梁書鋒,凌天龍,李 晨
(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.泰山學(xué)院 機(jī)械與建筑工程學(xué)院,泰安 271000)
近年來,隨著我國(guó)鐵路交通的發(fā)展,高鐵隧道的建設(shè)也如火如荼地進(jìn)行。小凈距隧道作為特殊地形條件下解決鐵路布線的有效結(jié)構(gòu)形式,得到廣泛的應(yīng)用[1]。在小凈距隧道施工中,爆破開挖會(huì)對(duì)臨近既有隧道造成一定的擾動(dòng),影響已有結(jié)構(gòu)的安全[2]。因此,開展小凈距隧道爆破開挖及其振動(dòng)效應(yīng)研究,分析臨近隧道之間的相互影響,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者在小凈距隧道爆破控制和安全評(píng)估方面做了大量的研究工作。這些工作主要包括2個(gè)方面:(1)通過監(jiān)測(cè)爆破地震波,研究其在隧道中的傳播規(guī)律,進(jìn)而提出相應(yīng)的安全判據(jù)和控制措施[3-7];(2)運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù),研究小凈距隧道的爆破振動(dòng)特性,探討爆破振動(dòng)對(duì)既有臨近隧道及中隔墻的影響,分析小凈距隧道爆破振動(dòng)效應(yīng)的影響因素[8-12]。
以新建京張高鐵長(zhǎng)城站為工程背景,通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析,研究爆破地震波在中隔墻中的傳播規(guī)律,討論小凈距隧道中隔墻的振動(dòng)特性以及相關(guān)減振技術(shù)措施,為類似工程的爆破施工提供指導(dǎo)建議。
新建京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站位于八達(dá)嶺滾天溝停車場(chǎng)下方新八達(dá)嶺隧道內(nèi),是國(guó)內(nèi)首座采用礦山法施工的深埋高鐵地下車站。車站中心處埋深102.55 m,主體長(zhǎng)度450 m,分為三連拱區(qū)段和三洞分離標(biāo)準(zhǔn)段。標(biāo)準(zhǔn)段為三心圓拱形斷面,隧洞凈空為11.38 m×9.9 m(寬×高),中隔墻厚度為2~5.7 m。根據(jù)本隧道工程地質(zhì)鉆探資料揭露,八達(dá)嶺長(zhǎng)城站所處區(qū)域地層巖性主要為八達(dá)嶺花崗雜巖,巖脈極為發(fā)育,圍巖級(jí)別為IV級(jí)。八達(dá)嶺長(zhǎng)城站剖透圖如圖1所示。
長(zhǎng)城站小凈距隧道采用新奧法施工,側(cè)洞先行,中洞跟進(jìn)施工。為減小爆破對(duì)中隔墻整體性和穩(wěn)定性的影響,采用上下臺(tái)階法鉆爆施工。上臺(tái)階采用楔形掏槽爆破,下臺(tái)階采用水平孔拉槽爆破。上臺(tái)階掏槽孔孔口間距5.5~5.8 m,崩落孔間距0.8~1 m,排距1 m,周邊眼間距40~50 cm。炮孔直徑為φ42 mm,炮眼深度為3~3.5 m,藥卷選用2#巖石乳化炸藥,直徑為φ32 mm,密度1.0 g/cm3。雷管選用1~13段塑料導(dǎo)爆管雷管,采用毫秒延期爆破技術(shù)控制爆破振動(dòng)。上臺(tái)階炮孔布置如圖2所示。
圖 1 長(zhǎng)城站立體圖Fig. 1 Graphic model of the great wall high speed railway station
圖 2 炮孔布置圖Fig. 2 Layout of blasting holes
在長(zhǎng)城站三洞分離段施工過程中,為增加工作面數(shù)量,加快施工進(jìn)度,側(cè)洞施工一定距離后,在中隔墻開挖橫向通道,然后施工后行中洞。由于中洞爆破時(shí)中隔墻端部的振動(dòng)效應(yīng)未有先行經(jīng)驗(yàn)可借鑒,這將作為現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容之一;此外,爆破地震波在中隔墻中的衰減規(guī)律也作為監(jiān)測(cè)內(nèi)容的一部分。
