陳吉輝, 仇文革, 趙旭偉, 王海亮
(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031;2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266590)
近年來(lái),我國(guó)的交通建設(shè)飛速發(fā)展,鐵路隧道[1]、公路隧道以及城市地鐵隧道的修建正處于高峰期。隨著線(xiàn)路的增加,路網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜,無(wú)論是鐵路、公路還是地下隧道不可避免出現(xiàn)相互交疊[2-4]。而且目前隧道的開(kāi)挖仍以鉆爆法為主,過(guò)大的爆破振動(dòng)又會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生危害。因此,為減少此危害,學(xué)者們一方面對(duì)交疊隧道控制爆破技術(shù)進(jìn)行了大量研究[5-7]。另一方面對(duì)隧道爆破振動(dòng)傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。
宋光明等[8]提出采用小波包分析技術(shù)評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)危害,為控制爆破地震效應(yīng)提供了新的研究思路。隨后學(xué)者逐漸采用小波包變換、改進(jìn)的小波包算法以及分形理論等方法對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)的頻率、能量分布特征進(jìn)行研究[9-11]。由最早的采用質(zhì)點(diǎn)峰值振速單一因素,發(fā)展到結(jié)合振動(dòng)信號(hào)的頻率、能量因素綜合評(píng)判的方法。從而能夠更加精細(xì),精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)危害。
關(guān)于隧道分區(qū)爆破振動(dòng)規(guī)律方面的研究,如孟海利[12]針對(duì)隧道分區(qū)爆破振動(dòng)衰減系數(shù)K、α值進(jìn)行了研究。王海亮等[13]主要對(duì)分區(qū)爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振速傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。兩位學(xué)者并未對(duì)分區(qū)爆破振動(dòng)信號(hào)的頻率-能量分布特征進(jìn)行研究。楊建華等[14]使用MS3、MS5、MS11毫秒延期雷管將全斷面分3個(gè)段別一次起爆,研究全斷面開(kāi)挖爆破產(chǎn)生的自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響。但是作者并未考慮隧道已開(kāi)挖區(qū)爆破振動(dòng)能量的傳播規(guī)律。而且其試驗(yàn)選在隧道洞口外邊坡上進(jìn)行,振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置在爆源一側(cè)28~80 m范圍,屬于爆破遠(yuǎn)區(qū)。研究已表明爆破遠(yuǎn)區(qū)與近區(qū)振動(dòng)速度規(guī)律的不同[15]。本文對(duì)爆破近區(qū)[16]的振動(dòng)特性進(jìn)行了研究。同時(shí),作者重點(diǎn)對(duì)隧道已開(kāi)挖區(qū)與未開(kāi)挖區(qū)的爆破振動(dòng)特性進(jìn)行了對(duì)比分析。
