孫新建， 張 亮， 孟 佳

(1. 青海大學(xué)， 西寧 810016；2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084)

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基于EEMD-HHT方法的隧洞爆破網(wǎng)路延時(shí)分析

孫新建1,2， 張 亮1， 孟 佳1

(1. 青海大學(xué)， 西寧 810016；2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084)

由于非電毫秒雷管本身存在起爆誤差，造成網(wǎng)路理論延時(shí)與實(shí)際延時(shí)存在較大誤差。為更深入研究網(wǎng)路實(shí)際延時(shí)時(shí)間，以黃河上游某水電站引水發(fā)電隧洞工程實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)為分析對(duì)象，使用EEMD方法求出爆破信號(hào)IMF分量，進(jìn)行Hilbert變換求出各分量能量，并對(duì)能量最大分量進(jìn)行Hilbert變換求出包絡(luò)線，再對(duì)包絡(luò)線峰值進(jìn)行分析得到網(wǎng)路的各段非電雷管的實(shí)際起爆時(shí)刻分別為49，74，178，235，350，469，609ms，從而準(zhǔn)確求得網(wǎng)路中各段間的實(shí)際延時(shí)時(shí)間為25，104，57，115，119，140ms。對(duì)網(wǎng)路的理論與實(shí)際延時(shí)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)際延時(shí)時(shí)間存在較大精度誤差，這說明采用EEMD-HHT方法識(shí)別網(wǎng)路的延時(shí)精度是可行的。

爆破網(wǎng)路； 延時(shí)時(shí)間；Hilbert能量；EEMD-HHT； 隧洞爆破； 包絡(luò)線

1　引言

較為合理的延時(shí)爆破網(wǎng)路能有效提高隧洞光面爆破的殘孔率，減小爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的損失程度，改善爆破巖石塊度，并能增加單次開挖循環(huán)的進(jìn)尺，降低單位耗藥量。目前，延時(shí)爆破技術(shù)在水利水電、公路交通、鐵道、礦山等工程得到了廣泛應(yīng)用，并取得較好的效果〔1-5〕。在實(shí)際工程中，爆破網(wǎng)路是控制延時(shí)爆破的主要手段，爆破網(wǎng)路中各段雷管延時(shí)的精確性與爆破效果的好壞密切相關(guān)。

目前，爆破網(wǎng)路主要由非電導(dǎo)爆管和非電毫秒雷管組成，由于非電毫秒雷管段別越高，延時(shí)誤差就越大，這使得延時(shí)爆破間隔時(shí)間與理論存在較大誤差，甚至出現(xiàn)“跳段”現(xiàn)象〔6〕，從而使得延時(shí)爆破的延時(shí)間隔時(shí)間很難控制，所以，研究延時(shí)爆破網(wǎng)路的實(shí)際延時(shí)時(shí)間對(duì)爆破工程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)爆破網(wǎng)路延時(shí)識(shí)別問題進(jìn)行了大量研究并取得了相對(duì)理想的效果，他們對(duì)延時(shí)識(shí)別問題，主要采用小波和EMD-HHT等方法研究〔7-11〕，但小波分析法從本質(zhì)上未能擺脫Fourier變換，EMD-HHT方法雖擺脫了Fourier變換的影響，但易產(chǎn)生模態(tài)混疊問題，這兩種方法會(huì)影響爆破網(wǎng)路延時(shí)分析效果。而總體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，即EEMD〔12〕能解決EMD分解出現(xiàn)的模態(tài)混疊問題，目前EEMD-HHT方法已廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，并取得了一定的成果〔13〕。但EEMD-HHT方法應(yīng)用于爆破網(wǎng)路延時(shí)識(shí)別方面的研究還未見報(bào)道，將該方法應(yīng)用到爆破延時(shí)分析具有一定的優(yōu)越性。

