興延高速澆花峪隧道爆破振動(dòng)測(cè)試分析研究

江雅勤， 劉殿書(shū), *， 武 宇， 謝 烽， 袁 達(dá)， 張會(huì)歌

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083； 2. 北方爆破科技有限公司， 北京 100089)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)隧道掘進(jìn)仍然以鉆爆法為主，爆破振動(dòng)嚴(yán)重影響了隧道的施工安全及施工效率，會(huì)對(duì)襯砌及圍巖造成嚴(yán)重的損傷，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全[1-4]。國(guó)內(nèi)關(guān)于爆破振動(dòng)的研究主要集中在振速和主頻的衰減規(guī)律上。卓效明[5]為了研究不同級(jí)別圍巖中振速的衰減規(guī)律，通過(guò)隧道爆破振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)獲得了近千個(gè)數(shù)據(jù)，然后分別對(duì)隧道縱、橫斷面及掌子面附近的振速進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)平行于掌子面同一斷面上邊墻處的振速大于拱頂?shù)恼袼?，但也存在少?shù)相反情況。饒?jiān)鯷6]對(duì)實(shí)測(cè)的隧道振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，利用薩道夫斯基公式對(duì)振速擬合，得到了隧道振速的衰減公式。傅洪賢等[7]對(duì)隧道爆破近區(qū)的圍巖進(jìn)行了振速監(jiān)測(cè)，通過(guò)大量的測(cè)試數(shù)據(jù)得出了隧道掌子面后方拱頂、掌子面正上方和側(cè)面圍巖的爆破振動(dòng)規(guī)律，平行于掌子面同一斷面上拱頂處的質(zhì)點(diǎn)峰值速度大于拱腳和邊墻處的質(zhì)點(diǎn)峰值速度。陸瑜[8]利用數(shù)值模擬手段，以隧道循環(huán)進(jìn)尺為變量，分析了隧道拱頂、拱腳和邊墻部位圍巖的質(zhì)點(diǎn)速度，發(fā)現(xiàn)隨著與掌子面距離的增大，圍巖質(zhì)點(diǎn)的峰值振速先是急劇衰減而后平緩衰減，隧道循環(huán)進(jìn)尺越大對(duì)圍巖的擾動(dòng)越嚴(yán)重。文獻(xiàn)[9-10]的研究表明，振動(dòng)信號(hào)不同的頻帶對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也有所不同，由小波分析法可以清晰地得到振動(dòng)信號(hào)各個(gè)頻帶的信息，能夠更好地確定振動(dòng)對(duì)隧道工程結(jié)構(gòu)的影響。

目前關(guān)于爆破施工隧道內(nèi)振動(dòng)速度及其傳播規(guī)律的研究成果仍較缺乏，理論體系仍不成熟。因此，采用隧道爆破工程現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)研究隧道爆破的振動(dòng)規(guī)律非常有意義。本文結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，從信號(hào)的不同頻帶方面研究隧道不同位置的爆破振動(dòng)，對(duì)隧道上臺(tái)階爆破掘進(jìn)過(guò)程中初期支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到振速的傳播規(guī)律、主頻大小及能量分布，可為爆破振速預(yù)測(cè)及初期支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的安全防護(hù)提供指導(dǎo)。

1 工程背景

試驗(yàn)依托于北京興延高速公路澆花峪右線隧道爆破掘進(jìn)工程，隧道拱頂至地表的距離為24～26 m，為淺埋隧道，區(qū)域內(nèi)地勢(shì)較平坦。澆花峪隧道采用兩臺(tái)階掘進(jìn)爆破施工，單次開(kāi)挖面尺寸較大，歷次爆破總藥量均超過(guò)200 kg，爆破地震效應(yīng)明顯。為減小爆破施工中的振動(dòng)，防止隧道結(jié)構(gòu)破壞，隧道上臺(tái)階采用掘進(jìn)爆破，下臺(tái)階采用水平孔拉槽爆破。爆破時(shí)上、下臺(tái)階開(kāi)挖面相距70 m以上，上臺(tái)階開(kāi)挖高度為7.8 m，開(kāi)挖面積為90.5 m2，下臺(tái)階開(kāi)挖面積為59.5 m2。上臺(tái)階炮孔布置如圖1所示。振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)段均為Ⅲ級(jí)圍巖，爆破參數(shù)如表1所示。上臺(tái)階爆破掘進(jìn)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)里程YK28+190～+354的隧道初期支護(hù)襯砌振動(dòng)情況。

