淺埋小凈距隧道爆破對地面及鄰近隧道振動頻率的影響*

肖春名,廖盛榮,陳 晨,周廉浩

(1.中交路橋建設有限公司,北京 100027; 2.中交路橋華南工程有限公司,廣東 中山 528405;3.河南理工大學土木工程學院,河南 焦作 454003)

0 引言

當前,城市硬巖隧道掘進仍以鉆爆法為主,尤其是淺埋小凈距隧道施工時,爆破振動會對地表及鄰近隧道產(chǎn)生很大影響,導致現(xiàn)有結構很易受到損毀,引起市政府重視,因此,許多學者開始致力于爆破掘進時引起的振動頻率傳播規(guī)律研究。

目前關于隧道爆破的振動響應特性,國內外學者多集中于對襯砌的影響和既有隧道的動力分析研究[1-5],爆破的振動波高頻成分起著很大作用(達100Hz),且作用持續(xù)時間較短,對既有隧道的破壞以體波破壞為主,鄰近爆源的隧道直墻上部周邊振速最大,同一測點的垂直振速大于水平振速。在隧道爆破引起的振動頻率傳播規(guī)律方面,丁雄等[6]對輕軌隧道施工爆破進行監(jiān)測,頻譜分析表明,質點振速主要集中在0～20Hz。陽生權等[7]通過質點振速峰值與主振頻率分析,開展了基于小凈距公路隧道的爆破振動觀測與研究,研究結果表明,爆破方式與爆心距對質點振速峰值和對應的主振頻率的影響較大。楊建華等[8]通過研究全斷面開挖爆破產(chǎn)生的自由面對振動頻率的影響,得出爆源與自由面間的距離越小,爆破振動頻率越高,較好的自由面可減小爆破振動對結構破壞的結論。費鴻祿等[9]基于現(xiàn)場實測隧道掘進爆破振動數(shù)據(jù),通過小波包分解和重構分析方法,得出地震波的主頻隨著與掌子面之間距離的增大而下降,同時能量主要集中頻帶變窄且向低頻帶發(fā)展,垂向上地震波主頻隨著埋深的減小而下降,同時能量主要集中頻帶變窄且向低頻帶發(fā)展的結論。蒲堅等[10]基于傅里葉變化和小波包變換進行振動信號分析,研究結果表明,31.25～125Hz頻段占用絕大部分能量,其比例達72.2%,187.50～218.75Hz頻段占比為7.55%。葉紅宇等[11]通過設計混凝土頻繁爆破振動試驗得出,盡管信號能量分布范圍較廣,但絕大部分能量集中在0～205.08Hz頻段,并且9.77～58.59Hz頻段能量較大,總能量隨著距離的增大向低頻帶集中。趙天洋[12]以成綿樂高速鐵路雙流機場隧道淺埋段作為測試對象,測試得出機場隧道淺埋段和路堤段環(huán)境振動的能量主要集中在6～80Hz頻段,通過對Z振級和X振級的分析,擬合得到隧道淺埋段和路堤段振動隨距離變化的經(jīng)驗公式。單仁亮等[13]研究了爆破振動信號的頻帶能量分布特征,在同一時刻能量表現(xiàn)出高頻部分衰減快、低頻部分衰減慢的特征,能量衰減系數(shù)近似為峰值速度衰減系數(shù)的2倍,且提出總能量的衰減方程。周林立[14]基于信號分析技術,通過分析不同圍巖施工爆破的振動信號頻譜特性,得出在ms-1段的瞬時能量最大,頻帶較其他段位更寬,振動頻率基本分布在50～200Hz,Ⅲ級圍巖爆破時頻率集中分布在50～350Hz,高頻成分增多,后續(xù)段頻率能量也較高的結論。閆長斌等[15-16]基于快速傅里葉變換,研究了聲波在爆破損傷巖體中傳播時的衰減特性。

然而,以上大多數(shù)學者僅對隧道爆破引起鄰近結構的振動問題進行了研究,基本上忽略了超淺埋小凈距隧道爆破對周圍建(構)筑物的影響。實際上,城市地鐵建設面臨著隧道間距小且在淺地表施工的問題,為了保證周圍建(構)筑物的安全,合理設計出一套適用于超淺埋小凈距隧道的爆破方案,急需對城市超淺埋小凈距隧道爆破振動規(guī)律進行研究。因此,本文以某地鐵隧道為工程背景,通過對隧道爆破引起淺埋地表及小凈距鄰近隧道振動實測數(shù)據(jù)分析,研究不同炮孔類型爆破引起的振動頻率特征和能量傳播響應規(guī)律,對不同段的爆破、地表及鄰近隧道距離掌子面的不同測點的頻譜進行了分析,可為同類城區(qū)隧道爆破施工與振動控制提供參考。