本文基于青島地鐵交疊隧道分區(qū)爆破工程,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),采用小波包分析技術(shù),對(duì)分區(qū)爆破振動(dòng)信號(hào)在工作面前、后方3通道方向上的頻率-能量分布特征進(jìn)行了詳細(xì)研究。
青島地鐵2號(hào)線(xiàn)遼陽(yáng)東路車(chē)輛基地牽出線(xiàn)為單線(xiàn)隧道,下穿4號(hào)線(xiàn)汽車(chē)東站E出入口,兩隧道平面夾角12°,垂直距離僅3 m,如圖1所示。交疊段圍巖為Ⅴ級(jí)風(fēng)化花崗巖。牽出線(xiàn)隧道寬6.2 m,高6.63 m,采用“臺(tái)階+分區(qū)法”爆破開(kāi)挖,上臺(tái)階分3區(qū)(掏槽區(qū)、輔助1區(qū)、輔助2區(qū))3次爆破。其施工工序?yàn)椋罕铺筒蹍^(qū),進(jìn)尺1.5 m→爆破輔助1區(qū),進(jìn)尺0.75 m→出渣→立拱架→噴漿→爆破輔助2區(qū),進(jìn)尺0.75 m→支護(hù)→下一循環(huán)。試驗(yàn)使用的炸藥是2號(hào)巖石乳化炸藥,藥卷規(guī)格為32 mm×300 mm,每卷300 g。雷管為第一系列毫秒延期塑料導(dǎo)爆管雷管。上臺(tái)階分區(qū)爆破開(kāi)挖施工工序如圖2所示,爆破參數(shù)如表1所示。
圖2 上臺(tái)階分區(qū)爆破開(kāi)挖工序示意圖
表1 隧道分區(qū)爆破參數(shù)表
采用7臺(tái)TC-4850爆破測(cè)振儀,在上臺(tái)階工作面前、后方分別監(jiān)測(cè)各分區(qū)爆破振動(dòng)速度。制定監(jiān)測(cè)方案如下,方案A:以爆破工作面正上方在既有隧道E出入口的投影為基準(zhǔn)點(diǎn),建立測(cè)點(diǎn)A-1,依次在工作面前方共布置A-1~A-7,7個(gè)測(cè)點(diǎn),由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制,距工作面水平距離分別設(shè)置為1 m、2 m、3 m、4 m、6 m、8 m。方案B:布置方式同方案A,在工作面后方分別布置B-1~B-7,7個(gè)測(cè)點(diǎn),間距設(shè)置為1 m、3 m、6 m、9 m、13 m、17 m?,F(xiàn)場(chǎng)爆破測(cè)振儀安裝情況如圖1所示?,F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)在水平徑向方向上的波形圖如圖3所示。
圖3 掏槽區(qū)(上)和輔助區(qū)(下)爆破振速曲線(xiàn)
小波包分析是小波多分辨分析的延伸,克服了多分辨分析在高頻段的頻率分辨率差,低頻段的時(shí)間分辨率差的缺點(diǎn)。將頻帶進(jìn)行多層次劃分,對(duì)多分辨分析沒(méi)有細(xì)分的高頻部分進(jìn)一步分解,從而提高信號(hào)的時(shí)頻分辨率,是一種更精細(xì)的信號(hào)分析方法。對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)s(t)進(jìn)行小波包分解后,可以得到2i個(gè)頻帶上的子空間信號(hào),則s(t)可以表示為
j=0,1,2,…,2i-1
(1)
式中,fi,j(ti)為爆破振動(dòng)信號(hào)小波包分解到第i層分解節(jié)點(diǎn)(i,j)上的重構(gòu)信號(hào)。若s(t)的最低頻率為0,最高頻率為ωm,則在第i分解層每個(gè)頻帶的頻率寬度分別為ωm/2i。根據(jù)信號(hào)譜分析中的Parseval定理[17],由式(1)可得爆破振動(dòng)信號(hào)s(t)小波包分析的能量譜為
(2)