(a) 橫剖面圖

(b) 俯視圖

炮孔名稱段位炮孔數(shù)量孔深/m裝藥量/kg掏槽孔18～103.2～4 24～38擴(kuò)槽孔138 3～3.8 18～28.4擴(kuò)槽孔258 3～3.6 16～26.8崩落孔178 3～3.2 16～24.2崩落孔2982.4～3 16～19.2崩落孔31162.4～314.4～16.8崩落孔4942.2～2.89.6～12崩落孔51122.2～2.8 4～6周邊孔13261.8～2 22～28底板孔1743.2～3.69.6～12底板孔2943.2～3.69.6～12底板孔3158 4～514.4～19.2

2 試驗(yàn)方案

選取距離掌子面38 m處的隧道斷面作為首次測(cè)試斷面。為研究隧道鉆爆施工時(shí)拱形結(jié)構(gòu)的振動(dòng)效應(yīng)，在測(cè)試斷面拱頂、拱腰和邊墻處各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，采集爆破掘進(jìn)時(shí)測(cè)點(diǎn)的的振動(dòng)數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

在布置測(cè)點(diǎn)時(shí)，為了保證整個(gè)測(cè)試過(guò)程不出現(xiàn)儀器脫落的情況，分別在拱頂、拱腰和邊墻處進(jìn)行鉆孔，并采用固定卡將傳感器固定在待測(cè)位置，然后采用錨固劑使待測(cè)位置平整并加強(qiáng)固定效果，最終使傳感器與隧道初期支護(hù)襯砌剛性連接，傳感器布置方式如圖3所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 傳感器布置方式示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 振動(dòng)規(guī)律分析

在隧道拱頂、拱腰和邊墻測(cè)點(diǎn)處共測(cè)得69組有效數(shù)據(jù)，對(duì)69組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。表2僅示出了隧道拱頂、拱腰和邊墻測(cè)點(diǎn)處的部分測(cè)試數(shù)據(jù)。

利用薩道夫斯基公式對(duì)隧道拱頂、拱腰及邊墻處垂直方向、水平切向及水平徑向的振速與比例距離的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合得到的振速樣本和回歸曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，無(wú)論在哪個(gè)方向上，總有振速v拱頂>v拱腰>v邊墻，且隨著比例距離的增加，3個(gè)方向的振速逐漸接近，當(dāng)比例距離增加至一定數(shù)值時(shí)，3個(gè)方向的振速可能會(huì)重合。

為了研究隧道爆破過(guò)程中不同方向上地震波的衰減規(guī)律，采用薩道夫斯基公式對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，回歸后的K、α分別如表3和表4所示。

由表3可知： 隧道拱頂垂直方向、水平切向和水平徑向振速的K值均大于其他測(cè)試位置相應(yīng)方向振速的K值。在相同條件下，拱頂?shù)恼袼僮畲?，且其垂直方向振速較水平切向和水平徑向振速大； 隨著傳播路徑的延長(zhǎng)振動(dòng)波逐漸衰減，與其他測(cè)試位置相比，拱頂?shù)谋剖Ｓ嗄芰孔畲?。由?可知： 拱頂垂直方向、水平切向和水平徑向的α絕對(duì)值均大于其他測(cè)試位置相應(yīng)方向的α絕對(duì)值，說(shuō)明拱頂振速衰減最快，且其垂直方向振速比其他2個(gè)方向的振速衰減快。

表2 隧道拱頂、拱腰和邊墻測(cè)點(diǎn)部分測(cè)試數(shù)據(jù)

(a) 拱頂

(b) 拱腰

(c) 邊墻

Fig. 4 Vibration velocity samples and regression curves of tunnel crown top, hance and sidewall

表3 測(cè)試位置3個(gè)方向的K值

表4 測(cè)試位置3個(gè)方向的α值

3.2 主頻分析

將隧道爆破振動(dòng)測(cè)試中獲得的94組地面振動(dòng)波形作為樣本，隧道拱頂、拱腰和邊墻垂直方向部分振動(dòng)主頻如表5所示。

表5隧道拱頂、拱腰和邊墻垂直方向振動(dòng)主頻

Table 5 Basic vibration frequency of tunnel crown top, hance and sidewall along vertical direction

