水下爆破軟土地基遠(yuǎn)區(qū)振動(dòng)效應(yīng)預(yù)測(cè)

王 璞，劉 桐，楊 帆，侯 猛，蔣躍飛

(浙江省高能爆破工程有限公司，杭州 310030)

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸基礎(chǔ)建設(shè)蓬勃發(fā)展、高速鐵路的快速布局與建設(shè)，跨越江河的特大橋需求不斷增加，鑒于高鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與要求，橋墩基礎(chǔ)均需嵌入基巖以為穩(wěn)定承載提供保障，爆破開(kāi)挖深水承臺(tái)基坑因其效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)逐漸得到推廣應(yīng)用[1]。然而水下爆破與陸地爆破具有較大的不同，從安全角度而言，水體作為覆蓋層雖可以對(duì)噪音、揚(yáng)塵、飛石、空氣沖擊波等危害效應(yīng)起到顯著的削減作用，但由于爆區(qū)與河床兩岸保護(hù)對(duì)象之間的地質(zhì)條件往往非常復(fù)雜，介質(zhì)種類(lèi)多、性質(zhì)差異大，軟巖軟土地基分布廣，再加上水中沖擊波疊加作用，保護(hù)對(duì)象所受爆破振動(dòng)成為了安全控制的主要目標(biāo)[2-6]。以新建金建高鐵蘭江特大橋基礎(chǔ)水下爆破開(kāi)挖工程為背景，研究分析全過(guò)程振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討總結(jié)軟土地基條件下遠(yuǎn)區(qū)保護(hù)對(duì)象受到的水下爆破振動(dòng)效應(yīng)影響及規(guī)律具有重要的實(shí)踐意義。

一般而言，爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)主要通過(guò)對(duì)既有爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，獲取與地質(zhì)條件相關(guān)的K值與振動(dòng)衰減系數(shù)α值，利用薩道夫斯基公式進(jìn)行計(jì)算[7]。邵蔚等[8]針對(duì)某核電站水下爆破實(shí)驗(yàn)，分析了水下鉆孔爆破時(shí)地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)特征以及水下爆破地震波的衰減規(guī)律，通過(guò)傅里葉變換發(fā)現(xiàn)水下爆破具有明顯的濾頻效應(yīng)，特點(diǎn)為主頻小、頻帶窄、能量小；費(fèi)鴻祿等[9]為提高水下爆破質(zhì)點(diǎn)振速的預(yù)測(cè)精度，基于量綱分析理論，結(jié)合了監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爆源之間的地形影響因素的同時(shí)引入了海水深度影響因子，重新構(gòu)建了水下深埋巖石爆破質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度公式，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水深變化不明顯時(shí)，重新構(gòu)建的振速公式與高程振速公式對(duì)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度預(yù)測(cè)精度基本一致；此外，多位學(xué)者針對(duì)不同施工條件下鉆孔爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，獲取了峰值振動(dòng)、振動(dòng)頻率以及能量相互之間的關(guān)系[10-13]。

1 實(shí)例背景

1.1 實(shí)例概況

蘭江特大橋?yàn)樾陆ń鸾ǜ哞FI標(biāo)控制性工程，橋位處蘭江寬度約1 km，水深6～8 m，93#～101#橋墩自南向北排列。其中，96#、97#和99#墩位處基巖采用爆破開(kāi)挖，挖深4.9～6.2 m。蘭江兩岸環(huán)境十分復(fù)雜，有堤壩、密集民房、文物建筑、電力水利設(shè)施等保護(hù)對(duì)象分布在距爆區(qū)225～750 m范圍內(nèi)(見(jiàn)圖1)，堤壩及建(構(gòu))筑物地基以軟土軟巖為主。

圖1 爆區(qū)與保護(hù)對(duì)象分布Fig.1 Blast zones and protected objects

1.2 爆破方案與測(cè)點(diǎn)布置

1)總體方案。垂直方向一次爆破至設(shè)計(jì)標(biāo)高不再分層，水平方向分區(qū)多次爆破成型，孔網(wǎng)參數(shù)2.5 m×2.5 m，炸藥單耗1～1.5 kg/m3。

