隧道爆破作用下建筑物振動響應(yīng)分析
——以青島地鐵四線大斷面隧道為例

丁新宇， 王海亮*， 李延民， 李維洲， 李占海

(1.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院， 青島 266590； 2.中咨工程有限公司， 北京 100037； 3.中國交通建設(shè)股份有限公司， 青島 266000； 4.山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院， 青島 266590)

隨著中國城市化進程加快，地鐵等地下交通設(shè)施在城市中得到廣泛修建?，F(xiàn)階段，鉆爆法依然是隧道掘進的主要方法。鉆爆法引起的爆破振動，會對附近建筑物帶來不利影響[1-2]。為緩解交通壓力，青島市大力發(fā)展地鐵交通，部分在建項目途經(jīng)老城區(qū)、火車站等人流密集區(qū)域。因此在爆破施工中，必須掌握周邊建筑物對振動的響應(yīng)規(guī)律，作出合理的預(yù)防及應(yīng)對措施。

通過現(xiàn)場監(jiān)測或數(shù)值模擬等方法，不少學(xué)者對建筑物爆破振動響應(yīng)規(guī)律做了許多有價值的研究。王輝等[3]以重慶軌道交通環(huán)線體育公園站淺埋輕軌隧道工程為依托，對建筑物振動規(guī)律進行了研究。王波等[4]對京張高鐵懷來段某隧道進行了現(xiàn)場振動測試，研究結(jié)果為隧道爆破振動安全控制和房屋損傷評估提供參考。王海亮等[5]以兩條立體交叉隧道為背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測，研究了掌子面前后方的振速差異。朱明等[6]以青島地鐵某線施工為背景，對比分析不同爆破振速預(yù)測模型效果和適用性，并在此基礎(chǔ)上進行模型優(yōu)化。鄒德臣等[7]運用 HHT(Hilbert-Huang transform)分析理論結(jié)合 MATLAB 軟件研究了爆破振動監(jiān)測信號的時頻關(guān)系?？傮w而言，現(xiàn)有研究主要集中在某一爆破條件下或爆心距一定范圍內(nèi)的建筑物振動響應(yīng)規(guī)律。而在隧道開挖中，保護對象與爆源的位置關(guān)系大多是由遠及近再及遠，在整個過程中受保護建筑物的振動響應(yīng)規(guī)律研究較少。

現(xiàn)依托青島地鐵1號線四線大斷面隧道工程，對隧道下穿的一棟7層磚混結(jié)構(gòu)建筑物進行長期振動監(jiān)測。從而在隧道掌子面與建筑物由遠及近再及遠的過程中，獲得大量實測數(shù)據(jù)?；诖耍瑢Ρ确治鏊淼老麓┙ㄖ锴昂蟮恼袼偌邦l率變化規(guī)律，并通過HHT方法研究爆破振動信號的頻譜差異，對本工程條件下產(chǎn)生的隧道空洞效應(yīng)進行說明和總結(jié)，從而為隧道爆破振動控制和建筑物保護測振方案提供參考依據(jù)。

1 工程概況

青島地鐵1號線貴州路站—西鎮(zhèn)站區(qū)間全長約546.9 m。西鎮(zhèn)站前設(shè)置雙存車線，形成四線大斷面隧道。單洞單線段區(qū)間隧道長約192 m。四線大斷面區(qū)間隧道長約344.5 m，開挖斷面寬20.9 m，高12.5 m。如圖1所示，該段隧道洞身圍巖等級為Ⅳ級，巖性為微風化花崗巖，局部為微風化花崗斑巖，力學(xué)性質(zhì)好，承載力高。裂隙局部發(fā)育，賦水性、透水性較差。上覆巖層自上而下依次為素填土、雜填土、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖。單洞單線隧道主要采用全斷面硬巖隧道掘進機(tunnel boring machine，TBM)施工。四線大斷面隧道采用中隔壁(center diaphragm，CD)法施工，左線采用正臺階法分兩層開挖，完成初期支護和施作中隔壁后，再以相同方法開挖右線。正臺階法施工中，充分利用TBM先行導(dǎo)洞進行鉆爆擴挖。隧道右線上臺階掌子面現(xiàn)場情況如圖2所示。

圖1 四線大斷面隧道地質(zhì)地形示意圖Fig.1 The geological characteristics of four-line large section tunnel