式中:xj,k為重構(gòu)信號(hào)各離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值,j=0,1,2,…,2i-1;k=1,2,…,m;m為爆破振動(dòng)信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)。信號(hào)的總能量E可表示為
(3)
各子頻帶能量占信號(hào)總能量的百分比Pi,j為
(4)
爆破試驗(yàn)使用的TC-4850爆破測(cè)振儀采樣頻率為8 kHz,則其N(xiāo)yquist采樣頻率為4 kHz,對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行8層分解,對(duì)應(yīng)的最低頻帶為0~15.625 Hz。本文將爆破振動(dòng)信號(hào)分析中常用的小波函數(shù)進(jìn)行誤差分析,最終選擇db8小波基作為本試驗(yàn)的最好基進(jìn)行分析。小波函數(shù)重構(gòu)誤差如表2所示。由式(1)~式(4)即可得到信號(hào)各頻帶的能量分布。
表2 小波函數(shù)重構(gòu)誤差
爆破振動(dòng)信號(hào)的頻率也是爆破振動(dòng)傳播規(guī)律中非常重要的信息。針對(duì)4次典型試驗(yàn)爆破振動(dòng)信號(hào),采用小波包分析技術(shù)得到的幅值譜曲線(xiàn)如圖4所示。為便于數(shù)據(jù)的處理分析,采用MATLAB軟件對(duì)振動(dòng)幅值進(jìn)行了歸一化處理。
圖4 工作面正上方分區(qū)爆破振動(dòng)信號(hào)幅值譜曲線(xiàn)
由圖4可知:掏槽區(qū)爆破振動(dòng)對(duì)應(yīng)的主振頻率分別為:6.5 Hz、8.5 Hz、12.4 Hz、21.3 Hz。輔助1區(qū)爆破振動(dòng)對(duì)應(yīng)的主振頻率分別為:82.1 Hz、79.3 Hz、78.4 Hz、67.1 Hz。輔助2區(qū)爆破振動(dòng)對(duì)應(yīng)的主振頻率分別為:73.5 Hz、66.8 Hz、76.3 Hz、71.2 Hz。綜上分析可知,掏槽區(qū)爆破振動(dòng)主振頻率小于50 Hz,輔助1區(qū)、2區(qū)爆破振動(dòng)主振頻率分布在50~100 Hz內(nèi)。掏槽區(qū)爆破只有工作面一個(gè)自由面,而輔助區(qū)爆破時(shí)包括工作面及掏槽區(qū)爆破后產(chǎn)生的新的自由面。新產(chǎn)生的自由面影響了振動(dòng)的頻譜特性,致使振動(dòng)頻率偏高。當(dāng)應(yīng)力波傳播至產(chǎn)生的新自由面時(shí)發(fā)生反射,反射稀疏波與原應(yīng)力波疊加致使遠(yuǎn)區(qū)荷載壓力的上升時(shí)間和持續(xù)作用時(shí)間變短,造成荷載的頻率變大。掏槽區(qū)爆破振動(dòng)幅值最大,幅值集中在50 Hz以?xún)?nèi),而輔助區(qū)爆破振動(dòng)幅值譜曲線(xiàn)均向50~100 Hz移動(dòng)。
2.2 掏槽區(qū)爆破振動(dòng)信號(hào)能量變化規(guī)律
采用小波包分析技術(shù)得出掏槽區(qū)爆破振動(dòng)信號(hào)的能量譜。定義主頻帶為能量占比大于10%的各子頻帶所構(gòu)成的頻率區(qū)間。掏槽區(qū)和輔助1區(qū)爆破振動(dòng)信號(hào)在水平徑向、切向及垂直方向上的能量譜如圖5、圖6所示,能量分布如表3、表4所示。A-1、A-4、A-7表示由近及遠(yuǎn)的3個(gè)測(cè)點(diǎn),B測(cè)點(diǎn)同理。
圖5 掏槽區(qū)爆破振動(dòng)能量譜
圖6 輔助1區(qū)爆破振動(dòng)能量譜
表3 掏槽區(qū)爆破振動(dòng)信號(hào)主頻帶分布表
表4 輔助1區(qū)爆破振動(dòng)信號(hào)主頻帶分布表