2)試爆方案。施工初期進(jìn)行10次試爆并采集爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)條件相關(guān)系數(shù)K、α進(jìn)行回歸擬合；起爆網(wǎng)路采取“孔外分段、單孔單響”，最大單響藥量為54～84 kg?？紤]到兩岸保護(hù)對(duì)象分布密集且范圍廣，為了使數(shù)據(jù)盡可能有代表性，測(cè)點(diǎn)布置遵循兩點(diǎn)原則：①爆心距能夠覆蓋各距離區(qū)間；②測(cè)線方向自爆區(qū)向岸邊延伸穿過(guò)保護(hù)對(duì)象分布區(qū)域中線。

3)實(shí)施方案。依據(jù)試爆結(jié)果，為進(jìn)一步降低爆破振動(dòng)危害效應(yīng)，將起爆網(wǎng)路調(diào)整為“孔內(nèi)外分段、一孔兩響”，最大單響藥量控制為24 kg。測(cè)點(diǎn)布置在各保護(hù)對(duì)象處。

2 振動(dòng)衰減規(guī)律擬合

2.1 試爆數(shù)據(jù)回歸擬合

由于在爆破振動(dòng)傳播中R波起主導(dǎo)作用且作用于垂直方向[14]，因此采用垂向峰值振速對(duì)爆區(qū)所在地質(zhì)條件相關(guān)系數(shù)及衰減規(guī)律進(jìn)行回歸擬合，試爆振動(dòng)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試爆爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

(1)

圖2 振動(dòng)衰減規(guī)律非線性擬合Fig.2 Burst vibration nonlinear fitting

2.2 振動(dòng)預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)分析

試爆期間各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度雖未有超標(biāo)數(shù)據(jù)，但考慮到軟土地基條件下保護(hù)對(duì)象對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)較為敏感，因此在后續(xù)工程實(shí)施中將起爆網(wǎng)路調(diào)整為“孔內(nèi)外分段、一孔兩響”，最大單響藥量控制為24 kg。依據(jù)擬合公式給出優(yōu)化方案的保護(hù)對(duì)象振動(dòng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)，結(jié)果顯示均處于安全控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。然而在全部44次爆破施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：部分測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不符合預(yù)測(cè)規(guī)律，且同一方案下同一測(cè)點(diǎn)不同爆次的峰值振速存在一定離散性。以探討振動(dòng)整體趨勢(shì)變化為目的，將各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理后與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表2、圖3)。

表2 爆破振動(dòng)速度對(duì)比

圖3 預(yù)測(cè)振速與實(shí)測(cè)振速均值對(duì)比Fig.3 Comparison of predicted vibration velocity versus measured mean vibration speed

結(jié)合圖表分析：①相較預(yù)測(cè)曲線而言，200 m450 m時(shí)，v2普遍大于v1，預(yù)測(cè)失效。

3 遠(yuǎn)區(qū)振動(dòng)頻譜分析與放大效應(yīng)

3.1 遠(yuǎn)區(qū)振動(dòng)頻譜分析

針對(duì)前述擬合公式對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)預(yù)測(cè)失效問(wèn)題，選取文物(R=630 m)處典型振動(dòng)數(shù)據(jù)，基于Matlab軟件，采用EMD-HHT分析方法，首先將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解得到有限的、不同的IMF分量，對(duì)其進(jìn)行去噪并重構(gòu)，將主要IMF分量進(jìn)行Hilbert-Huang變換，進(jìn)而得到能量分布圖譜以及包含瞬時(shí)能量、頻率和時(shí)間的三維譜。

1)瞬時(shí)能量。IMF分量均為時(shí)間與振速的關(guān)系，隨著分解等級(jí)的提高單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的頻率值也隨之下降，后期主要以低頻波為主。

EMD重構(gòu)信號(hào)(見(jiàn)圖4)有助于還原爆破振動(dòng)波的實(shí)際情況，結(jié)合Matlab計(jì)算得到時(shí)間、頻率以及瞬時(shí)能量的三維矢量矩陣表，導(dǎo)出各頻率指標(biāo)在整個(gè)時(shí)間段中的最大瞬時(shí)能量值匯總形成瞬時(shí)能量譜(見(jiàn)圖5)。可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于文物處測(cè)點(diǎn)接收到的振動(dòng)波，f<50 Hz所輸出的瞬時(shí)能量相對(duì)于f>50 Hz的更大、更密集；波的頻率越大，瞬時(shí)能量越低，f>100 Hz的振動(dòng)波對(duì)文物幾乎無(wú)能量輸出。

圖4 EMD重構(gòu)信號(hào)Fig.4 EMD reconstructs the signal

圖5 頻率與瞬時(shí)能量關(guān)系Fig.5 Relation ship between frequency and transient energy

