江雅勤， 劉殿書, *， 武 宇， 謝 烽， 袁 達(dá)， 張會歌

(1. 中國礦業(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

目前國內(nèi)隧道掘進(jìn)仍然以鉆爆法為主，爆破振動嚴(yán)重影響了隧道的施工安全及施工效率，會對襯砌及圍巖造成嚴(yán)重的損傷，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全[1-4]。國內(nèi)關(guān)于爆破振動的研究主要集中在振速和主頻的衰減規(guī)律上。卓效明[5]為了研究不同級別圍巖中振速的衰減規(guī)律，通過隧道爆破振動測試試驗獲得了近千個數(shù)據(jù)，然后分別對隧道縱、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。饒增[6]對實測的隧道振動數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，利用薩道夫斯基公式對振速擬合，得到了隧道振速的衰減公式。傅洪賢等[7]對隧道爆破近區(qū)的圍巖進(jìn)行了振速監(jiān)測，通過大量的測試數(shù)據(jù)得出了隧道掌子面后方拱頂、掌子面正上方和側(cè)面圍巖的爆破振動規(guī)律，平行于掌子面同一斷面上拱頂處的質(zhì)點峰值速度大于拱腳和邊墻處的質(zhì)點峰值速度。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)點速度，發(fā)現(xiàn)隨著與掌子面距離的增大，圍巖質(zhì)點的峰值振速先是急劇衰減而后平緩衰減，隧道循環(huán)進(jìn)尺越大對圍巖的擾動越嚴(yán)重。文獻(xiàn)[9-10]的研究表明，振動信號不同的頻帶對結(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信號各個頻帶的信息，能夠更好地確定振動對隧道工程結(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)場振動測試試驗研究隧道爆破的振動規(guī)律非常有意義。本文結(jié)合工程現(xiàn)場實際情況，從信號的不同頻帶方面研究隧道不同位置的爆破振動，對隧道上臺階爆破掘進(jìn)過程中初期支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)的振動進(jìn)行監(jiān)測，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)地勢較平坦。澆花峪隧道采用兩臺階掘進(jìn)爆破施工，單次開挖面尺寸較大，歷次爆破總藥量均超過200 kg，爆破地震效應(yīng)明顯。為減小爆破施工中的振動，防止隧道結(jié)構(gòu)破壞，隧道上臺階采用掘進(jìn)爆破，下臺階采用水平孔拉槽爆破。爆破時上、下臺階開挖面相距70 m以上，上臺階開挖高度為7.8 m，開挖面積為90.5 m2，下臺階開挖面積為59.5 m2。上臺階炮孔布置如圖1所示。振動測試試驗段均為Ⅲ級圍巖，爆破參數(shù)如表1所示。上臺階爆破掘進(jìn)過程中，現(xiàn)場試驗主要監(jiān)測里程YK28+190～+354的隧道初期支護(hù)襯砌振動情況。

(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 試驗方案

選取距離掌子面38 m處的隧道斷面作為首次測試斷面。為研究隧道鉆爆施工時拱形結(jié)構(gòu)的振動效應(yīng)，在測試斷面拱頂、拱腰和邊墻處各布置1個測點，采集爆破掘進(jìn)時測點的的振動數(shù)據(jù)。測點布置如圖2所示。

在布置測點時，為了保證整個測試過程不出現(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位置，然后采用錨固劑使待測位置平整并加強(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 測點布置圖

圖3 傳感器布置方式示意圖

3 試驗結(jié)果分析

3.1 振動規(guī)律分析

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

利用薩道夫斯基公式對隧道拱頂、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，無論在哪個方向上，總有振速v拱頂>v拱腰>v邊墻，且隨著比例距離的增加，3個方向的振速逐漸接近，當(dāng)比例距離增加至一定數(shù)值時，3個方向的振速可能會重合。