爆破工作面前方水平距離0~8 m內(nèi),此區(qū)域?qū)儆诒平鼌^(qū)。由圖5、表3可知:①在水平徑向、切向方向上,主頻帶隨著水平距離的增加逐漸向高頻移動(dòng),且能量占比分別由68.6%增加至93.1%,63.6%增加至66.2。高頻能量比重增加,頻帶變寬,其中100~200 Hz內(nèi),A-7測(cè)點(diǎn)較A-1測(cè)點(diǎn)能量占比分別增加1.13倍、1.76倍。②在垂直方向上,爆破工作面正上方A-1測(cè)點(diǎn)主頻帶為0~32.5 Hz,62.50~93.75 Hz,頻帶區(qū)間狹窄,能量占比僅為37.8%??梢?jiàn)在0~300 Hz內(nèi),各頻帶能量分布較均勻。主頻帶隨著水平距離的增加逐漸向低頻移動(dòng),且能量占比由37.8%增加至72.1%。低頻能量比重增加,其中0~32.5 Hz內(nèi),A-7測(cè)點(diǎn)較A-1測(cè)點(diǎn)能量占比增加2.43倍。由于垂直方向振速對(duì)結(jié)構(gòu)的影響占主導(dǎo)地位,因此工作面前方爆破近區(qū)隧道爆破施工時(shí),不僅要考慮振速過(guò)大對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,同時(shí)也要謹(jǐn)防低頻能量對(duì)隧道的影響。
爆破工作面后方水平距離0~17 m內(nèi)。由圖5、表3可知:在水平徑向、切向和垂直方向上,主頻帶隨著水平距離的增加先向高頻移動(dòng)再向低頻移動(dòng),且低頻能量占比分別由49.7%增加至90.0%,74.6%增加至81.6%,25.6%增加至70.4%。低頻能量比重增加,頻帶變窄,其中0~100 Hz內(nèi),B-7測(cè)點(diǎn)較B-1測(cè)點(diǎn)在3個(gè)方向上能量占比分別增加0.25倍、0.60倍、1.08倍??梢?jiàn)已開(kāi)挖段隧道的應(yīng)力狀態(tài),隧道空間的變化,使得高頻能量比重下降,而低頻能量比重逐漸增加。
通過(guò)小波包能量譜發(fā)現(xiàn)輔助1區(qū)與輔助2區(qū)爆破振動(dòng)能量變化規(guī)律基本一致,均可看作2個(gè)自由面情況下的爆破振動(dòng)變化規(guī)律。因此,以下采用輔助1區(qū)爆破振動(dòng)能量譜(見(jiàn)圖6)來(lái)說(shuō)明輔助區(qū)爆破振動(dòng)能量變化規(guī)律。水平徑向、切向以及垂直方向上的爆破振動(dòng)能量分布如表4所示。
爆破工作面前方水平距離0~8 m內(nèi),此區(qū)域?qū)儆诒平鼌^(qū)。由圖6、表4可知:在水平徑向、切向和垂直方向上,主頻帶隨著水平距離的增加逐漸向高頻移動(dòng),且能量占比分別由78.0%減少至54.9%,62.9%減少至26.0%,83.7%減少至30.0%。這表明遠(yuǎn)處測(cè)點(diǎn)振動(dòng)能量的分布范圍變廣,變均勻。高頻能量比重增加,在150~250 Hz內(nèi),B-7測(cè)點(diǎn)較B-1測(cè)點(diǎn)在3個(gè)方向上的能量占比分別增加1.04倍、0.60倍、0.57倍。
爆破工作面后方水平距離0~17 m內(nèi)。在水平徑向、切向和垂直方向上,主頻帶隨著水平距離的增加先向高頻移動(dòng)再向低頻移動(dòng),且低頻能量占比分別由83.6%增加至95.0%,83.2%增加至95.0%,52.0%增加至86.8%。低頻能量比重增加,頻帶變窄,在0~62.5 Hz內(nèi),B-7測(cè)點(diǎn)較B-1測(cè)點(diǎn)在3個(gè)方向上的能量占比分別增加0.77倍、2.73倍、1.78倍。學(xué)者發(fā)現(xiàn)隨著自由面數(shù)量的增加,振動(dòng)能量趨向高頻分布,中低頻能量減少[20]。此規(guī)律與已有研究不同,這說(shuō)明隧道已開(kāi)挖區(qū)巖體巖性的改變,空間分布特征等因素也會(huì)影響振動(dòng)能量的分布。能量分布的趨勢(shì),是趨向高頻還是低頻,跟因素的影響權(quán)重有關(guān)。
