隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)在地表及上部巖體傳播特征?

費(fèi)鴻祿國(guó)志雨楊智廣曲廣建高 英遼寧工程技術(shù)大學(xué)爆破技術(shù)研究院（遼寧阜新，123000）廣州中爆數(shù)字信息科技股份有限公司（廣東廣州，510670）華南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院（廣東廣州，510641）

隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)在地表及上部巖體傳播特征?

費(fèi)鴻祿①國(guó)志雨①楊智廣①曲廣建②高 英③
①遼寧工程技術(shù)大學(xué)爆破技術(shù)研究院（遼寧阜新，123000）
②廣州中爆數(shù)字信息科技股份有限公司（廣東廣州，510670）
③華南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院（廣東廣州，510641）

為了解隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)信號(hào)在地表及上部巖體內(nèi)傳播的特征，以鶴大高速小溝隧道掘進(jìn)爆破為工程背景進(jìn)行研究。對(duì)地表部分，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)后利用小波包分析對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)去噪重構(gòu)處理，對(duì)得到的純凈信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析及能量分布研究，進(jìn)而得出振動(dòng)信號(hào)沿地表的頻率分布規(guī)律及能量衰減規(guī)律。對(duì)上部巖體，利用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬，提取關(guān)鍵點(diǎn)振速，分析得出開(kāi)挖與未開(kāi)挖兩側(cè)振動(dòng)信號(hào)在隧道上部巖體內(nèi)傳播過(guò)程中的質(zhì)點(diǎn)振速與能量衰減規(guī)律。為隧道爆破掘進(jìn)動(dòng)力響應(yīng)研究、爆破震害評(píng)估和爆破設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供依據(jù)。

振動(dòng)信號(hào)；地表及上部巖體；小波包分析；LS-DYNA數(shù)值模擬；傳播特征

引言

作為爆破信息的載體，振動(dòng)信號(hào)的獲取與分析始終是爆破工程的重要研究?jī)?nèi)容，尤其在當(dāng)今數(shù)字爆破的大趨勢(shì)下，振動(dòng)信號(hào)數(shù)字化處理與研究對(duì)爆破震害的控制、爆破施工數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)皆具有重要意義［1］。

信號(hào)去噪是爆破振動(dòng)信號(hào)分析的首要步驟。近年來(lái)，小波包變換取得了快速發(fā)展。小波包分解對(duì)低頻部分、高頻部分均可分解，克服了小波分解的局限性，比小波分解更為精細(xì)。研究證明，小波包及其衍生算法［2-3］能夠更準(zhǔn)確地提取爆破地震波中不同頻帶下的振動(dòng)分量，更清晰地研究各頻帶下爆破地震波的時(shí)頻特征及能量分布特征［4-5］，更清楚地揭示爆炸能量的傳播及衰減規(guī)律［6-7］，為現(xiàn)行的考慮質(zhì)點(diǎn)振速和頻率等多指標(biāo)的爆破振動(dòng)安全綜合判據(jù)［8-9］研究提供精確的數(shù)據(jù)信息，為深入研究隧道掘進(jìn)爆破地震效應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境的振動(dòng)響應(yīng)［10］提供可靠的依據(jù)。

利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與信號(hào)處理手段可準(zhǔn)確分析振動(dòng)信號(hào)沿地表的分布規(guī)律，但對(duì)于地表以下、掌子面以上的巖體內(nèi)部空間，顯然很難進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)，而工程中往往遇到相鄰隧道、管溝爆破施工的復(fù)雜情況，使研究振動(dòng)信號(hào)在地表以下空間的傳播規(guī)律變得十分必要。所以，筆者在分析振動(dòng)信號(hào)沿地表衰減規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用ANSYS/LS-DYNA軟件根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行爆破掘進(jìn)數(shù)值模擬，提取關(guān)鍵點(diǎn)振速，分析開(kāi)挖與未開(kāi)挖兩側(cè)振動(dòng)信號(hào)在巖體內(nèi)部的振速與能量衰減規(guī)律。

1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1.1工程概況

鶴大高速小溝隧道［11］位于吉林通化境內(nèi)。在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，圍巖主要為Ⅳ、Ⅲ級(jí)玄武巖。隧道掘進(jìn)采用光面爆破技術(shù)，為避免爆破振動(dòng)疊加導(dǎo)致振動(dòng)過(guò)大［12］，使用微差間隔不小于50 ms的導(dǎo)爆管雷管。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)處于Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)段的隧道掘進(jìn)使用全斷面一次爆破成型；對(duì)處于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖使用臺(tái)階法施工。

