李云赫 董 捷 王晟華 王小敬 呂 剛

(1.河北建筑工程學院 土木工程學院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點試驗室，河北 張家口 075000；3.北旺建設集團有限責任公司,承德 067000；4.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100071)

1 前 言

爆破施工技術憑借經(jīng)濟高效的優(yōu)勢廣泛應用于隧道建設中，但隧道爆破掘進施工誘發(fā)的地震負面效應，尤其是爆破振動對周圍建(構)筑物造成不同程度的危害，越來越受到關注和重視.國內(nèi)外學者分別從峰值振速、頻率、能量等角度探討爆破振動傳播衰減規(guī)律及其控制技術.

Deng[1]等從應力波理論出發(fā)，對多孔多級爆破方案下的振速衰減公式進行修正，推導彈性應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)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析不同巖層、不同雷管和炸藥等因素對地表質點峰值振速衰減規(guī)律的影響，并預測了對鄰近混凝土結構的影響程度;李清[3]等人基于大斷面高鐵隧道掘進爆破實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究不同測試方位對振動波衰減規(guī)律的影響;1996年C.H.Dowding[4]提出由質點位移、振速和加速度譜預測主頻理論;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]等通過對小凈距隧道開挖爆破振動信號應用小波包分析，揭示爆破振動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信號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;費鴻祿[8]等基于現(xiàn)場實測隧道掘進爆破振動數(shù)據(jù)，從能量的角度探討爆破振動波沿三個方向的衰減規(guī)律以及能量在不同頻帶下的分布情況.

盡管眾多學者采用理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等手段，分別對隧道爆破掘進施工誘發(fā)的地表質點峰值振動速度、主頻率、能量等進行了大量的研究，但從多指標不同測試方位角度的綜合研究相對較少.本文以崇禮隧道下穿既有村莊掘進爆破施工為工程背景，利用爆破振動監(jiān)測儀采集爆破振動信號；利用數(shù)學方法對地表質點三個方向的振動數(shù)據(jù)進行振速擬合運算、頻域圖譜分析、小波包能量分析，探討爆破振動波的傳播衰減規(guī)律，從而為合理控制爆破振動危害和科學優(yōu)化施工方案提供理論基礎.

2 工程背景

2.1 工程地質條件

本文依托新建崇禮隧道爆破施工工程背景進行研究.崇禮隧道位于燕山～太行山裂陷槽西側，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引起劇烈的爆破振動，經(jīng)過現(xiàn)場調(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，由于村內(nèi)房屋大多常年未經(jīng)維護修理，建筑結構遭到或多或少的損壞，甚至有些房屋結構表面出現(xiàn)可見裂縫.基于此可知，隧道爆破施工會引起村莊內(nèi)房屋不規(guī)律振動，若振動超過規(guī)范標準上限，很有可能會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級圍巖和IV級圍巖為主，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 爆破振動監(jiān)測

3.1 爆破振動監(jiān)測方案

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爆破振動監(jiān)測儀監(jiān)測地表5個測點處的質點峰值振動速度.在各測點處清除表面雜物，用石膏將振動速度傳感器與地面緊密連接，振動傳感器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方向為豎直向上.儀器布置如圖3所示.

圖3 爆破振動監(jiān)測儀布置圖

3.2 爆破振動監(jiān)測結果

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)測結果詳見表1.其中負號表示測點在掌子面后方已開挖段.

表1 爆破振動監(jiān)測結果

4 地表振動波衰減規(guī)律分析

4.1 爆破振動速度衰減規(guī)律分析

隧道掘進爆破施工過程中，不可避免的會對上部既有建筑物產(chǎn)生影響，通過數(shù)據(jù)分析及前人研究成果總結，發(fā)現(xiàn)影響質點峰值振動速度與頻率的三個重要因素為：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爆破振動速度進行回歸分析[9]：

(1)

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

對式(1)兩邊取對數(shù)得：

(2)

利用最小二乘法和線性回歸方程對表1中的監(jiān)測數(shù)據(jù)分別計算三個振動方向的參數(shù)k、α，并用origin進行線性擬合，求得隧道爆破振動波振動速度在地表中的傳播衰減規(guī)律.線性回歸方程以z方向為例，如圖4所示，x、y方向擬合參數(shù)見表2.