通常在小凈距隧道施工時(shí),爆破振動(dòng)對(duì)相鄰隧道產(chǎn)生的最大振動(dòng)速度出現(xiàn)在迎爆側(cè)的邊墻部位[1]。按照上述的監(jiān)測(cè)內(nèi)容并結(jié)合工程實(shí)際,本工程的爆破振動(dòng)測(cè)試主要在先行側(cè)洞中隔墻迎爆側(cè)邊墻部位進(jìn)行。采集系統(tǒng)采用成都中科測(cè)控有限公司研制的TC-4850爆破測(cè)振儀。傳感器采用U形卡和膨脹螺栓固定在初襯結(jié)構(gòu)上,并在傳感器和初襯之間使用石膏進(jìn)行有效固定。此次振動(dòng)監(jiān)測(cè)分為兩種工況:(1)中洞施工初期,以1~5 m不等間距在側(cè)洞迎爆側(cè)中隔墻邊墻上布設(shè)5個(gè)速度傳感器,如圖3(a)所示;(2)后行中洞施工一定距離后,以10 m間距在側(cè)洞迎爆側(cè)中隔墻邊墻上布設(shè)7個(gè)速度傳感器,如圖3(b)所示。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí),測(cè)點(diǎn)固定,根據(jù)掌子面的位置變化,監(jiān)測(cè)并分析爆破地震波在中隔墻中的分布和傳播規(guī)律。
圖 3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖(單位:m)Fig. 3 Layout of blasting vibration monitoring point(unit:m)
由于測(cè)試環(huán)境及測(cè)試系統(tǒng)的原因,在振動(dòng)時(shí)程曲線上,波形偏離基線中心,存在明顯的趨勢(shì)項(xiàng)。通過信號(hào)的頻譜分析可以發(fā)現(xiàn),低于1 Hz的低頻帶幅值出現(xiàn)大幅度增高。趨勢(shì)項(xiàng)的存在將嚴(yán)重影響峰值振速的判讀和頻譜分析的精度,誤導(dǎo)對(duì)低頻信息的把握,必須予以消除。
經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)技術(shù)是近年來被應(yīng)用到非平穩(wěn)信號(hào)趨勢(shì)項(xiàng)去除的有效方法,具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性[13]。但在對(duì)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過程發(fā)現(xiàn),該方法存在明顯的“端部效應(yīng)”。為此,本文應(yīng)用文獻(xiàn)[14]提出的EEMD分解技術(shù),按照以下步驟去除爆破振動(dòng)信號(hào)中的趨勢(shì)項(xiàng):
(1)先對(duì)原始信號(hào)循環(huán)添加多次正態(tài)分布噪聲信號(hào)并逐次進(jìn)行EMD分解,得到各IMF分量的“總和”,然后取其均值即為真實(shí)的IMF分量。
(2)將取均值后的各IMF分量進(jìn)行頻譜分析,得到其在頻域內(nèi)的尺度信息,最后根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的性能指標(biāo)和爆破地震波信號(hào)特點(diǎn),去除部分低頻分量,將剩余分量重構(gòu)即可得到去除趨勢(shì)項(xiàng)后的真實(shí)振動(dòng)信號(hào)。
圖4為某次爆破施工中監(jiān)測(cè)到的Y方向典型振動(dòng)信號(hào)。從圖中可以看出,趨勢(shì)項(xiàng)對(duì)原始信號(hào)的影響極大,已經(jīng)無法判斷出峰值振動(dòng)速度。應(yīng)用EEMD分解后重構(gòu)的振動(dòng)信號(hào),趨勢(shì)項(xiàng)完全消除,波形重新回到基線中心位置,表明EEMD分解技術(shù)去除爆破地震波信號(hào)趨勢(shì)項(xiàng)是可行的。將監(jiān)測(cè)得到爆破振動(dòng)信號(hào)按上述方法進(jìn)行處理,并以此作為后續(xù)工作的研究基礎(chǔ)。
圖 4 原始信號(hào)及重構(gòu)信號(hào)對(duì)比Fig. 4 Comparison of Original signal and reconfiguration signal
由于本工程中監(jiān)測(cè)位置夾巖厚度僅有5.8 m,隧洞又較高,中隔墻形成“類墻體”結(jié)構(gòu)。橫向通道的開挖改變了中隔墻的整體結(jié)構(gòu),使得中隔墻末端的“剛度”降低,同時(shí)新增的自由面為爆破地震波的反射提供條件。圖5給出了工況一中監(jiān)測(cè)的2組振動(dòng)速度峰值的分布規(guī)律,圖中距離正值表示掌子面前方測(cè)點(diǎn),負(fù)值表示掌子面后方測(cè)點(diǎn)。
由圖5可以看出:
(1)在爆破地震波作用下,中隔墻末端(1#和2#測(cè)試點(diǎn))X和Y方向的振動(dòng)速度較大,產(chǎn)生較大的位移,呈現(xiàn)明顯的“鞭梢效應(yīng)”。特別是在后行中洞開挖初期,測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)速度甚至超過爆源附近的測(cè)點(diǎn)3(見圖5(a))。