測(cè)點(diǎn)編號(hào)爆心距R/m總裝藥量Q/kg比例距離/(m/kg1/3)拱頂主頻/Hz拱腰主頻/Hz邊墻主頻/Hz1382226.2852.2658.7971.8526322210.433.1037.2445.5239222215.1934.3938.6947.294422186.9853.9460.6874.165522188.6469.3978.0795.416451797.2688.2999.32121.407551798.8881.4791.66112.0287017911.327.4330.8637.7299917915.9814.7416.5820.26

利用主頻回歸分析方法[11]分別對(duì)拱頂、拱腰以及邊墻處的爆破振動(dòng)主頻進(jìn)行回歸，隧道拱頂、拱腰和邊墻處垂直方向振動(dòng)主頻回歸曲線如圖5所示。

由圖5主頻回歸曲線可知，隧道圍巖不同位置處的振動(dòng)主頻存在差異，大小關(guān)系為：f拱頂>f邊墻>f拱腰。從隧道圍巖各位置處的振速分布規(guī)律可知，隨著測(cè)點(diǎn)與爆源距離的增加，各個(gè)位置的振速差異不大，在振速相同或者接近時(shí)，拱腰位置的主頻最低。因此，從振速-主頻的安全判據(jù)來(lái)看，拱腰位置出現(xiàn)破壞情況的風(fēng)險(xiǎn)最大。

3.3 振動(dòng)信號(hào)的小波分析

3.3.1 頻帶分析

選取藥量為222 kg時(shí)距離掌子面67 m處拱頂、拱腰和邊墻(分別記為sd、sy和sb)的振動(dòng)波形進(jìn)行分析[12-13]。爆破參數(shù)如表6所示。

(a) 拱頂

(b) 拱腰

(c) 邊墻

f為主頻，Hz。

圖5隧道拱頂、拱腰和邊墻處垂直方向振動(dòng)主頻回歸曲線

Fig. 5 Regression curves of basic vibration frequency of tunnel crown top, hance and sidewall along vertical direction

信號(hào)的采樣頻率設(shè)置為2 000 Hz，則其奈奎斯特頻率為1 000 Hz[14]。因此，采用sym5小波基將信號(hào)進(jìn)行9層分解，共10個(gè)頻帶，即D1(500～1 000 Hz)、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9和A9，其是由高頻到低頻進(jìn)行排列的，然后重構(gòu)不同頻帶的分解系數(shù)。sd信號(hào)的小波分解和重構(gòu)如圖6所示，可以直觀地了解sym5小波基的分解效果。

表6 距離掌子面67 m處的爆破參數(shù)

經(jīng)小波分解后的信號(hào)，高頻分量為D1—D9，低頻分量為A9。D1為信號(hào)分解出的9個(gè)分量中頻率最高的部分，峰值振速為0.172 29 cm/s，而原始波形的峰值振速為0.956 1 cm/s，說(shuō)明拱頂振動(dòng)的高頻部分能量占比很大。D2、D3和D4信號(hào)頻率較低，振速較大，其中D4信號(hào)的振速最大，且接近于原始信號(hào)的最大振速，達(dá)到了0.967 cm/s。參照小波分解每個(gè)波段的頻帶，D4為振動(dòng)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)頻段，能量占比最大，在同等條件下，拱腰和邊墻D4頻帶的振速小于拱頂?shù)恼袼佟9的頻率最低，但是其峰值振速小，即所攜帶的能量也很小，雖然持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，但是不會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成危害。

對(duì)sy、sb信號(hào)進(jìn)行小波分解后發(fā)現(xiàn)，位置不同，優(yōu)勢(shì)頻帶也在發(fā)生變化。拱頂振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)頻帶集中在中高頻區(qū)域，邊墻振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)頻帶集中在中低頻區(qū)域，拱腰振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)頻帶集中在低頻區(qū)域。當(dāng)優(yōu)勢(shì)頻帶向A9靠攏時(shí)，頻帶主頻接近于結(jié)構(gòu)自振頻率，且耦合性越好，引起的振動(dòng)越強(qiáng)烈，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的危害也越大。

3.3.2 小波能量分析

爆破地震波的產(chǎn)生、傳播以及對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響過(guò)程，本質(zhì)是能量在傳播介質(zhì)中傳遞和轉(zhuǎn)移的過(guò)程。不同頻帶振動(dòng)分量的振動(dòng)強(qiáng)度直接由其相應(yīng)小波頻帶能量的大小反映，由此可獲取不同頻帶振動(dòng)分量下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性。各頻帶的能量及能量占比可根據(jù)文獻(xiàn)[15]中的公式計(jì)算。