為了研究隧道爆破過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測試數(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振動波逐漸衰減，與其他測試位置相比，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絕對值均大于其他測試位置相應(yīng)方向的α絕對值，說明拱頂振速衰減最快，且其垂直方向振速比其他2個方向的振速衰減快。

表2 隧道拱頂、拱腰和邊墻測點部分測試數(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 測試位置3個方向的K值

表4 測試位置3個方向的α值

3.2 主頻分析

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

表5隧道拱頂、拱腰和邊墻垂直方向振動主頻

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

測點編號爆心距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]分別對拱頂、拱腰以及邊墻處的爆破振動主頻進(jìn)行回歸，隧道拱頂、拱腰和邊墻處垂直方向振動主頻回歸曲線如圖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，隨著測點與爆源距離的增加，各個位置的振速差異不大，在振速相同或者接近時，拱腰位置的主頻最低。因此，從振速-主頻的安全判據(jù)來看，拱腰位置出現(xiàn)破壞情況的風(fēng)險最大。

3.3 振動信號的小波分析

3.3.1 頻帶分析

選取藥量為222 kg時距離掌子面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小波基將信號進(jìn)行9層分解，共10個頻帶，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，高頻分量為D1—D9，低頻分量為A9。D1為信號分解出的9個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，說明拱頂振動的高頻部分能量占比很大。D2、D3和D4信號頻率較低，振速較大，其中D4信號的振速最大，且接近于原始信號的最大振速，達(dá)到了0.967 cm/s。參照小波分解每個波段的頻帶，D4為振動信號的優(yōu)勢頻段，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?。A9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)時間較長，但是不會對隧道結(jié)構(gòu)造成危害。

對sy、sb信號進(jìn)行小波分解后發(fā)現(xiàn)，位置不同，優(yōu)勢頻帶也在發(fā)生變化。拱頂振動的優(yōu)勢頻帶集中在中高頻區(qū)域，邊墻振動的優(yōu)勢頻帶集中在中低頻區(qū)域，拱腰振動的優(yōu)勢頻帶集中在低頻區(qū)域。當(dāng)優(yōu)勢頻帶向A9靠攏時，頻帶主頻接近于結(jié)構(gòu)自振頻率，且耦合性越好，引起的振動越強(qiáng)烈，對隧道結(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、傳播以及對隧道結(jié)構(gòu)的影響過程，本質(zhì)是能量在傳播介質(zhì)中傳遞和轉(zhuǎn)移的過程。不同頻帶振動分量的振動強(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]中的公式計算。

分別對距掌子面67 m處的sd、sy和sb 3個振動信號進(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 (b) 原始信號

(c) 重構(gòu)信號誤差 (d) 重構(gòu)信號D1

(e) 重構(gòu)信號D2 (f) 重構(gòu)信號D3

(g) 重構(gòu)信號D4 (h) 重構(gòu)信號D5

(i) 重構(gòu)信號D6 (j) 重構(gòu)信號D7

(k) 重構(gòu)信號D8 (l) 重構(gòu)信號D9

(m) 重構(gòu)信號A9

PPV為質(zhì)點峰值振速。

圖6 sd信號的小波分解和重構(gòu)

Fig. 6 Wavelet decomposition and reconstruction of sd signal

(a) sd信號

(b) sy信號

(c) sb信號

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

通過上述計算可知，3～200 Hz頻段集中了爆破振動信號的大部分優(yōu)勢能量，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單一，頻帶寬度較小，而拱腰和邊墻處的頻率成分相對較豐富，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，拱腰發(fā)生破壞的風(fēng)險最大。

4 結(jié)論與討論

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

1)針對振速3個方向的分量，總有v拱頂>v拱腰>v邊墻，且隨著比例距離的增加，3個方向的振速逐漸接近，說明隨著比例距離的增加，測點位置對振速的影響會逐漸減小。

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，隨著測點與爆源距離的增加，各個位置的振速差異不大，拱腰位置的主頻最低，說明拱腰位置發(fā)生破壞的風(fēng)險要大于拱頂和邊墻。

3)爆破振動信號的大部分優(yōu)勢能量集中在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較豐富，頻帶寬度較大，拱腰位置的低頻能量最高，說明此處發(fā)生破壞的風(fēng)險最大。

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

[1] 楊佑發(fā), 崔波. 爆破震動速度峰值的預(yù)測[J]. 振動與沖擊, 2009, 28(10): 195.