圖2 隧道右線掌子面上臺階現(xiàn)場Fig.2 The upper bench site of the right line tunnel face

2 爆破振動監(jiān)測方案

2.1 爆破方案

針對四線大斷面右線上臺階爆破引起的地表振動進行監(jiān)測。爆破方案中，TBM 先行導(dǎo)洞形成了良好的自由面，故不設(shè)計掏槽眼。采用數(shù)碼電子雷管起爆炮孔，孔內(nèi)延期時間50 ms，總延期時間5 000 ms。裝藥量為40 kg，一次性起爆100 個孔，其中輔助孔數(shù)為70個。輔助孔和周邊孔均為單孔單響，單段最大起爆藥量為0.4 kg，單次爆破進尺為1 m左右。

2.2 監(jiān)測方案

使用成都中科測控有限公司的TC-4850爆破測振儀及配套軟件(簡稱“測振儀”)進行監(jiān)測。該儀器能同時監(jiān)測隧道徑向、切向、垂直向的振速和頻率。其中徑向為隧道開挖方向，切向為水平面上與徑向垂直的方向，垂直向為垂直水平面豎直向上的方向。

四線大斷面隧道周邊環(huán)境復(fù)雜，下穿和側(cè)穿大量老式居民樓，居民樓類型主要為6～8層磚混建筑物。選取一棟7層磚混結(jié)構(gòu)樓房(簡稱“樓房”)作為監(jiān)測對象，樓層高2.8 m。樓房位于隧道正上方，里程樁號為YK32+126。隧道拱頂距地面的高度為19.5 m。樓房共設(shè)置8個測點，將7臺測振儀分別布置在樓房1～7層樓梯間與爆源最近的墻角處。第8臺測振儀布置在樓頂，并將樓頂定義為樓房8層。測點的位置不變，隨著掌子面向前推進，爆心距不斷變化。儀器布置如圖3所示。

圖3 儀器布置圖Fig.3 Arrangement of instruments

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

從2020年4月5日—2020年6月10日，針對樓房爆破振動共監(jiān)測54日。隧道里程范圍為YK32+157.288～YK32+92.350。排除儀器故障或人為導(dǎo)致的數(shù)據(jù)異常情況，共記錄54炮次，584組數(shù)據(jù)。

3.1 振動規(guī)律研究

為便于描述掌子面與樓房的位置關(guān)系，將二者在隧道徑向上的水平距離記為L，隧道開挖方向為正向，當掌子面位于樓房正下方時，L=0。選取L=-19.6、0、19.6 m時的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，各樓層的峰值振速如圖4所示。

由圖4可知，峰值合振速最大值出現(xiàn)在L=0時的樓房1層，達到0.595 cm/s。該數(shù)值小于《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[8]中對于一般民用建筑物規(guī)定的最小振動速度允許值1.5 cm/s，爆破作業(yè)不會影響樓房的安全使用。3組數(shù)據(jù)的峰值合振速曲線未表現(xiàn)出較大差異，均在1層達到最大值，5～7層衰減至最小值，衰減速率為63.7%～77.9%，隨后在頂層表現(xiàn)出明顯的相對放大效應(yīng)，放大倍數(shù)為1.9～3.5倍。

vx、vy、vz分別表示徑向、切向、垂直向的峰值振速；vh表示三矢量合成的峰值振速(簡稱“峰值合振速”)圖4 不同水平距離的峰值振速與樓層關(guān)系Fig.4 The relationship between peak vibration velocity and floor at different horizontal distances

圖4所示水平距離L不同的3組數(shù)據(jù)中，垂直向峰值振速普遍大于徑向和切向，三向峰值振速的最大值也出現(xiàn)在垂直向。以垂直向峰值振速為研究對象能在一定程度上反映建筑物振動規(guī)律[9]，但隨著樓層升高，該分向振速將無法反映建筑物整體的受震情況。首先，如圖4(b)所示，當L=0 時，樓房8層的徑向和切向峰值振速分別為0.271、0.413 cm/s，均大于垂直向峰值振速0.235 cm/s。在圖4(a)中，較高樓層(7、8層)的垂直向峰值振速也不是最大。其次，一般建筑物在其垂直向的抗震強度要遠大于水平向，水平向的振動荷載更易對建筑物結(jié)構(gòu)造成剪切破壞[10]。對于建筑物尤其是高層建筑物來說，徑向與切向的爆破振動監(jiān)測不可忽視。

3.2 振動頻率

理論和實踐表明，爆破地震波的主頻在建筑物結(jié)構(gòu)響應(yīng)中十分重要。當建筑物自振頻率與爆破振動主頻接近時，越易產(chǎn)生共振現(xiàn)象。根據(jù)已有研究成果，采用經(jīng)驗公式[11]來計算樓房自振周期，即