(2)隨著中洞掌子面的推進(jìn),中隔墻末端的“放大效應(yīng)”有所減弱,但測(cè)點(diǎn)1的振動(dòng)速度仍能達(dá)到測(cè)點(diǎn)3的2~3倍,說明爆破振動(dòng)對(duì)中隔墻末端巖體以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的仍有較大影響。在中洞施工過程中,測(cè)點(diǎn)1附近的混凝土初襯結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象。
(3)從圖5(b)可以看出,中隔墻末端的“鞭梢效應(yīng)”僅存在較小的范圍內(nèi),當(dāng)距離超過5m時(shí)(3#測(cè)點(diǎn)),該效應(yīng)則不復(fù)存在。因此,采用縱、橫交錯(cuò)的隧洞對(duì)中隔墻進(jìn)行切割時(shí),應(yīng)重點(diǎn)控制爆破振動(dòng)對(duì)中隔墻末端巖體以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,不能忽視中隔墻末端對(duì)爆破地震波的放大作用。
圖 5 中隔墻振動(dòng)速度特征曲線Fig. 5 Characteristic curves of vibration velocity of the interlaid rock wall
由于孔網(wǎng)參數(shù)和裝藥參數(shù)與巖層的水文地質(zhì)條件等因素有關(guān),高鐵長(zhǎng)城站小凈距隧道在施工過程中,不同里程的各次爆破參數(shù)不盡相同。本工程以前述第二種工況為基礎(chǔ),針對(duì)不同爆心距、不同裝藥量進(jìn)行了一系列振動(dòng)測(cè)試工作,用以研究中隔墻爆破地震波的傳播規(guī)律。
目前,國(guó)內(nèi)外多采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)衰減公式對(duì)爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析[15]
(1)
式中,Vmax為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值,cm/s;Q為與振動(dòng)速度峰值VmaX相對(duì)應(yīng)的單段最大起爆藥量,kg;R為爆心距,m;K為與地質(zhì)條件及巖石特性有關(guān)的系數(shù);α為與地質(zhì)條件有關(guān)的爆破地震波衰減指數(shù)。
分別選取掌子面前方和后方的爆破振動(dòng)速度峰值,采用式(1)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,回歸曲線及參數(shù)如圖6和表1所示。
表 1 振動(dòng)速度擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of vibration velocity
由圖6和表1可以看出:
圖 6 振動(dòng)速度樣本數(shù)據(jù)及回歸曲線Fig. 6 Sample data and regression curve of vibration velocity
(1)比例距離小于6時(shí),Y方向振動(dòng)速度峰值最大,X和Z方向的振動(dòng)速度峰值相近;當(dāng)比例距離超過6以后,3個(gè)方向的振動(dòng)速度峰值趨于一致。
(2)掌子面前方振動(dòng)速度衰減較慢,后方則相對(duì)較快,說明在多次爆破荷載作用下,中隔墻巖體受到破壞,形成不同擴(kuò)展程度的裂紋,完整性降低,這些裂紋可以吸收一部分地震波能量,加快其衰減速度,故掌子面后方振動(dòng)數(shù)據(jù)的衰減系數(shù)α大于掌子面前方;而掌子面后方振動(dòng)速度峰值回歸曲線的K值大于掌子面前方,這是因?yàn)檎谱用婧蠓街懈魤蓚?cè)均為臨空面,中隔墻的約束條件降低,在一定比例距離范圍內(nèi),掌子面后方的振動(dòng)速度大于掌子面前方相同距離測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度,因此,施工中宜加強(qiáng)該部位的監(jiān)測(cè)和相關(guān)支護(hù)。
HHT方法把信號(hào)中不同時(shí)間頻率范圍的波動(dòng)或趨勢(shì)逐層分解后,產(chǎn)生一組特征尺度不同的數(shù)據(jù)列,信號(hào)的能量在頻率或時(shí)間等不同尺度上的分布規(guī)律能被真實(shí)反映[16]。因此,在掌子面前方和后方選取與掌子面的距離均為25 m的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)為研究對(duì)象,在第2節(jié)的基礎(chǔ)上,將低頻的趨勢(shì)項(xiàng)分量去除后,對(duì)剩余IMF分量進(jìn)行Hilbert-Huang變換,將每個(gè)分量所包含的能量與總能量的比值繪制成柱狀圖,如圖7所示。