1 試驗背景及方案

1.1 工程概況

某城市地鐵隧道為淺埋小凈距隧道,凈距僅為1.6～3.5m,覆土厚度為9.0～11.2m。圍巖分布主要以天然重度19kN/m3的粉質黏土,天然重度21kN/m3的中、粗砂,微風化、中強風化、全風化花崗巖組成,圍巖等級為IV級。施工現(xiàn)場采用兩臺階法進行開挖,上臺階開挖斷面7.10m×4.77m,爆破方案采用楔形掏槽、分段延時的光面爆破方式,炸藥為2號巖石乳化炸藥,導爆電雷管起爆。此次試驗重點對左線上臺階爆破進行振動監(jiān)測,炮孔布置如圖1所示,爆破參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)

圖1 炮孔布置

1.2 監(jiān)測方案

試驗目的主要是監(jiān)測左線全面爆破時,各段爆破對隧道地表及鄰近已開挖隧道迎爆側邊墻的振動影響。地表測點布置方案為:在左線隧道正上方的地表軸線方向布置測點,各點與掌子面水平距離分別為-25,-12.5,12.5,25m,監(jiān)測振動在地表的傳播衰減規(guī)律。右線隧道側墻處的測點布置方案為:在側墻上沿軸線方向布置測點,各點與掌子面距離分別為-10,-5,0,5,10m,具體布置方案如圖2所示。方案1,地表測點布置;方案2,右線迎爆邊墻測點布置。試驗儀器采用配備三向振速傳感器的TC-4850爆破測振儀。

圖2 測點布置(單位:cm)

2 爆破振動波能量的小波包分析

2.1 小波包分解基本原理

在小波分解中為對高頻部分進行分解,采用小波包分解方法。爆破振動信號進行小波包分解時,最優(yōu)分解層數(shù)的確定依據(jù)信號分析的特征和振動記錄儀的最小工作頻率確定[17]。監(jiān)測采用工作頻率最小能達到5Hz的儀器,根據(jù)采樣定律,設置信號的采樣頻率為8kHz,其奈奎斯特頻率為4kHz。根據(jù)小波包分析的原理將信號分解到8層,共有28個小波包,則其對應的最低頻段為0～15.625Hz。小波分析中小波基的選擇尤為重要,由文獻[17]可知,選用db8小波基對信號進行分解重構誤差最小。小波包分解后各層重構信號的頻帶范圍如表2所示。

表2 小波包分解系數(shù)重構信號各層頻帶范圍

依據(jù)小波分析原理[17]將振動信號分解至第8層,設第8層小波包重構信號各頻帶S8,j所對應的能量為E8,j,則有:

(1)

(j=0,1,2,…,2i-1;k=1,2,…,m)

式中:m為振動信號的離散采樣點數(shù);xj,k為重構信號S8,j的離散幅值。

設被分析振動信號的總能量為E0,則有:

(2)

各頻帶能量的百分比為:

(3)

(j=0,1,2,…,28-1)

通過計算爆破振動信號經(jīng)小波分解后信號總能量和不同頻帶能量所占百分比,分析在爆破作用下巖石爆破振動信號在往地表和鄰近隧道傳播過程中的能量分布。通過小波包的分解,獲得不同頻帶的能量及百分比。

2.2 地表爆破振動響應能量分析

根據(jù)試驗所測得的振動信號總能量,分析地表各測點處三向振動能量分布,如圖3所示。

圖3 地表爆破振動總能量隨測點位置變化曲線

由圖3可看出:①由于爆破掌子面距地表僅9.0～11.2m,距離較近,且z向能量明顯大于其他2個方向。②炸藥在掌子面處爆破后,爆破振動總能量分別向掌子面兩邊傳遞,且隨著距離的增加,傳遞的振動波能量逐漸減小;相同距離下,在掌子面前后12.5～25m范圍,掌子面前方未開挖處測點爆破振動總能量大于已開挖處。③從掌子面兩邊測點振動總能量的衰減趨勢看,已開挖處隨著距離的增加其爆破振動總能量衰減趨勢大于未開挖處。這是由于炸藥爆破能量對巖石內部的損傷主要是爆炸應力波與爆生氣體兩者的作用結果,爆炸產(chǎn)生的沖擊應力波造成隧道掌子面近區(qū)巖石破碎,中遠區(qū)產(chǎn)生大量裂紋。而應力波的傳遞是以球面波的形式,隨著爆破能量的釋放促使波振面向掌子面兩則移動,所以在掌子面前后地表各測點都可測得爆破振動總能量。由于隧道埋深較淺,爆生氣體在已開挖側將大部分能量釋放到隧道空氣中,沿1,2號測點方向的能量會快速衰弱。而掌子面前方未開挖處巖石與地表密切相連,既承受較大的爆破應力波,又存在爆生氣體的沖擊,在測點測得總能量相對較大。