T=0.016 8(H0+1.2)

(1)

fx、fy、fz分別表示徑向、切向、垂直向的主頻圖5 不同水平距離的主頻與樓層關(guān)系Fig.5 The relationship between frequency and floor at different horizontal distances

式(1)中：T為自振周期，s ;H0為房屋的計算高度，m。樓房高19.6 m，計算得到自振周期為0.349 44 s，自振頻率為2.862 Hz。L=-19.6、0、19.6 m時各樓層的主頻如圖5所示。

由圖5可知：隧道下穿樓房前后，不同樓層的主頻均分布在17.43～210.51 Hz，高于樓房自振頻率，不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。各向主頻與對應(yīng)方向的峰值振速無明顯同步相關(guān)性。隨著樓層升高，主頻呈現(xiàn)振蕩下降趨勢，并且爆心距越大，主頻下降越明顯。例如L=-19.6 m時樓房8層和L=19.6 m 時樓房7層的垂直向主頻衰減至當次監(jiān)測的最小值18.32 Hz和17.43 Hz，而L=0 m時，切向主頻在樓房8層衰減至當次監(jiān)測的最小值30.52 Hz，即隨爆心距增大，主頻能達到的值更小。因此在振動監(jiān)測中要注意的是：隨爆心距增大，建筑物的主頻可能在較高樓層衰減為較小值，甚至接近某些建筑物的自振頻率(3～8 Hz)[12]，并且由于振速的頂層放大效應(yīng)，導(dǎo)致較高樓層的振速大，主頻小，在地震波長期反復(fù)作用下，增大了振動響應(yīng)程度，易對建筑物造成結(jié)構(gòu)破壞。故爆心距較大時，要對受保護建筑物的較高樓層進行爆破振動監(jiān)測，綜合分析主頻與振速，結(jié)合《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[8]的相關(guān)規(guī)定，合理調(diào)整爆破參數(shù)以避免超振，必要時應(yīng)對結(jié)構(gòu)薄弱處進行加固。

3.3 空洞效應(yīng)

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，隧道爆破掘進過程中，已開挖區(qū)形成的空洞導(dǎo)致其上部地表振動速度大于未開挖區(qū)的地表振動速度，這種現(xiàn)象被稱為空洞效應(yīng)[13]。

為量化說明空洞效應(yīng)在本工程中引起的振速放大規(guī)律，以樓房為對稱點，將掌子面開挖至樓房前后方相同距離時，樓房第一層監(jiān)測到的振速之比定義為振速影響系數(shù)fv，其數(shù)學(xué)表達式[14]為

(2)

式(2)中：VC為已開挖區(qū)上方測得的振速，cm/s；VS為未開挖區(qū)上方測得的振速，cm/s。

以樓房為對稱點，掌子面開挖至樓房前后相同水平距離時，樓房第一層監(jiān)測的振速差值為

ΔV=VC-VS

(3)

隧道下穿前后33 m范圍內(nèi)，樓房第一層的峰值合振速如圖6所示。由圖6可知，La=3～25 m時，隧道下穿后的樓房第一層峰值合振速普遍大于下穿前的。峰值合振速呈現(xiàn)振蕩下降的趨勢，在3 m處振速差值達到最大，出現(xiàn)明顯的空洞效應(yīng)。超出25 m后，峰值合振速降至0.35 cm/s以下，振速差值減小，曲線趨于和緩。

針對La=3～25 m范圍內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算該范圍內(nèi)的振速影響系數(shù)及振速差值進行詳細分析，計算結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著La的增大，振速影響系數(shù)并不是單調(diào)降低的，而是在掌子面近區(qū)和遠區(qū)數(shù)值較大，中間區(qū)域較小。當La=3～10 m時，振速差值為-0.222～0.420 cm/s，振速影響系數(shù)為0.734～2.028，最大峰值合振速(0.877 cm/s)、最大振速影響系數(shù)(2.028)及最大振速差值(0.420 cm/s)均出現(xiàn)在該范圍內(nèi)。這是由于爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波傳播到掌子面后方時，已開挖區(qū)隧道上表面和地表提供了良好的自由面，使應(yīng)力波在巖層中發(fā)生反射、疊加，使振速增大。

表1 樓房1層峰值合振速對比

當La=20～25 m時，振速影響系數(shù)均大于1，但峰值合振速普遍較小，對建筑物危害低。由此可知，當La=3～10 m時，振速最大，空洞效應(yīng)最為顯著，建筑物最易發(fā)生破壞，應(yīng)對爆破振動進行重點防控。