由圖7可以看出,3個(gè)方向的振動(dòng)速度信號(hào)中,前4個(gè)分量所含能量的比例較大,高頻成分在振動(dòng)信號(hào)中占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著分量頻率的減小,能量逐漸減弱。需要指出的是,掌子面后方X和Z方向低頻分量的能量出現(xiàn)不同程度的“反彈”現(xiàn)象,通過多組數(shù)據(jù)的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn),這種現(xiàn)象是普遍存在的,說明掌子面后方形成“類墻體”結(jié)構(gòu)后,在中隔墻兩側(cè)隧洞波動(dòng)場(chǎng)的影響下,動(dòng)力響應(yīng)變得十分復(fù)雜,而這些能量占比相對(duì)較大的低頻分量有可能對(duì)中隔墻的穩(wěn)定性不利,其影響不可忽視。
圖8為3個(gè)方向上2組振動(dòng)速度信號(hào)的Hilbert能量譜,它具有時(shí)間-頻率-能量三維特性,能夠精確地表明信號(hào)的能量分布情況。從圖中可以看出,3個(gè)方向振動(dòng)速度Hilbert能量譜的整體形式基本相同,信號(hào)的波動(dòng)能量基本處在時(shí)間段0~0.6 s內(nèi),頻率成分則相對(duì)復(fù)雜,0~400 Hz均有分布,在50~200 Hz范圍內(nèi)具有較大的振動(dòng)能量。與X方向相比,Y方向擁有較高能量的頻率范圍更廣,造成這種現(xiàn)象的原因是Y軸方向的振動(dòng)信號(hào)是由勒夫波和瑞利波疊加產(chǎn)生的。特別地,Z方向信號(hào)的頻率成分及其在時(shí)間上的能量分布均比X方向和Y方向復(fù)雜,這可能是因?yàn)檐囌舅矶磳r體切割成“類墻體”結(jié)構(gòu),中隔墻需承受上覆巖層傳遞的壓力,使得該結(jié)構(gòu)在Z方向的動(dòng)力響應(yīng)極為復(fù)雜。
圖 7 不同IMF分量能量分布圖Fig. 7 Energy distribution map of different IMF components
圖 8 不同振動(dòng)信號(hào)三維時(shí)頻譜Fig. 8 Three-dimensional energy spectrum of different vibration signal
對(duì)比掌子面前方和后方的Hilbert能量譜可以發(fā)現(xiàn),掌子面前方振動(dòng)信號(hào)X和Y方向的振動(dòng)能量主要集中在0~0.1 s范圍內(nèi),這部分振動(dòng)能量是由掏槽孔引起的,由崩落孔和周邊孔引起的振動(dòng)能量與掏槽孔相比均較小;而掌子面后方振動(dòng)信號(hào)X方向和Y方向的能量在0.2 s和0.3 s處出現(xiàn)次能量峰值,甚至出現(xiàn)崩落孔引起的振動(dòng)能量與掏槽孔相當(dāng)?shù)默F(xiàn)象,這是因?yàn)楸缆淇椎膯味嗡幜枯^大以及掌子面后方“類墻體”結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的特殊性引起的。因此,在進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)時(shí)不僅應(yīng)重點(diǎn)控制掏槽孔的裝藥量,還應(yīng)重視崩落孔的單段最大裝藥量。
為最大限度保護(hù)隧道圍巖,長(zhǎng)城站采用臺(tái)階法施工,以避免隧道圍巖在多次爆破荷載作用下破壞失穩(wěn)。然而,根據(jù)振速實(shí)測(cè)結(jié)果可知,采用非電導(dǎo)爆管雷管爆破時(shí),由于段位少,單段起爆藥量較大,爆破引起的與掌子面平齊位置中隔墻最大振動(dòng)速度峰值大于35 cm/s,遠(yuǎn)超過規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)[17]。因此,采用電子雷管起爆技術(shù)控制爆破振動(dòng)。
電子雷管降振技術(shù)的關(guān)鍵在于時(shí)差的設(shè)定。炮孔間延期時(shí)間的設(shè)置既要保證巖體的破碎,也要實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰降振。通過多次試驗(yàn),得出長(zhǎng)城站小凈距隧道電子雷管單孔連續(xù)起爆相關(guān)技術(shù)參數(shù):掏槽孔間延期時(shí)間設(shè)置為15 ms;崩落孔間延期時(shí)間設(shè)置為20 ms;周邊孔和底邊孔間延期時(shí)間設(shè)置為6 ms。同一圈崩落孔和周邊孔均采取遠(yuǎn)離中隔墻一側(cè)先爆,臨近中隔墻一側(cè)后爆的方式實(shí)施。在保持爆破進(jìn)尺,炮孔布置,裝藥量等參數(shù)不變的情況下,采用上述孔間延期時(shí)間參數(shù),對(duì)電子雷管起爆引起的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),與掌子面平齊的中隔墻振動(dòng)速度如圖9所示。
