)速度傳播規(guī)律因地質(zhì)條件和測(cè)試方位的不同而不同，z方向振動(dòng)速度衰減公式的場(chǎng)地系數(shù)k偏小，衰減系數(shù)α偏大，但3個(gè)方向的振動(dòng)速度傳播衰減規(guī)律用薩道夫斯基公式擬合效果均為良好.

(2)利用FFT法求得的爆破振動(dòng)信號(hào)頻率分布較廣，為20～300Hz之間，無需考慮與地面既有農(nóng)村建筑物共振情況，同時(shí)為隧道下穿至最不利位置處提出優(yōu)化方案.

(3)爆破振動(dòng)信號(hào)傳播至地表的能量主要集中在0～300Hz之間，垂直方向能量在低頻部分能量比較集中，同時(shí)又是峰值振速方向，故在隧道下穿既有村莊爆破施工時(shí)，垂直向是監(jiān)測(cè)工作關(guān)注的重點(diǎn).