在爆破工作面前方,掏槽區(qū)與輔助區(qū)在水平徑向、切向方向上主頻帶隨著水平距離的增加逐漸向高頻移動(dòng)。不同的是輔助區(qū)主頻帶范圍(150~250 Hz)稍高于掏槽區(qū)(100~200 Hz)。在垂直方向上,掏槽區(qū)振動(dòng)信號(hào)能量向低頻移動(dòng),而輔助區(qū)能量仍向高頻移動(dòng)。這說(shuō)明,自由面?zhèn)€數(shù)增加不僅影響爆破振動(dòng)速度,而且也會(huì)對(duì)能量分布特征產(chǎn)生影響。在爆破工作面后方,掏槽區(qū)與輔助區(qū)在3個(gè)方向上主頻帶均向低頻移動(dòng)。結(jié)合已開(kāi)挖段地表質(zhì)點(diǎn)速度放大規(guī)律[21],在距隧道爆心遠(yuǎn)處,應(yīng)關(guān)注振動(dòng)速度的增大及低頻能量的增加等雙重因素對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。
通過(guò)小波包分析得出各測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)能量,研究發(fā)現(xiàn)輔助區(qū)與掏槽區(qū)爆破振動(dòng)能量隨距離變化趨勢(shì)基本一致。不同的是,能量隨距離的衰減速率不同。在水平徑向、切向方向上,分區(qū)爆破振動(dòng)能量隨距離變化規(guī)律一致。因此,繪制掏槽區(qū)爆破振動(dòng)能量-距離曲線(xiàn)來(lái)說(shuō)明此變化規(guī)律,如圖7、圖8所示。
圖7 掏槽區(qū)爆破水平徑向能量隨距離變化曲線(xiàn)
圖8 掏槽區(qū)爆破垂直方向能量隨距離變化曲線(xiàn)
由圖7可知:工作面前方水平距離0~8 m內(nèi),能量-距離曲線(xiàn)呈上升趨勢(shì),能量相對(duì)增加0.2倍~0.4倍。這是因?yàn)樵谥鶢钛b藥的應(yīng)力場(chǎng)尚未由圓柱形發(fā)展變化到球形之前,炸藥起爆引起炮眼底部的高應(yīng)力場(chǎng)就會(huì)傳遞到地表,從而在炮眼底部前方的地面形成最大振速。最終可能導(dǎo)致工作面前方振動(dòng)能量的增加。
工作面后方0~17 m內(nèi),能量-距離曲線(xiàn)呈下降趨勢(shì),能量相對(duì)減少1.5倍~3.0倍。
由圖8可知:工作面前方水平距離0~8 m內(nèi),能量-距離曲線(xiàn)呈下降趨勢(shì),能量相對(duì)減少1.0倍~1.5倍。工作面后方0~17 m內(nèi),能量-距離曲線(xiàn)也呈下降趨勢(shì),能量相對(duì)減少3倍~6倍。
繪制分區(qū)爆破振動(dòng)信號(hào)能量衰減曲線(xiàn)如圖9、圖10所示。
圖10 掏槽區(qū)、輔助區(qū)爆破在水平徑向、垂直方向上的能量衰減曲線(xiàn)
由圖9可知:在爆破工作面前后方相同距離內(nèi),無(wú)論是掏槽區(qū)還是輔助區(qū),工作面前方爆破振動(dòng)能量普遍大于后方振動(dòng)能量。在水平距離0~8 m內(nèi),掏槽區(qū)爆破工作面前方振動(dòng)能量曲線(xiàn)斜率0.088小于后方0.103,輔助區(qū)爆破工作面前方振動(dòng)能量曲線(xiàn)斜率0.027小于后方0.041。這表明,隧道已開(kāi)挖區(qū)巖層巖性發(fā)生改變以及已開(kāi)挖空間的影響,導(dǎo)致此區(qū)域的振動(dòng)信號(hào)的能量相比未開(kāi)挖區(qū)更小且衰減速率更快。