2　EEMD分解

EEMD分解方法是以有限個(gè)白噪聲序列在時(shí)域整體進(jìn)行平均時(shí)相互抵消為理論依據(jù)，在原信號(hào)中多次加入白噪聲序列并由EMD多次分解后，得到每個(gè)固有模態(tài)分量IMF的“集體”，將各個(gè)分量IMF的“集體”取均值，根據(jù)零均值特性白噪聲序列組在平均的過程中相互抵消，得到真實(shí)分量。EEMD分解方法〔12〕如下：

(1)將正態(tài)分布的白噪聲wi(t)加入到信號(hào)X(t)中，得到信號(hào)Xi(t)，并歸一化處理；其中wi(t)與X(t)等長(zhǎng)度，另外，白噪聲與分析信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差比值為0.1 ～0.4；

(2)采用EMD方法對(duì)Xi(t)進(jìn)行分解，得cij(t)分量與余項(xiàng)ri(t)；

(3)加入N次不同的白噪聲序列，每次都重復(fù)步驟(1)、(2)；

(4)將各分量cij(t)進(jìn)行整體平均來消除多次加入的白噪聲，最終求得分量為：

(1)

式中：N為白噪聲序列加入分析信號(hào)中的次數(shù)。白噪聲對(duì)分析信號(hào)影響的統(tǒng)計(jì)規(guī)律如下：

(2)

式中：a為白噪聲幅值，e為重構(gòu)信號(hào)與原信號(hào)之間的偏差。由式(2)可看出，若a為定值，偏差e大小與N成反比；但a值過小，會(huì)導(dǎo)致信噪比過高，因此，a只要取值適中就可包括所有可能。

3　Hilbert能量計(jì)算方法

爆破振動(dòng)信號(hào)經(jīng)EEMD分解后，得到一組固有模態(tài)函數(shù)分量，并對(duì)每個(gè)分量依次進(jìn)行Hilbert變換后，對(duì)其Hilbert譜幅值的平方在頻域進(jìn)行積分，得到信號(hào)的瞬時(shí)能量〔14〕：

(3)

同理，對(duì)Hilbert譜幅值的平方在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行積分得到原信號(hào)的邊際能量：

(4)

對(duì)瞬時(shí)能量IE在時(shí)域、邊際能量ES在頻域進(jìn)行積分可得到信號(hào)的總能量，如式(5)、式(6)所示，兩種方法求得結(jié)果相同。

(5)

(6)

4　爆破信號(hào)延時(shí)識(shí)別方法

延時(shí)爆破的某一段別雷管起爆就會(huì)引起采集信號(hào)幅值在時(shí)程上的突變，對(duì)信號(hào)幅值在時(shí)程的突變分析，可用于爆破信號(hào)延時(shí)時(shí)間的識(shí)別。由于爆破監(jiān)測(cè)信號(hào)包含噪聲及多個(gè)不同固有模態(tài)(IMF)分量的信號(hào)，因此，爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)的波形的起伏點(diǎn)不能精確反映網(wǎng)路的起爆時(shí)刻。利用EEMD方法將采集爆破信號(hào)進(jìn)行分解，求出每個(gè)IMF分量的Hilbert能量，并確定能量最大的IMF分量。能量最大分量能最大程度包含原爆破信號(hào)的特征信息，對(duì)該分量進(jìn)行Hilbert變換提取包絡(luò)線，其峰值點(diǎn)表示網(wǎng)路某一段別爆破能量的疊加值，則峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為該段別的起爆時(shí)刻，包絡(luò)線相鄰峰值間的起爆時(shí)間之差即為網(wǎng)路段別實(shí)際爆破的延時(shí)時(shí)間。

對(duì)分量c(t)進(jìn)行Hilbert變換〔15-16〕：

(7)

式中：PV為柯西主值。構(gòu)造解析信號(hào)z(t)：

z(t)=c(t)+jH[c(t)]=a(t)ejΦ(T)

(8)

式中：a(t)為z(t)的幅值，也稱為信號(hào)X(t)的包絡(luò)或調(diào)制信號(hào)。a(t)的表達(dá)式為〔10〕：

(9)