淺埋隧道引起地表爆破振動信號各頻段能量占信號總能量的百分比計算結果如圖4所示。

圖4 地表爆破振動信號不同頻帶能量占比

通過對1～4號測點處三向振動數(shù)據(jù)進行分析,對比不同測點在x,y,z3個方向上爆破振動信號的能量占比發(fā)現(xiàn):在掌子面前后12.5～25m處,隧道開挖爆破后掌子面前后各測點測得能量主要集中在 0～62.5Hz 和93.75～109.375Hz頻段。爆破振動波向地表傳播過程中,由于介質波阻抗的存在和高頻濾波效應,振動波高頻段能量不斷衰減,使得各測點不同方向的能量主要集中在低頻段。隧道距離地表較近,地表建(構)筑物自振頻率較低,在爆破振動下地表易產(chǎn)生共振效應。

2.3 鄰近隧道爆破振動響應能量分析

小凈距隧道爆破引起鄰近隧道振動波的能量變化如圖5所示。由圖5可看出,小凈距隧道爆破振動信號與爆破環(huán)境、爆破距離有關。由于隧道間距僅為1.6～3.5m,炸藥在掌子面處爆破后,掌子面前后5m內測點能量變化不大。但隨著距離增加到10m,爆破振動總能量分別快速向掌子面兩邊傳遞,掌子面未開挖側鄰近隧道測得能量較大。3號測點位置為掌子面處,其爆破能量是分界點,在掌子面前方鄰近隧道(4,5號)測點測得能量逐漸增大,掌子面后方鄰近隧道(1,2號)測點測得能量快速衰減。相同距離下,掌子面前方鄰近隧道測點振動總能量大于后方測點,炸藥爆破對掌子面前方鄰近隧道的影響較大。從掌子面兩邊測點振動總能量的衰減趨勢看,已開挖處隨著距離的增加其爆破振動總能量衰減趨勢大于未開挖處。炸藥爆炸后,其波振面主要向隧道未開挖前方移動,能量向鄰近隧道前方釋放,對掌子面前方鄰近隧道產(chǎn)生較大影響。

圖5 鄰近隧道爆破振動總能量隨測點變化曲線

小凈距鄰近隧道爆破振動信號各頻段能量占信號總能量的百分比計算結果如圖6所示。

圖6 鄰近隧道不同位置爆破振動信號不同頻帶能量占比

由于爆破振動信號主要集中在0～200Hz,1,2,4,5號測點主要選取200Hz以內頻段進行分析。通過對1,2,4,5號測點處三向振動數(shù)據(jù)進行分析,對比不同測點在x,y,z3個方向上爆破振動信號的能量占比發(fā)現(xiàn):在掌子面前后10m內,隧道開挖爆破后掌子面前后鄰近隧道各測點能量主要集中在0～62.5Hz和93.75～109.375Hz頻段,和地表處測得的能量分布相似。爆破振動波向鄰近隧道傳播過程中,由于介質波阻抗的存在和高頻濾波效應,振動波高頻段能量不斷衰減,使得各測點不同方向的能量主要集中在低頻段。另外,由于隧道間距較小,在振動波傳播過程中高頻段能量衰減較慢,故93.75～109.375Hz頻段能量占比增加。

由于鄰近隧道測點(3號)在掌子面處,爆破信號極復雜,測試時采用16kHz的采樣頻率,現(xiàn)選取 0～500Hz 頻段進行分析(見圖7)。測點在低頻段內能量占比大,主要集中在0～125Hz,在250～281.25Hz頻段能量占比有小量增加。y向能量在低頻段較x,z向能量占比較大,整體頻譜主要集中在218.75Hz以內。