圖9 工作面前后方掏槽區(qū)、輔助區(qū)爆破在垂直方向上的能量衰減曲線(xiàn)
在工作面前方,掏槽區(qū)爆破振動(dòng)能量曲線(xiàn)斜率0.088大于輔助區(qū)爆破振動(dòng)能量曲線(xiàn)斜率0.026。工作面后方也同樣存在此規(guī)律。這表明,輔助區(qū)爆破時(shí)2個(gè)自由面相比掏槽區(qū)爆破1個(gè)自由面的情況,振動(dòng)信號(hào)能量衰減緩慢。輔助區(qū)爆破振動(dòng)能量曲線(xiàn)位于掏槽區(qū)爆破振動(dòng)能量曲線(xiàn)下方,振動(dòng)能量小,可以從能量角度說(shuō)明增加自由面有利于減小爆破振動(dòng)的危害。
由圖10可知:在爆破工作面后方0~17 m內(nèi),掏槽區(qū)、輔助區(qū)爆破時(shí),3個(gè)方向上能量大小隨著水平距離的增加逐漸趨于一致。掏槽區(qū)爆破垂直方向能量曲線(xiàn)斜率0.056小于0.103(見(jiàn)圖8)。這表明在0~8 m內(nèi),即爆破近區(qū),能量衰減快。8~17 m內(nèi),即爆破近區(qū)逐漸發(fā)展至遠(yuǎn)區(qū),能量衰減相對(duì)緩慢。
本文依托青島地鐵隧道分區(qū)爆破工程,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試,采用小波包分析的方法,研究了工作面前、后方3通道方向上的頻率-能量分布特征。主要結(jié)論如下:
(1)自由面?zhèn)€數(shù)對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)的頻率、能量分布特征產(chǎn)生一定影響。爆破工作面正上方位置,掏槽區(qū)(1個(gè)自由面)爆破振動(dòng)主振頻率集中在0~50 Hz,而輔助區(qū)(2個(gè)自由面)爆破振動(dòng)主振頻率集中在50~100 Hz。隨著爆心距的增加,輔助區(qū)爆破能量衰減相比掏槽區(qū)更加緩慢。
(2)工作面前方與后方爆破振動(dòng)主頻帶隨距離變化規(guī)律不同。在工作面前方0~8 m內(nèi)。隨著爆心距的增加,無(wú)論是掏槽區(qū)還是輔助區(qū),振動(dòng)主頻帶基本向高頻移動(dòng),高頻能量比重增加。其中,只有掏槽區(qū)垂直方向振動(dòng)主頻帶向低頻移動(dòng)。掏槽區(qū)高頻能量比重增加的倍數(shù)(1.0倍~1.7倍)大于輔助區(qū)(0.5倍~1.0倍)。而在工作面后方0~17 m內(nèi),振動(dòng)信號(hào)主頻帶均向低頻移動(dòng),低頻能量占比增加。輔助區(qū)低頻能量增加的倍數(shù)(1.5倍~3.0倍)大于掏槽區(qū)(0.2倍~1.0倍)。
(3)隨著爆心距的增加,無(wú)論是工作面前方還是后方,爆破振動(dòng)總能量逐漸減少。工作面后方振動(dòng)能量的衰減速率略大于工作面前方能量的衰減。這可能與已開(kāi)挖區(qū)巖體力學(xué)性質(zhì)的改變以及已開(kāi)挖空間的影響有關(guān)。
(4)爆破工作面后方,振動(dòng)信號(hào)主頻帶隨著水平距離的增加逐漸向低頻移動(dòng)。結(jié)合已開(kāi)挖段地表質(zhì)點(diǎn)速度放大規(guī)律,在距隧道爆心遠(yuǎn)處,應(yīng)關(guān)注低頻能量的增加及振動(dòng)速度的增大等雙重因素對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。
本文主要是從爆破振動(dòng)信號(hào)的頻率-能量特征角度對(duì)分區(qū)爆破振動(dòng)特性進(jìn)行了研究。以后的研究可以考慮巖體的各向異性、應(yīng)力水平等因素對(duì)工作面前、后方爆破振速的影響。