1.2監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)集中于K523+960～K525+110段。該段圍巖主要為強(qiáng)、中風(fēng)化杏仁狀玄武巖，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，巖體飽和抗壓強(qiáng)度Rc=6.2 MPa，巖石完整系數(shù)Kv=0.11，巖體無(wú)斷層，可基本排除地質(zhì)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響。由于研究的是隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)在上部地表的響應(yīng)，因此，主要對(duì)上臺(tái)階爆破引起的地面振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

本次試驗(yàn)共進(jìn)行5組監(jiān)測(cè)（1#、2#、3#、4#、5#），每組監(jiān)測(cè)分別設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（A、B、C、D、E），各組測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置相同。如圖1所示，其中B點(diǎn)位于掌子面正上方，相鄰各點(diǎn)水平間距均為10 m。

1.3監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)共獲取5組爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，以第4組為例進(jìn)行分析（表1）。該次爆破掘進(jìn)共使用炸藥108.0 kg，最大一段起爆藥量為23.1 kg。將D點(diǎn)y方向振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)記為D（y），以D（y）為研究對(duì)象進(jìn)行小波包去噪重構(gòu)處理及時(shí)頻、能量譜分析。

2 振動(dòng)信號(hào)的小波包分析

2.1小波包去噪

本次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器采用TC-4850爆破測(cè)振儀，信號(hào)的記錄時(shí)長(zhǎng)為2 s，采集頻率為2 000 Hz，其奈奎斯特頻率為1 000 Hz。

用小波包分解法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行3層小波包分解，其二叉樹(shù)如圖2所示。小波包分解與重構(gòu)算法［13］不再贅余。

采用db8作為基函數(shù)，應(yīng)用Matlab平臺(tái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波包分析。將D（y）信號(hào)進(jìn)行小波包去噪，得到的重構(gòu)信號(hào)與原信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

表1　質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.1 Monitoring results of particle vibration

對(duì)比可知，由于低頻部分所含噪聲信號(hào)很少，所以去噪后變化微小；大部分的高頻噪聲信號(hào)被過(guò)濾掉，使高頻部分變得相對(duì)順滑。

2.2振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻分析

為更加直觀地反映振動(dòng)信號(hào)去噪效果，利用Matlab繪制振動(dòng)信號(hào)D（y）去噪前、后的三維小波包時(shí)頻圖，圖4中，C為主振頻帶能量百分比。

在去噪后的時(shí)頻圖中，中、高頻部分以及0.5 s之后區(qū)域的信號(hào)能量大幅削減，干擾成分明顯減少，爆破振動(dòng)信號(hào)的能量分布更加集中于低頻區(qū)域，可以認(rèn)為得到了基本純凈的爆破振動(dòng)信號(hào)。

2.3振動(dòng)信號(hào)能量譜分析

根據(jù)Parseval定理［14］，可得爆破振動(dòng)信號(hào)的能量譜為:

式中:xj，k（j=0，1，2，…，2i-1；k=1，2，…，n）為fi，j（tj）離散點(diǎn)的幅值；n為爆破振動(dòng)信號(hào)采集點(diǎn)數(shù)。

爆破振動(dòng)信號(hào)S（t）的總能量P為:

爆破振動(dòng)信號(hào)S（t）小波包分解到第i層時(shí)，各頻帶能量占信號(hào)總能量的比例C為:

利用Matlab編程求得并繪制振動(dòng)信號(hào)D（y）去噪前、后各頻帶能量分布規(guī)律，如圖5所示。

由圖5可知，信號(hào)D（y）去噪后，高頻部分能量顯著減少，基本為零，能量分布更加向低頻區(qū)域集中，表明振動(dòng)信號(hào)能量主要集中于200 Hz以內(nèi)的低頻部分。

2.4振動(dòng)信號(hào)沿地表衰減規(guī)律分析

對(duì)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)分量進(jìn)行小波包去噪重構(gòu)，并進(jìn)行能量譜分析，得到各振動(dòng)分量的主頻帶、總能量及主頻帶能量比，如表2所示。

表2　質(zhì)點(diǎn)能量譜分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of particle energy spectrum

由表2可知，各信號(hào)分量的主頻帶都集中于0～200 Hz之間，主頻帶能量占總能量的比例達(dá)60%～91%。證明雖然爆破振動(dòng)信號(hào)的能量在頻域上廣泛分布，但絕大部分能量主要集中在低頻部分。

以隧道軸線方向?yàn)樽鴺?biāo)軸，隧道掘進(jìn)方向?yàn)檎较颍瑒t各點(diǎn)在坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)可表示為:A（-10）、B（0）、C（10）、D（20）、E（30）。由此繪制各測(cè)點(diǎn)不同方向主頻率及總能量隨距離的變化曲線如圖6、圖7所示。

