基于小波分析的黑岱溝露天煤礦爆破振動(dòng)對(duì)鄰近橋涵的影響研究

顏 杰

（準(zhǔn)能集團(tuán)黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

黑岱溝露天煤礦目前采用拋擲爆破技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采，爆破拋擲區(qū)附近有1 座新建橋涵，橋涵上部為運(yùn)土車(chē)道，下部2 個(gè)涵洞的主要作用是供車(chē)輛橫穿橋涵。橋涵的洞身由鋼筋混凝土材質(zhì)的箱形管節(jié)修建，橋涵距離北區(qū)爆源的最近僅100 m 左右，爆區(qū)在推進(jìn)過(guò)程中距離橋涵越來(lái)越近，故每次拋擲爆破形成的爆破震動(dòng)對(duì)橋涵產(chǎn)生一定的影響。

針對(duì)爆破振動(dòng)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的影響，許多專家學(xué)者展開(kāi)大量研究。葉海旺[1-2]等人根據(jù)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了爆破振動(dòng)主頻與結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的關(guān)系；夏詳[3]對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)安全判據(jù)做了大量研究，指出要同時(shí)考慮爆破振速峰值和振動(dòng)主頻；李的林[4-5]等人在分析爆破振動(dòng)安全時(shí)，發(fā)現(xiàn)有必要同時(shí)考慮峰值振速和振動(dòng)主頻2 個(gè)指標(biāo)；周傳波[6-7]等研究了在爆破地震害中振動(dòng)頻率的作用及其影響因素，研究表明頻率在爆破震害中起重要作用，爆炸能量、起爆段數(shù)、距離以及傳播介質(zhì)對(duì)爆破振動(dòng)頻率皆有影響，當(dāng)傳播介質(zhì)越松散，并且監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離爆源越遠(yuǎn)的情況下，監(jiān)測(cè)位置的振動(dòng)頻率越低，由于建筑物的固有頻率也比較低，則振動(dòng)頻率與固有頻率比較相近，在很大程度上會(huì)使建筑物發(fā)生共振。

因此，為了確保該橋涵在爆破振動(dòng)中的安全性，對(duì)該橋涵進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)[8]，研究拋擲爆破地震波對(duì)橋涵結(jié)構(gòu)影響規(guī)律，為安全爆破作業(yè)提供依據(jù)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)橋涵爆破震害的有效控制。

1 工程概況

黑岱溝露天煤礦是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自行施工的特大型露天煤礦，隸屬于神華準(zhǔn)能集團(tuán)。位于準(zhǔn)格爾煤田中部，上部黃土層的厚度平均為49 m，下部煤層的平均厚度為28.8 m，礦區(qū)面積大概為30 km2，主要采用深孔臺(tái)階爆破。上層覆蓋黃土的厚度約為10～40 m，主要成分為砂巖、頁(yè)巖等，上覆層發(fā)育的結(jié)理與裂隙，丘陵山區(qū)地貌。

爆破拋擲區(qū)的南面為空曠場(chǎng)地，目前尚未進(jìn)行拋擲爆破，為天然地貌；北面為新建3#、4#破碎站橋涵，即本文所研究建筑物，該橋涵主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)擋墻根據(jù)高度不同采用鋼筋混凝土扶壁式及懸臂式擋墻；基礎(chǔ)墊層采用C15 混凝土，基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)采用C40 混凝土；東面為待開(kāi)采的空曠場(chǎng)地；西面為已拋擲爆破礦區(qū)，在西面的礦區(qū)里有輪斗挖掘系統(tǒng)、電鏟、吊斗鏟、型膠輪式推土機(jī)、履帶式推土機(jī)、裝載機(jī)等設(shè)備。

2 測(cè)點(diǎn)區(qū)爆破振動(dòng)對(duì)橋涵影響研究

2.1 拋擲爆破參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

爆破振動(dòng)測(cè)試主要針對(duì)北2 次、北4 次、北6次、北8 次4 次拋擲爆破，爆破設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

為研究爆破振動(dòng)對(duì)橋涵的影響，在橋涵周?chē)荚O(shè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的x 方向均指向爆源，y方向指向測(cè)點(diǎn)與爆源的垂直方向，z 向?yàn)樨Q直方向，爆破監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖1。