分別對(duì)距掌子面67 m處的sd、sy和sb 3個(gè)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波分解，然后繪出各頻帶的能量占比。不同位置處各頻帶的能量分布情況如圖7所示，隧道不同位置各頻帶的能量占比如表7所示。

(a) 重構(gòu)信號(hào) (b) 原始信號(hào)

(c) 重構(gòu)信號(hào)誤差 (d) 重構(gòu)信號(hào)D1

(e) 重構(gòu)信號(hào)D2 (f) 重構(gòu)信號(hào)D3

(g) 重構(gòu)信號(hào)D4 (h) 重構(gòu)信號(hào)D5

(i) 重構(gòu)信號(hào)D6 (j) 重構(gòu)信號(hào)D7

(k) 重構(gòu)信號(hào)D8 (l) 重構(gòu)信號(hào)D9

(m) 重構(gòu)信號(hào)A9

PPV為質(zhì)點(diǎn)峰值振速。

圖6 sd信號(hào)的小波分解和重構(gòu)

Fig. 6 Wavelet decomposition and reconstruction of sd signal

(a) sd信號(hào)

(b) sy信號(hào)

(c) sb信號(hào)

Fig. 7 Energy distributions of every bandwidth in different positions of tunnel

表7隧道不同位置各頻帶的能量占比

Table 7 Energy proportions of every bandwidth in different positions of tunnel

頻帶編號(hào)頻帶/Hz能量占比/%sdsysbD82.9063～7.812513732D77.8125～15.62512.33831D615.625～31.2563318D531.25～62.52211D4 62.5～125111D3 125～250111

通過(guò)上述計(jì)算可知，3～200 Hz頻段集中了爆破振動(dòng)信號(hào)的大部分優(yōu)勢(shì)能量，能量最大值一般出現(xiàn)在主頻率所在的頻帶，高頻部分的能量占比不大。由拱頂、拱腰和邊墻處的能量分布可知，拱頂處的頻率成分相對(duì)單一，頻帶寬度較小，而拱腰和邊墻處的頻率成分相對(duì)較豐富，頻帶寬度較大。其中，拱腰和邊墻處的低頻成分能量占比要遠(yuǎn)高于拱頂，且拱腰位置的低頻能量最高，在振速接近或相同時(shí)，拱腰發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)Ⅲ級(jí)圍巖淺埋隧道爆破過(guò)程中拱頂、拱腰和邊墻位置的振速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到了隧道拱頂、拱腰和邊墻位置的振動(dòng)數(shù)據(jù)，然后對(duì)其振動(dòng)規(guī)律和主頻進(jìn)行了分析，并采用小波分析方法對(duì)各頻帶的特征進(jìn)行了闡述，得出以下結(jié)論。

1)針對(duì)振速3個(gè)方向的分量，總有v拱頂>v拱腰>v邊墻，且隨著比例距離的增加，3個(gè)方向的振速逐漸接近，說(shuō)明隨著比例距離的增加，測(cè)點(diǎn)位置對(duì)振速的影響會(huì)逐漸減小。

2)由主頻回歸曲線可知，隧道圍巖不同位置處的振動(dòng)主頻存在差異，大小關(guān)系為：f拱頂>f邊墻>f拱腰。由不同位置處振速的分布規(guī)律可知，隨著測(cè)點(diǎn)與爆源距離的增加，各個(gè)位置的振速差異不大，拱腰位置的主頻最低，說(shuō)明拱腰位置發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)要大于拱頂和邊墻。

3)爆破振動(dòng)信號(hào)的大部分優(yōu)勢(shì)能量集中在3～200 Hz頻段。由拱頂、拱腰和邊墻的能量分布可知，拱腰和邊墻處的頻率成分相對(duì)較豐富，頻帶寬度較大，拱腰位置的低頻能量最高，說(shuō)明此處發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大。

由于試驗(yàn)條件的限制，本文測(cè)試范圍為距離隧道掌子面38～164 m處，對(duì)<38 m處隧道爆破近區(qū)的振動(dòng)效應(yīng)未進(jìn)行研究。距爆源越近，振動(dòng)越強(qiáng)烈，爆破地震波的時(shí)頻特征變化越快，這無(wú)論是對(duì)試驗(yàn)儀器還是分析方法都提出了更大的挑戰(zhàn)，因此，對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行研究將會(huì)很有價(jià)值。

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