通過(guò)對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主頻帶與能量的衰減規(guī)律分析，可得出以下結(jié)論:

1）各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主頻均處于200 Hz以內(nèi)的低頻區(qū)，掌子面正上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)主頻最高，在地表沿隧道向兩側(cè)逐漸衰減，且隨著距離的增大，主頻衰減逐漸變緩；各振動(dòng)分量中，垂向（z）分量主頻最大。

2）掌子面正上方地表的監(jiān)測(cè)點(diǎn)總能量最高，在地表沿隧道向兩側(cè)具有與主頻相似的衰減規(guī)律。

3）隨著爆心距的增大，振動(dòng)頻率具有衰減特性，若周圍有建（構(gòu)）筑物存在，當(dāng)頻率衰減到與建（構(gòu)）筑物的固有頻率接近時(shí)，建（構(gòu)）筑物便可能會(huì)發(fā)生破壞。

4）在監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)波的3個(gè)分量中，垂向（z）主頻均大于徑向（x）與切向（y）主頻，而振動(dòng)波垂向（z）分量所含能量均小于徑向（x）與切向（y）分量所含能量。由此可知，在爆破振動(dòng)波的傳播過(guò)程中，徑向（x）與切向（y）分量頻率低、衰減慢、攜帶能量較多，是造成振動(dòng)破壞的主要原因。

3 隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)數(shù)值模擬

利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與信號(hào)處理手段獲得了振動(dòng)信號(hào)沿地表的衰減規(guī)律，但是對(duì)于地表以下、掌子面以上的內(nèi)部空間無(wú)法進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)。因工程中往往遇到相鄰隧道、管溝爆破施工的復(fù)雜情況，為研究地表以下巖體空間爆破振動(dòng)規(guī)律，利用軟件ANSYS/LSDYNA進(jìn)行爆破掘進(jìn)數(shù)值模擬。

3.1模型建立與參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，忽略地表起伏影響，建立大小為60 m×40 m×60 m的立方體模型，如圖8 （a）所示。在隧道軸線所在垂直平面內(nèi)，掌子面兩側(cè)10 m處選取若干關(guān)鍵點(diǎn)，其位置及編號(hào)如圖8 （b）所示，豎直方向各點(diǎn)間距皆為10 m。

為防止地震波在模型界面處發(fā)生反射，將周邊四面及下底面設(shè)置為無(wú)反射邊界條件，上表面設(shè)置為自由邊界。巖體與炸藥皆選擇Solid164單元，因炸藥單元體積非常小，為提高計(jì)算精度，采用由外向內(nèi)尺寸逐漸收縮的自由網(wǎng)格劃分方式，共劃分為133 344個(gè)單元。

巖石采用非線性塑性模型Plastic_Kinematic材料模型，該模型是具有應(yīng)變率效應(yīng)的各向同性塑性隨動(dòng)強(qiáng)化材料，可模擬爆炸荷載作用下巖體應(yīng)變率，明顯提高的力學(xué)特性。

炸藥采用High_Explosive_Burn模型及JWL狀態(tài)方程加以描述。炸藥類型為2#巖石乳化炸藥，按實(shí)際施工起爆順序起爆。

巖體及炸藥參數(shù)選取如表3、表4所示。

表3　巖石力學(xué)參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of rock

表4　炸藥力學(xué)參數(shù)Tab.4 Mechanical parameters of explosive

炸藥單元材料常數(shù)取值如下:A=214 Pa，B= 1.82×108Pa，R1=4.15，R2=0.95，ω=0.3。

3.2模擬結(jié)果分析

提取關(guān)鍵點(diǎn)振動(dòng)速度分量，其中x向?yàn)樗淼垒S（徑）向，y向?yàn)樗淼浪角邢?，z向?yàn)榇怪狈较?。將關(guān)鍵點(diǎn)距隧道頂面的垂直距離定義為L(zhǎng)。

據(jù)此分析在開(kāi)挖與未開(kāi)挖兩側(cè)，上部巖體不同位置處質(zhì)點(diǎn)振速（v）與質(zhì)點(diǎn)能量（P）［15］的變化規(guī)律。分別如圖9、圖10所示。

3.3地表處實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

為驗(yàn)證數(shù)值模擬和合理性，提取地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制地表質(zhì)點(diǎn)振速實(shí)測(cè)曲線如圖11（a）所示；提取數(shù)值模擬在地表相應(yīng)位置處質(zhì)點(diǎn)振速，繪制地表質(zhì)點(diǎn)振速模擬曲線如圖11（b）所示。