圖4 z方向質點振動速度線性擬合結果

表2 X與Y方向擬合參數(shù)

z方向振動速度的擬合結果：k=48.959,α=1.272，即爆破振動速度衰減方程為：

(3)

x方向振動速度擬合結果：k=151.563,α=1.927，即爆破振動速度衰減方程為：

(4)

y方向振動速度擬合結果：k=199.937,α=2.005，即爆破振動速度衰減方程為：

(5)

通過分析3個方向的振動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，說明地質條件以及空間方位對隧道掘進爆破振動衰減規(guī)律有較大的影響，這與文獻[3]結論相近.地表監(jiān)測點距離爆源較遠，中夾巖構造復雜，同時隧道掘進爆破使圍巖及周圍傳播介質受到不同程度的擾動，增強巖體各向異性.炸藥爆炸后，波從爆破點向各個方向輻射，對周圍土巖介質產(chǎn)生不同程度的擾動，在離擾動中心較遠處，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方向測點，質點振動傳播衰減規(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(文獻[10-11]對高程放大效應進行了詳細說明)，振速明顯大于其他兩個方向，場地系數(shù)偏于體現(xiàn)優(yōu)質巖性，即z方向的k值小于其他兩個方向.盡管三個方向求得的爆破振動速度衰減公式不一致，但總體與實際相符，且相關系數(shù)均大于80%，因此本次監(jiān)測結果通過薩道夫斯基公式進行擬合得到的爆破振動衰減規(guī)律較為合理.

4.2 爆破振動頻譜分析

為更好的減小周邊建筑物受爆破掘進施工的影響，避免其與爆破振動波產(chǎn)生共振現(xiàn)象，《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[12]將爆破振動頻率納入重要的考慮因素，結合反應譜分析深入研究爆破振動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判斷準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，不適合應用在非平穩(wěn)、非線性的爆破振動信號中[13].目前主要采用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)做爆破振動信號頻譜分析，該算法克服了傳統(tǒng)傅里葉變換局部分析能力差的缺點，且使計算機計算離散傅里葉變化所需要的乘法運算次數(shù)大大減少，提高變換速度[14].

利用MATLAB軟件編程對所有測點波形進行FFT變換，得到隧道爆破振動下地表各測點3個方向頻譜圖和主頻率的關系.本文以第三次爆破的測點4和測點2為例，闡述其規(guī)律，如圖6～11所示.通過對比可知，距離爆源比較近的測點4爆破振動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，隨著測點與爆源之間距離的增大，高頻成分比低頻成分衰減得快，導致爆破振動頻譜曲線向低頻區(qū)域發(fā)展.測點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.結合我國爆破安全規(guī)程和施工現(xiàn)場實測數(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崇禮隧道下穿和平村振動速度安全性進行計算，當掌子面掘進至下穿段最不利位置時，最大單段藥量應控制在38.4kg以內(nèi).隧道掌子面施工至下穿段，及時調(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，同時總裝藥量減少至174kg，監(jiān)測結果顯示最大振動速度為1.8736cm/s，爆破振動速度得到了有效控制.

圖5 測點4第三次爆破X方向振動頻譜圖 圖6 測點4第三次爆破Y方向振動頻譜圖

圖7 測點4第三次爆破Z方向振動頻譜圖 圖8 測點2第三次爆破X方向振動頻譜圖

圖9 測點2第三次爆破Y方向振動頻譜圖 圖10 測點2第三次爆破Z方向振動頻譜圖

5 爆破振動能量衰減規(guī)律分析

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

(6)

式中xi,j(tj)為原始爆破振動信號經(jīng)小波包分解到節(jié)點(i,j)(第i層第j頻帶)上的重構信號，其中j=0,1,2…，2i-1.對應第i層信號分量的能量為：

(7)

式中：xi,j為離散點對應的振動速度幅值；vj,m表示重構信號；n為爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)采樣長度；m為離散點個數(shù)，m=1,2…n.

爆破振動信號總能量為：

(8)

各頻帶的能量比例為：

(9)

根據(jù)式(6)～(9)編寫MATLAB代碼得到振動信號能量在頻率范圍內(nèi)的具體分布特征[11].分析第三次爆破振動引起地表各測點爆破振動信號各頻段能量百分比，見圖11～15.爆破振動信號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z方向也是振動速度最大的方向，而振動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，低頻大振速高能量的z方向是監(jiān)測工作關注的重點.

圖11 1#測點三向能量頻域分布圖

圖12 2#測點三向能量頻域分布圖 圖13 3#測點三向能量頻域分布圖

圖14 4#測點三向能量頻域分布圖 圖15 5#測點三向能量頻域分布圖

6 結 論

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

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

(3)爆破振動信號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，同時又是峰值振速方向，故在隧道下穿既有村莊爆破施工時，垂直向是監(jiān)測工作關注的重點.