5　工程應(yīng)用分析

黃河上游某水電站引水發(fā)電隧洞開挖爆破設(shè)計(jì)網(wǎng)路如圖1所示；實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)A的時(shí)程曲線如圖2所示。

圖1　隧洞爆破網(wǎng)路Fig.1　Tunnel blasting circuit

圖2　信號(hào)A時(shí)程曲線Fig.2　Time-history curve of signal A

5.1信號(hào)分量能分析

信號(hào)A經(jīng)EEMD分解后得到C1-C12模態(tài)分量，分量如圖3、圖4所示。

圖3　C1～C6分量Fig.3　C1～C6 component

圖4　C7～C12分量Fig.4　C7～C12 component

由式(3)、(4)求出原信號(hào)及各分量的瞬時(shí)能量、邊際能量，再由式(5)或(6)求出原信號(hào)及各分量的Hilbert能量，數(shù)據(jù)見表1。對(duì)比分析可知，C3分量能量最大，其時(shí)程曲線如圖5所示。

表1　能量統(tǒng)計(jì)

圖5　C3分量時(shí)程曲線Fig.5　Time-history curve of C3 component

5.2信號(hào)延時(shí)分析

由式(7)～(9)求出C3分量包絡(luò)曲線，如圖6所示。

圖6　C3分量包絡(luò)線Fig.6　Envelope curve of C3 component

采用包絡(luò)線峰值點(diǎn)表示延時(shí)爆破各段非電毫秒雷管的起爆時(shí)間，將爆破設(shè)計(jì)網(wǎng)路中的延時(shí)時(shí)間與實(shí)際延時(shí)時(shí)間進(jìn)行比較，可判斷設(shè)計(jì)與實(shí)際爆破延時(shí)時(shí)間誤差。通過計(jì)算得到，包絡(luò)線峰值點(diǎn)1～7的延時(shí)時(shí)刻分別為：49，74，178，235，350，469，609ms，非電毫秒雷管延時(shí)時(shí)間及計(jì)算的網(wǎng)路理論延時(shí)時(shí)間與實(shí)際延時(shí)時(shí)間見表2。將理論與實(shí)際延時(shí)時(shí)間對(duì)比分析，可較容易看出非電毫秒雷管延時(shí)時(shí)間的精度，這對(duì)工程爆破作業(yè)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

表2　網(wǎng)路理論與實(shí)際延時(shí)時(shí)間對(duì)比

6　結(jié)論

采用EEMD方法對(duì)工程實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分解，并進(jìn)行Hilbert變換求出各IMF分量的Hilbert能量，以能量最大值的分量為原信號(hào)的主要分量，并對(duì)其進(jìn)行Hilbert變換得到包絡(luò)線，根據(jù)包絡(luò)線峰值得到網(wǎng)路的各段非電雷管的實(shí)際起爆時(shí)刻分別為49，74，178，235，350，469，609ms，從而準(zhǔn)確求得網(wǎng)路中各段間的實(shí)際延時(shí)時(shí)間為25，104，57，115，119，140ms。對(duì)網(wǎng)路理論與實(shí)際延時(shí)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析，理論與實(shí)際延時(shí)時(shí)間存在較大精度誤差，說明采用EEMD-HHT方法識(shí)別網(wǎng)路的延時(shí)精度是可行的。由于非電毫秒雷管本身存在較大誤差，造成實(shí)際延時(shí)時(shí)間的不確定性，而實(shí)際延時(shí)時(shí)間對(duì)指導(dǎo)工程爆破具有重大意義。

〔1〕 楊玉銀，廖成林，溫定煜，等. 南水北調(diào)穿黃河隧洞爆破振動(dòng)控制技術(shù)研究[J]. 工程爆破,2013,19(5):81-86.