由圖11可知，兩質(zhì)點(diǎn)振速曲線具有相同的變化規(guī)律，在掌子面正上方質(zhì)點(diǎn)振速最大，向兩側(cè)呈逐漸衰減趨勢(shì)。由此可知，該模擬符合工程實(shí)際，具有可靠性。

根據(jù)數(shù)值模擬可得出如下結(jié)論:

1）在靠近隧道頂面位置，兩側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)水平分量相差很大，這是由于開(kāi)挖隧道的存在使開(kāi)挖側(cè)水平振動(dòng)迅速衰減；而垂直分量相差不大，這可能是由于已開(kāi)挖側(cè)隧道為垂直振動(dòng)提供了臨空面，使開(kāi)挖側(cè)垂直振速有所增大。

2）在接近地表位置，兩側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)徑向及切向分量相差不大，而未開(kāi)挖側(cè)垂向振速明顯大于開(kāi)挖側(cè)，說(shuō)明炸藥將巖石拋出的同時(shí)消耗很多能量，使開(kāi)挖側(cè)振動(dòng)能量較低。

3）在開(kāi)挖側(cè)，水平方向振速沿隧道頂面到地表先增大后逐漸衰減，可能是由于地震波入射角度的不同，加之各種波之間的相互疊加，致使水平方向振動(dòng)峰值發(fā)生在該區(qū)域內(nèi)部；垂直方向振速則逐漸衰減，到地表處由于自由面的存在又略有升高。

4）在未開(kāi)挖側(cè)，水平和垂直方向的速度分量都是隨著高程的增加而逐漸減少，在地面處同時(shí)略有增加。

5）在地表處，模擬得到的振速比實(shí)測(cè)振速偏大，可能是由于實(shí)際巖體存在大量節(jié)理裂隙，使地震波能量大幅衰減；而模擬將巖體設(shè)為理想化彈塑性模型，所以模擬數(shù)據(jù)偏大。

4 結(jié)論

1）利用小波包分析方法，分別對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)分量進(jìn)行處理，建立了沿隧道方向振動(dòng)信號(hào)在地表處主頻及總能量衰減規(guī)律，為減小和避免爆破震害提供方法依據(jù)。

2）在爆破振動(dòng)的傳播過(guò)程中，水平分量頻率低、衰減慢、攜帶能量較多；垂直分量傳播至地表時(shí)由于自由面的存在，使振速有所增大。

3）通過(guò)ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行隧道爆破掘進(jìn)數(shù)值模擬，提取關(guān)鍵點(diǎn)振動(dòng)速度，研究得出了開(kāi)挖與未開(kāi)挖兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振速及能量在巖體內(nèi)部的衰減規(guī)律，為相鄰隧道、管溝等爆破掘進(jìn)提供指導(dǎo)。

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Propagation Characteristics of Tunnel Excavation Blasting Vibration on Surface and in Upper Rock Mass

FEI Honglu①，GUO Zhiyu①，YANG Zhiguang①，QU Guangjian②，GAO Ying③
①Blasting Technology Research Institute，Liaoning Technical University（Liaoning Fuxin，123000）
②Guangzhou China-blasting Digital Information Technology Co.，Ltd.（Guangdong Guangzhou，510670）
③South China University of Technology，School of Computer Science and Engineering（Guangdong Guangzhou，510641）

In order to know the propagation characteristics of tunnel excavation blasting vibration on surface and in upper rock mass，blasting excavation of Xiaogou Tunnel at Heda Express Way was studied.For the earth's surface，conduct，using wavelet packet analysis method was used after site monitoring in signal denoising and reconstruction process. And time frequency analysis and energy distribution of the pure vibration signal were obtained.Then，frequency distribution law of vibration signal and energy attenuation law were got.For the upper rock mass，ANSYS/LS-DYNA software was used to simulate blasting excavation and extract vibration velocity at key points.And vibration signal particle velocity and energy attenuation law from both sides of the excavation and excavation in upper rock mass were analyzed.It provides the basis for the research on dynamic response of tunnel blasting excavation，improvement of blasting damage assessment and blasting design.

vibration signal；surface and upper rock mass；wavelet packet analysis；LS-DYNA numerical simulation；propagation characteristics

TD235.1；O382+.2

10.3969/j.issn.1001-8352.2016.04.012

2016-01-28

費(fèi)鴻祿（1963-），男，教授，博導(dǎo)，從事工程爆破、地下工程教學(xué)和科研工作。E-mail:feihonglu@163.com

國(guó)志雨（1992-），男，碩士，主要從事地下工程方面的研究。E-mail:970222803@qq.com