圖7 鄰近隧道對應爆破掌子面處爆破振動信號能量占比

3 爆破振動響應頻譜分析

3.1 典型爆破段引起的各向振速頻譜特性

首先分析各爆破段引起的鄰近隧道爆破振動各向振速的頻譜特性。典型爆破段三向振速的頻譜特性曲線如圖8所示。

圖8 鄰近隧道內爆破振動典型段別三向振速頻譜

由各爆破段的傅里葉譜圖(見圖8)可看出,同一爆破段引起鄰近隧道三向振速的頻譜基本一致。掏槽爆破的主頻主要分布在50～150Hz,相對集中;輔助及底板爆破引起的各向振速主頻主要在50～150Hz,比掏槽爆破略有提高;周邊爆破時,由于炮孔分布在整個斷面上,各向振速頻譜分布相對較廣,在25～200Hz,主振頻率相對不明顯。對比4個段別的振速頻譜圖可看出,由于掏槽段的裝藥相對集中,其振動主頻表現(xiàn)較明顯,相比之下周邊段的裝藥情況相對分散,則其頻率分布較廣。隧道爆破時,作用力主要在鄰近隧道壁上,同時掏槽爆破炮孔布置及裝藥量相對穩(wěn)定,振動頻譜分布相對集中,規(guī)律相對明顯。

3.2 地表質點爆破振動的頻譜特性

為了研究隧道爆破振動頻率隨距離的變化,以掏槽爆破引起的隧道地表處橫向振速為例,分析鄰近隧道前方、后方不同位置處的振動頻譜變化,如圖9,10所示。由圖9,10可看出,在掌子面前方隨著距離的逐漸增大,主振頻率經(jīng)歷了從150Hz到30Hz的變化過程,這說明隨著距離的增大,主振頻率有逐漸降低的趨勢。但對應爆破掌子面后方,先行隧道內的頻譜隨距離變化規(guī)律不明顯,主要集中在30～150Hz。

圖9 掌子面前方地表測點頻譜隨距離變化曲線

圖10 掌子面后方地表測點頻譜隨距離變化曲線

3.3 鄰近隧道內爆破振動的頻譜特性

為了研究隧道爆破振動頻率隨距離的變化,以掏槽爆破引起的鄰近隧道橫向振速為例,分析鄰近隧道前方、后方不同位置處的振動頻譜變化,如圖11,12所示。由圖11,12可看出,在掌子面前方隨著距離的逐漸增大,主振頻率經(jīng)歷了200Hz到150Hz的變化過程,這說明隨著距離的增大,主振頻率有逐漸降低的趨勢。但對應爆破掌子面后方,先行隧道內的頻譜隨距離變化規(guī)律不明顯,主要集中在50～300Hz。

圖11 先行隧道對應掌子面前方測點振速頻譜隨距離變化曲線

圖12 先行隧道對應掌子面后方測點振速頻譜隨距離變化曲線

對比隧道地表處和鄰近隧道的頻譜數(shù)據(jù),可直觀得到在掌子面的前方振動主頻率隨距離的增加減小較明顯。其中,地表處的測點相隔距離大于鄰近隧道處的相隔距離,地表處振動主頻率的減小值大于鄰近隧道的振動主頻率,進一步說明距離對主頻率減小的影響。而在掌子面后方振動主頻率變化則表現(xiàn)不明顯。超淺埋隧道施工時可采用多孔少藥的方式進行爆破掘進,從而可降低振動主頻率,減緩圍巖損失。

4 結語

通過對超淺埋隧道爆破引起地表與已開挖鄰近隧道振動響應速度的分析,得到以下結論。

1)不同段別爆破時,裝藥越集中,振動主頻率越明顯,炮孔越分散,主頻率分布越廣,但主要集中在25～200Hz。在地表處、鄰近隧道處的掌子面前方測點振動主頻率隨著距離的增大,主振頻率有逐漸降低的趨勢。

2)爆破振動波向地表及鄰近隧道傳播過程中,由于介質波阻抗的存在和高頻濾波效應,振動波高頻段能量不斷衰減,各測點不同方向的能量主要集中在低頻段0～62.5Hz,高頻成分在93.75～109.375Hz頻段能量占比增加。

3)隧道埋深淺,z向能量最大,隨著距爆源距離的增加,振動波能量逐漸減小,掌子面前方未開挖處測點爆破振動總能量大于已開挖處,但總能量衰減趨勢小于已開挖處。小間距鄰近隧道對應爆破掌子面前后5m內,測點能量變化不大,掌子面前方測點能量衰減趨勢大于掌子面后方。

4)超淺埋隧道施工時,盡量避免集中裝藥,可采用多孔少藥方式進行爆破掘進,從而降低振動主頻率,減緩對地面及鄰近隧道的影響。在考慮裝藥量時,可根據(jù)掌子面到周圍建(構)筑物的距離及圍巖類型決定,保證施工進度的同時,減緩對周圍建(構)筑物及圍巖的損傷。