YANGYu-yin,LIAOCheng-lin,WENDing-yu，etal.Blastingvibrationcontroltechnologystudyoftunnelacrosstheyellowriverofsouth-to-northwatertransferproject[J].EngineeringBlasting, 2013,19(5):81-86.

〔2〕 蔣文斌，趙自奇，劉士兵,等. 白云水電站大壩導(dǎo)流洞臨時(shí)堵塞爆破[J]. 工程爆破,2016,22(1):61-63.

JIANGWen-bin,ZHAOZi-qi,LIUShi-bing,etal.BlastingoftemporaryplugginginBaiyunpowerstationdam′sdivesiontunnel[J].EngineeringBlasting, 2016, 22(1):61-63.

〔3〕 邵珠山,王新宇,喬汝佳. 隧道爆破施工合理毫秒延期時(shí)間的數(shù)值研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2015,11(4):1009-1015.

SHAOZhu-shan,WANGXin-yu,QIAORu-jia.Numericalinvestigationintothereasonabledelaytimeinmillisecondinblastingengineeringofthetunnel[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering, 2015, 11(4): 1009-1015.

〔4〕 王洪. 城市隧道控制爆破施工技術(shù)探討[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2015,11(8):182-183.

WANGHong.Discussiononconstructiontechnologyofcontrollingurbantunnelblasting[J].HighwayTransportationScienceandTechnology(ApplicationTechno-logy) ,2015,11(8):182-183.

〔5〕 周宜,王海亮,張祖遠(yuǎn),等. 城市淺埋隧道下穿建筑物的微振動(dòng)爆破技術(shù)研究[J]. 隧道建設(shè),2015,35(1):89-93.

ZHOUYi,WANGHai-liang,ZHANGZu-yuan,etal.Studyonmicro-vibrationblastingtechnologyforshallowtunnelscrossingunderneathexistingbuildingsinurbanarea[J].TunnelConstruction,2015,35(1):89-93.

〔6〕 凌同華,李夕兵. 基于小波變換的時(shí)-能分布確定微差爆破的實(shí)際延遲時(shí)間[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004,23(13):2266-2270.

LINGTong-hua,LIXi-bing.Realtime-delayofmillisecondblastingbasedontime-energyofwavelettransform[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2004,23(13): 2266-2270.

〔7〕 龔敏,邱燚可可,孟祥棟,等. 基于HHT的雷管實(shí)際延時(shí)識(shí)別法在城市環(huán)境微差爆破中的應(yīng)用[J]. 振動(dòng)與沖擊,2015,34(10):206-212.

GONGMin,QIUYi-keke,MENGXiang-dong,etal.Identificationmethodofdetonator'sactualfiringtimedelaybasedonHHTanditsapplicationinmillisecondblastingunderurbanenvironment[J].JournalofVibrationandShock, 2015,34(10):206-212.

〔8〕 王柳,饒運(yùn)章,朱為民,等. 基于HHT方法的微差爆破延時(shí)識(shí)別[J]. 有色金屬科學(xué)與工程,2015,6(1):70-73.

WANGLiu,RAOYun-zhang,ZHUWei-min,etal.DelaytimeidentificationofmillisecondblastingbasedonHHTmethod[J].NonferrousMetalsScienceandEnineering, 2015,6(1):70-73.

〔9〕 孫強(qiáng)，王夢(mèng)曉，徐玉山，等. 巖巷爆破振動(dòng)信號(hào)的HHT分析與應(yīng)用[J]. 工程爆破,2016,22(1):1-7.

SUN Qiang, WANG Meng-xiao, XU Yu-shan，et al. HHT analysis and application of blasting vibration in rock roadway excavation [J]. Engineering Blasting, 2016,22(1):1-7.

〔10〕 張義平. 爆破振動(dòng)信號(hào)的HHT分析與應(yīng)用研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2006：22-24.

ZHANG Yi-ping. HHT analysis of blasting vibration and its application[D]. Changsha：Central South University,2006：22-24.