圖1 拋擲爆破測(cè)點(diǎn)布置圖

2018 年3 月— 2018 年12 月在黑岱溝露天煤礦北區(qū)共進(jìn)行了4 次拋擲爆破，除去一些測(cè)點(diǎn)由于各方面的原因造成的數(shù)據(jù)誤差較大無(wú)法使用外，共測(cè)得有效數(shù)據(jù)32 組，北區(qū)部分拋擲爆破振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 北區(qū)部分拋擲爆破振速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 橋涵基礎(chǔ)三分量振動(dòng)分析

在北區(qū)進(jìn)行的4 次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，共獲取共16 組橋涵底部數(shù)據(jù)（測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4），對(duì)16 組進(jìn)行分析，以研究橋涵基礎(chǔ)振動(dòng)規(guī)律，分別為北2 次、北4 次、北6 次、北8 次爆破橋涵底部測(cè)點(diǎn)3 分量振速折線圖如圖2～圖5。

圖2 北2 次爆破橋涵底部3 分量振速圖

圖3 北4 次爆破橋涵底部3 分量振速圖

圖4 北6 次爆破橋涵底部3 分量振速圖

圖5 北8 次爆破橋涵底部3 分量振速圖

為準(zhǔn)確分析得到單段最大藥量對(duì)3 分量振速的影響，選取爆心距相同的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，所選測(cè)點(diǎn)為北2 次、北4 次、北6 次3 次爆破的1#測(cè)點(diǎn)及北8 次的2#測(cè)點(diǎn)，北區(qū)爆破爆心距相同4 組測(cè)點(diǎn)3分量振速折線圖如圖6。

圖6 北區(qū)爆破爆心距相同4 組測(cè)點(diǎn)3 分量振速折線圖

由圖3～圖5 可得，在同一爆次中，對(duì)于橋涵基礎(chǔ)的各測(cè)點(diǎn)3 個(gè)方向的振速與測(cè)點(diǎn)的爆心距的大小成反比，隨著爆心距的增大，3 個(gè)方向的振速變小，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的方向振速V水平徑向＞V垂向＞V水平切向。根據(jù)爆破振動(dòng)安全規(guī)程[9]對(duì)交通隧洞安全允許標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所測(cè)振動(dòng)速度均小于12 cm/s，因此各次爆破作用下，新建橋涵是安全的。此外，由圖6 可以得出，爆心距相同的前提下，隨著單段藥量的增大，3 分量振速都增大，且根據(jù)折線圖可以看出振速3 分量增大的規(guī)律一致，即爆心距相同時(shí)，振動(dòng)速度與單段最大藥量成正比。

2.3 橋涵結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

為探究橋涵基礎(chǔ)和頂部的質(zhì)點(diǎn)峰值振速的規(guī)律，研究橋涵結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，引入速度放大率α，以α 作為評(píng)判基礎(chǔ)和頂部峰值振速的參數(shù)指標(biāo)。

式中：α 為同一爆次中，頂部質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于底部測(cè)點(diǎn)的放大程度；Vdy為同一爆次中，相同距離條件下，橋涵頂部的質(zhì)點(diǎn)振速峰值，m/s；Vdi為同一爆次中，相同距離條件下，橋涵底部的質(zhì)點(diǎn)振速峰值，m/s。

當(dāng)北6 次和北8 次進(jìn)行爆破時(shí)，分別對(duì)相同距離的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行3 分量的速度放大率計(jì)算，橋涵頂部和底部測(cè)點(diǎn)3 分量速度放大率見(jiàn)表3。

表3 橋涵頂部和底部測(cè)點(diǎn)3 分量速度放大率表

由表3，可得在高程對(duì)于3 分量振速的放大效應(yīng)中，水平徑向和水平切向的放大率要明顯高于垂向振速放大率。在同一爆次中，對(duì)于橋涵底部的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)3 個(gè)方向的振速與測(cè)點(diǎn)的爆心距的大小成反比，隨著爆心距的增大，3 方向振速變小，在橋涵底部的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的方向振速V水平徑向＞V垂向＞V水平切向。高程差越大，測(cè)點(diǎn)的高程放大效應(yīng)越明顯。并且在高程對(duì)于三分量振速的放大效應(yīng)中，水平徑向和水平切向的放大率要明顯高于垂向振速放大率。