圖 9 電子雷管爆破振動(dòng)信號(hào)Fig. 9 Blasting vibration signal of digital detonator
由圖9可以看出,數(shù)碼電子雷管施工引起的振動(dòng)波形為分段式多峰波形,與普通導(dǎo)爆管雷管振動(dòng)波形不同,電子雷管的多個(gè)峰段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),振速分布均勻;掏槽孔實(shí)現(xiàn)單孔連續(xù)爆破,產(chǎn)生振動(dòng)的藥量為單孔藥量,極大地降低了掏槽爆破振動(dòng)速度;掏槽孔崩落形成空腔,使得遠(yuǎn)離中隔墻一側(cè)崩落孔誘發(fā)的振動(dòng)極小,而近中隔墻側(cè)崩落孔裝藥量大,與中隔墻距離較近,是影響中隔墻振動(dòng)速度的主要因素;此次監(jiān)測(cè)結(jié)果中,最大峰值速度發(fā)生在靠近中隔墻一側(cè)的底角孔,這也與該炮孔的比例距離較小有關(guān),可在后續(xù)的施工優(yōu)化施工參數(shù)加以控制。
圖10為上述數(shù)碼電子雷管振動(dòng)信號(hào)的Hilbert 能量譜。由圖中可以看出,振動(dòng)能量出現(xiàn)的時(shí)間與振速多個(gè)峰段的時(shí)間相同,在整個(gè)振動(dòng)過程中,振動(dòng)能量的波動(dòng)較為平穩(wěn),并未出現(xiàn)過度集中的能量峰值,振動(dòng)峰值在頻率軸上呈現(xiàn)均勻化分布趨勢(shì)。
圖 10 電子雷管Hilbert能量譜Fig. 10 Hilbert energy spectrum of vibration velocity using digital electronic detonator
根據(jù)多次爆破振動(dòng)測(cè)試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,與普通導(dǎo)爆管雷管相比,與掌子面平齊的中隔墻振動(dòng)速度在使用數(shù)碼電子雷管后降低50%~70%,而且爆破后巖石塊度均勻,大塊率降低,炮孔利用率達(dá)到90%以上。由此可見,采用上述數(shù)碼電子雷管爆破方案施工,可以降低振速,改善爆破塊度,取得了較好的爆破效果。
以高鐵長(zhǎng)城站為工程背景,研究爆破地震波在小凈距隧道中隔墻中的分布特征和傳播規(guī)律,分析中隔墻爆破振動(dòng)的時(shí)頻特性,探討數(shù)碼電子雷管降振技術(shù)。得到如下結(jié)論:
(1)巖體受縱、橫隧洞的分割,形成“類墻體”結(jié)構(gòu),中隔墻末端振動(dòng)速度大幅度提高,存在明顯的“鞭梢效應(yīng)”,應(yīng)加強(qiáng)該部位的監(jiān)測(cè)和支護(hù)。
(2)當(dāng)比例距離小于6時(shí),Y方向的振動(dòng)速度最大;當(dāng)比例距離大于6時(shí),3個(gè)方向的振動(dòng)速度峰值趨于一致。
(3)采用薩道夫斯基公式對(duì)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,結(jié)果表明:對(duì)于參數(shù)K和α的值,K前 (4)對(duì)中隔墻振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換,結(jié)果表明,c1~c4所含的能量比例較高,高頻成分占據(jù)主導(dǎo)地位。掌子面后方受雙洞波動(dòng)場(chǎng)影響,動(dòng)力響應(yīng)復(fù)雜,低頻分量的能量比例出現(xiàn)“反彈”現(xiàn)象,可能對(duì)中隔墻的穩(wěn)定性不利。 (5)應(yīng)用HHT方法進(jìn)行時(shí)頻分析,小凈距隧道爆破振動(dòng)的波動(dòng)能量集中在50~200 Hz范圍內(nèi);掌子面前方巖體的波動(dòng)能量集中在0~0.1 s內(nèi),主要由掏槽孔引起,而掌子面后方則在崩落孔起爆時(shí)產(chǎn)生多個(gè)次能量峰值,其影響不容忽視。 (6)使用數(shù)碼電子雷管實(shí)現(xiàn)逐孔起爆,降低單段最大裝藥量,振動(dòng)波形呈多峰段均勻分布,振動(dòng)能量波動(dòng)平穩(wěn),振動(dòng)速度峰值比采用普通雷管施工時(shí)降低50%~70%,降振技術(shù)方案有效可行。