〔11〕 徐學(xué)勇,馮謙,雷靜雅. 基于小波包變換的爆破振動(dòng)信號(hào)能量分析方法[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2010,30(S2):27-30，62.

XU Xue-yong, FENG Qian, LEI Jing-ya. Energy ana-lysis method based on wavelet packet transeormation for explosion vibration signal[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2010,30(S2):27-30，62.

〔12〕 WU Z，HUANG N E. Ensemble empirical mode decomposition：a noise-assisted data analysis method[J]. Advances in Adaptive Data Analysis, 2009,1(1):1-41.

〔13〕 孫新建,李成業(yè). 巖石爆破振動(dòng)信號(hào)分析的EEMD濾波方法研究[J]. 水利水電技術(shù),2013,44(1):101-104,112.

SUN Xin-jian, LI Cheng-ye. Study on EEMD filtering method for analysis on rock blasting vibration signal[J]. Water Resources and Hydropower Engineeing, 2013,44(1):101-104,112.

〔14〕 張磊,陳長(zhǎng)征,劉杰. 自適應(yīng)EEMD法提取大型風(fēng)機(jī)主軸承早期故障特征[J]. 重型機(jī)械,2015(3):5-8.

ZHANG Lei, CHEN Chang-zheng, LIU Jie. Fault feature extraction of large wind turbine main bearing using self-adaption EEMD[J]. Heavy Machinery, 2015(3):5-8.

〔15〕 肖成勇,石博強(qiáng),馮志鵬. 基于EEMD和進(jìn)化支持向量機(jī)的齒輪混合智能診斷方法研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2015,34(1):86-89.

XIAO Cheng-yong, SHI Bo-qiang, FENG Zhi-peng. Hybrid intelligent diagnosing based on EEMD and genetic-support vector machine[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2015,34(1):86-89.

〔16〕 王柳,何少博,饒運(yùn)章,等. 基于EEMD的爆破振動(dòng)波傳播規(guī)律分析[J]. 有色金屬科學(xué)與工程,2015,6(2):63-66.

WANG Liu, HE Shao-bo, RAO Yun-zhang, et al. Analysis of blasting vibration wave propagation based on EEMD[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2015,6(2):63-66.

DelaytimeanalysisoftunnelblastingnetworkbasedonEEMD-HHTmethod

SUNXin-jian1,2，ZHANGLiang1，MENGJia1

(1.QinghaiUniversity,Xining810006,China；2.StateKeyLaboratoryofHydroScienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Becauseoftheinitiationerrorsofnon-electricmilliseconddetonator，therewasagreatererrorofthetheoreticalandtherealisticdelaytime.Inordertoresearchrealisticdelaytimeofthenetworkindepth,basedontheblastingvibrationsignalsofahydropowerstationdiversiontunnelprojectintheupstreamoftheYellowRiver,EEMDmethodwasusedtoobtaintheIMFcomponentsofblastingvibrationsignals,theenergyofIMFcomponentswerecalculatedwithHilberttransform,andenvelopecurvewasgotfrommaximumenergycomponentwithHilberttransform.Theactualinitiationtimeofeachsectionofnon-electricdetonatorwere49, 74, 178, 235, 350, 469, 609msthroughanalyzingenvelopepeakrespectively.Itcouldbecalculatedaccuratelythatrealisticdelaytimebetweeneachsectionoftheblastingnetworkwere25, 104, 57, 115, 119, 140msrespectively.Thetheoreticalandtherealisticdelaytimewerecomparativelyanalyzed.ItshowedthatEEMD-HHTmethodwasfeasibletoidentifythedelayprecisionofblastingnetwork.

Blastingnetwork;Delaytime;Hilbert-energy;EEMD-HHT;Tunnelblasting;Envelopecurve

1006-7051(2016)04-0007-04

2016-05-04

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2015CB057904)

孫新建(1976-)，男，博士后、副教授，主要從事爆破振動(dòng)安全研究。E-mail：sxj000918@sina.com

TD235.1

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.002