2.4 橋涵振動(dòng)信號(hào)頻率及能量分析

為準(zhǔn)確獲悉爆破振動(dòng)對(duì)橋涵的影響，以小波作為分析研究方法，從頻率及能量2 個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行分析。同時(shí)，利用MATLAB 對(duì)具有相同爆心距的北2次爆破振動(dòng)1#測(cè)點(diǎn)、北4 次爆破1#測(cè)點(diǎn)、北6 次爆破1#測(cè)點(diǎn)、北8 次爆破2#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，北2 次、北4 次、北6 次、北8 次各頻帶能量分布圖如圖7～圖10。由圖7～圖10 計(jì)算結(jié)果，將4 測(cè)點(diǎn)信號(hào)頻段與能量關(guān)系繪制成折線圖，4#測(cè)點(diǎn)各頻帶能量折線圖如圖11。

圖7 北2 次爆破各頻帶能量分布圖

圖8 北4 次爆破各頻帶能量分布圖

圖9 北6 次爆破各頻帶能量分布圖

圖10 北8 次爆破各頻帶能量分布圖

圖11 4#測(cè)點(diǎn)各頻帶能量折線圖

根據(jù)圖7～圖11 可以得出，北2 次爆破、北8次、北6 次、北4 次爆破測(cè)點(diǎn)的最大能量分別出現(xiàn)在D2 頻段、D3 頻段、D4 頻段，即隨著最大單段藥量的減小，最大能量所出現(xiàn)的頻段逐漸從低頻頻段增大到高頻頻段。例如：北2 次爆破時(shí)，最大能量頻段所占能量達(dá)到58.74%；北8 次爆破時(shí)，最大能量頻段所占能量達(dá)到44.43%；北6 次爆破時(shí)，最大能量頻段所占能量達(dá)到37.63%；北4 次爆破時(shí)，最大能量頻段所占能量達(dá)到29.06%。

分析表明在測(cè)點(diǎn)離爆源的距離大致相同的前提下，頻帶能量最大值所占比例隨著單段最大藥量減小而減小，頻帶能量隨著最大單段藥量的減小而趨于平均化。由于橋涵的振動(dòng)頻率較低，因此在實(shí)際工程爆破中應(yīng)嚴(yán)格控制單段藥量，以減少低頻段地震波的能量。

同理，為準(zhǔn)確獲悉相同藥量不同爆心距監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)頻帶能量變化規(guī)律，選取北6 次爆破振動(dòng)1#測(cè)點(diǎn)、2#測(cè)點(diǎn)、3#測(cè)點(diǎn)、4#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)繪制能量百分比折線圖，最大段藥量相同4 組信號(hào)各頻段能量百分比折線圖如圖12。

圖12 最大段藥量相同4 組信號(hào)各頻段能量百分比折線圖

由數(shù)據(jù)分析可知：大部分優(yōu)勢(shì)能量大部分集中于4～30 Hz 頻段，同時(shí)能量的最大值一般出現(xiàn)在主頻率所在的頻段。此外，從爆心距不同的質(zhì)點(diǎn)的能量分布中可以看出，1#測(cè)點(diǎn)的爆心距最小，頻率相對(duì)單一，最大能量出現(xiàn)在D2 頻段，占比達(dá)到58.74%；4#測(cè)點(diǎn)的爆心距最大，頻率相對(duì)分布均勻，最大能量出現(xiàn)在D2 頻段，占比達(dá)到37.00%。

綜上所述，隨著爆心距的增大，最大能量占比變小，爆破振動(dòng)能量頻帶分布趨于均勻。

4 結(jié)語(yǔ)

橋涵基礎(chǔ)爆破振動(dòng)速度與爆心距成反比，與單段藥量成正比?；谙嗤矫嫖恢玫臏y(cè)點(diǎn)，橋涵上方測(cè)點(diǎn)振速高于橋涵基礎(chǔ)振速，即存在高程放大效應(yīng)，放大率與高程差成正比。黑岱溝露天煤礦爆破振動(dòng)主頻在3～30 Hz 之間，爆破地震波低頻帶所攜帶能量隨著爆心距的增加而減少，隨著單段藥量的增加低頻爆破地震波所占能量增加，因此爆破距離橋涵較近時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制單段起爆藥量。