La表示樓房與掌子面在隧道徑向上水平距離L的絕對值圖6 樓房第一層峰值合振速隨La的變化曲線Fig.6 Curve of variation of peak combined vibration velocity of the first floor of a building with La

4 隧道爆破振動信號HHT分析

Hilbert-Huang變換是美國華裔科學(xué)家Huang于1998年提出的一種新型處理非線性非穩(wěn)定信號的方法[15]，在變換過程中不需要預(yù)設(shè)基函數(shù)，自適應(yīng)性強，非常適合分析具有隨機性和不平穩(wěn)性的爆破振動波。HHT理論首先運用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)將復(fù)雜信號分解成有限個固有模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function，IMF)，信號經(jīng)分解后得到多個IMF的組合，對IMF分量進行Hilbert變換，即可得到每個IMF分量的瞬時頻率，綜合所有IMF分量的瞬時頻譜就可獲得Hilbert譜。Hilbert譜能夠精細地刻畫時間、頻率、能量三者的分布變化關(guān)系。

選取樓房第一層振速影響系數(shù)較大的4組監(jiān)測數(shù)據(jù)作為研究對象，掌子面位置分別為L=-14、-5.4、5.4、14 m。監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知，樓房第一層的垂直向振速均大于徑向和切向，垂直向振動信號的信噪比相對較高，因此取垂直向爆破振動信號進行HHT分析。圖7為L=-5.4 m 時的垂直向原始爆破振動信號。

圖7 垂直向爆破振動信號Fig.7 Vertical blasting vibration signal

表2 爆破振動監(jiān)測點數(shù)據(jù)

通過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)和Hilbert 變換，繪制出L=-14、-5.4 、5.4、14 m時樓房第一層的垂直向振動信號三維Hilbert譜見圖8。

圖8 樓房第一層垂直向振速三維Hilbert譜Fig.8 3D Hilbert spectrum of vertical vibration velocity on the first floor of the building

由圖8可知，爆破振動信號能量在頻域上分布較廣，主要分布在20～250 Hz范圍內(nèi)。100 Hz為一個頻率中心，而樓房的自振頻率低于5 Hz，不易發(fā)生共振現(xiàn)象。起爆過程中未設(shè)置掏槽孔，采用數(shù)碼電子雷管控制單孔單響，裝藥量相同，故Hilbert譜在0～5 s內(nèi)表現(xiàn)出明顯的多峰值結(jié)構(gòu)，能量分布較為均勻，減震效果良好。隨著爆心距的增加，能量幅值不斷衰減。

對比圖8中L絕對值相同的Hilbert譜，已開挖區(qū)的爆破振動信號能量幅值普遍高于未開挖區(qū)。一定范圍內(nèi)，爆心距越小，該現(xiàn)象越明顯，這與空洞效應(yīng)體現(xiàn)的規(guī)律一致。從爆破振動信號頻率來看，未開挖區(qū)的分布在20～250 Hz范圍內(nèi)，已開挖區(qū)的分布在20～150 Hz范圍內(nèi)，已開挖區(qū)的頻帶范圍更低，更接近建筑物的自振頻率。需警惕爆破作業(yè)附近已開挖區(qū)的建筑物共振現(xiàn)象，加強爆破振動監(jiān)測，采用合理的減震措施，避免事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

(1)爆破振動作用下，振速隨建筑物樓層升高先減小后略微增大，在頂層表現(xiàn)出相對放大效應(yīng)，放大倍數(shù)為1.9～3.5倍。垂直向峰值振速在各樓層不一定總是最大，無法反映出高層的受震情況。

(2)爆破振動作用下，隨著樓層升高，主頻呈現(xiàn)振蕩下降趨勢，并且爆心距越大，主頻衰減越明顯。應(yīng)對爆心距較大的受保護建筑物較高樓層進行振動監(jiān)測。

(3)距掌子面3～10 m范圍內(nèi)空洞效應(yīng)明顯，振速影響系數(shù)最大為2.028，應(yīng)重視已開挖區(qū)地表的振速放大現(xiàn)象。

(4)通過HHT分析，樓房第一層垂直向爆破振動信號的Hilbert譜表現(xiàn)為明顯的多峰值結(jié)構(gòu)，頻率分布在20～250 Hz，高于建筑物的自振頻率。已開挖區(qū)的頻帶范圍比未開挖區(qū)更低，需警惕爆破作業(yè)附近已開挖區(qū)的建筑物共振現(xiàn)象。