2)能量占比。以圖5數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)受振動(dòng)影響過(guò)程中能量隨頻率的分布特征(見(jiàn)圖6)。由圖6可知,近乎全部能量均輸出自f<50 Hz的振動(dòng)波，超過(guò)50%的能量來(lái)自10～20 Hz頻段，0～30 Hz頻段能量呈正態(tài)分布，30～50 Hz之間能量占比隨著頻率的升高逐漸提升。由此推斷，低頻波對(duì)遠(yuǎn)區(qū)保護(hù)對(duì)象受到的爆破振動(dòng)影響起主導(dǎo)作用。

圖6 能量占比Fig.6 Energy ratio

由于區(qū)域地質(zhì)具有軟土軟巖地基廣泛分布的特點(diǎn)，同時(shí)爆破振動(dòng)波傳播路徑介質(zhì)復(fù)雜多樣，高頻波在爆源近區(qū)快速衰減，對(duì)遠(yuǎn)區(qū)保護(hù)對(duì)象作用較??；低頻波傳播至遠(yuǎn)區(qū)時(shí)成為振動(dòng)能量主要來(lái)源，衰減程度雖已趨于穩(wěn)定，但仍未達(dá)到前文擬合預(yù)測(cè)規(guī)律的衰減程度，進(jìn)而導(dǎo)致遠(yuǎn)區(qū)峰值振速產(chǎn)生相對(duì)放大效應(yīng)。

3.2 放大效應(yīng)預(yù)測(cè)修正公式

考慮到薩道夫斯基公式難以將頻率因素結(jié)合至振動(dòng)預(yù)測(cè)，同時(shí)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明在遠(yuǎn)區(qū)各向廣泛分布軟土地基保護(hù)對(duì)象的水下爆破中，難以通過(guò)常規(guī)方法回歸擬合出能夠有效指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)施工的K、α值，此處采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，引入放大系數(shù)N探討遠(yuǎn)區(qū)振動(dòng)預(yù)測(cè)，即保護(hù)對(duì)象爆心距R>450 m時(shí)，放大系數(shù)由式(2)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果、非線性擬合分別如表3、圖7所示。

(2)

表3 遠(yuǎn)區(qū)保護(hù)對(duì)象放大系數(shù)N

圖7 放大系數(shù)N非線性擬合Fig.7 Magnification coefficient N nonlinear fitting

計(jì)算所得放大系數(shù)N存在一定波動(dòng)性，對(duì)其進(jìn)行非線性曲線擬合得y=0.015x0.74，其相關(guān)性r2=0.53，具有一定的相關(guān)性。其中，y即放大系數(shù)N的取值，x為保護(hù)對(duì)象爆心距R，則有放大效應(yīng)預(yù)測(cè)修正公式：

(3)

4 結(jié)論

1)通過(guò)試爆對(duì)工程區(qū)域K、α值進(jìn)行非線性回歸擬合并預(yù)測(cè)后續(xù)施工中的爆破振動(dòng)，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與回歸擬合預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：測(cè)點(diǎn)處于爆區(qū)450 m范圍內(nèi)時(shí)，預(yù)測(cè)規(guī)律可以有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工，處于450 m以外時(shí)則預(yù)測(cè)失效。

2)針對(duì)遠(yuǎn)區(qū)典型保護(hù)對(duì)象的原始振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，其振動(dòng)能量主要源于f<50 Hz的低頻波，其中10～20 Hz頻段起主導(dǎo)作用。綜合地質(zhì)條件與傳播介質(zhì)因素，低頻波到達(dá)遠(yuǎn)區(qū)時(shí)衰減程度雖已趨于穩(wěn)定，但仍未達(dá)到擬合預(yù)測(cè)規(guī)律的衰減程度，進(jìn)而導(dǎo)致遠(yuǎn)區(qū)峰值振速產(chǎn)生相對(duì)放大效應(yīng)。

3)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法難以獲得有效K、α值時(shí)，對(duì)軟土地基廣泛分布條件下的遠(yuǎn)區(qū)保護(hù)對(duì)象爆破振動(dòng)放大效應(yīng)引入放大系數(shù)，通過(guò)非線性回歸擬合給出預(yù)測(cè)修正公式。該公式的提出以特定工程背景為基礎(chǔ)，其思路與應(yīng)用的普遍性、適用性有待后續(xù)進(jìn)一步的工程實(shí)踐驗(yàn)證與研究。