YANG Youfa, CUI Bo. Prediction for vibration intensity due to blasting induced ground motions[J]. Journal of Vibration and Shock, 2009, 28(10): 195.

[2] 盧文波, 張樂, 周俊汝, 等. 爆破振動頻率衰減機(jī)制和衰減規(guī)律的理論分析[J]. 爆破, 2013, 30(2): 1.

LU Wenbo, ZHANG Le, ZHOU Junru, et al. Theoretical analysis of decay mechanism and law of blasting vibration frequency[J]. Blasting, 2013, 30(2): 1.

[3] 張繼春, 曹孝君, 鄭爽英, 等. 淺埋隧道掘進(jìn)爆破的地表震動效應(yīng)試驗研究研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2005, 24(22): 4158.

ZHANG Jichun, CAO Xiaojun, ZHENG Shuangying, et al. Experimental study of vibration effects of ground due to shallow tunnel blasting[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(22): 4158.

[4] 叢樹翠, 王海亮. 相鄰隧道爆破震動波的傳播規(guī)律研究[J]. 隧道建設(shè), 2012, 32(4): 502.

CONG Shucui, WANG Hailiang. Study of propagation rules of vibration waves by blasting of adjacent tunnel[J]. Tunnel Construction, 2012, 32(4): 502.

[5] 卓效明. 廈門仙岳山公路隧道爆破振動測試報告[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2002， 39(2): 59.

ZHUO Xiaoming. Test report of vibration induced by blasting in Xianyueshan municipal tunnel in Xiamen[J]. Modern Tunnelling Technology, 2002， 39(2): 59.

[6] 饒增. 隧道鉆爆施工對初期支護(hù)的影響及控制標(biāo)準(zhǔn)的研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué)， 2010.

RAO Zeng. The study of impacts and control standard of drilling and blasting method on primary support[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University， 2010.

[7] 傅洪賢, 趙勇, 謝晉水, 等． 隧道爆破近區(qū)爆破振動測試研究[J]． 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2011, 30(2): 335.

FU Hongxian，ZHAO Yong，XIE Jinshui, et al. Study of blasting vibration test of area near tunnel blasting source[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30 (2): 335.

[8] 陸瑜. 公路隧道光面爆破圍巖振動衰減規(guī)律[J]. 水利與建筑工程學(xué)報, 2014, 12(6): 87.

LU Yu. The attenuation law of vibrations in highway tunnel surrounding rocks caused by smooth blasting[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2014, 12 (6): 87.

[9] 王恒富, 陳壽如. 基于小波分析的淺埋隧道爆破地震波時頻特征研究[J]. 采礦技術(shù), 2014, 14(3): 89.

WANG Hengfu, CHEN Shouru. Study of time-frequency characteristics of blasting seismic wave in shallow tunnel based on wavelet analysis[J]. Mining Technology, 2014, 14(3): 89.

[10] 劉洋, 趙明階, 賀林林, 等. 石龍山隧道爆破振動信號的小波分析[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2012, 31(2): 223.

LIU Yang, ZHAO Mingjie, HE Linlin, et al. Wavelet analysis of blasting seismic signals of Shilongshan Tunnel[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science), 2012, 31(2): 223.

[11] 張立國, 龔敏, 于亞倫. 爆破振動頻率預(yù)測及其回歸分析[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報， 2005, 24(2): 187.

ZHANG Liguo, GONG Min, YU Yalun. Forecast and regression analysis of blasting vibration frequency[J]. Journal of Liaoning Technical University, 2005, 24(2): 187.

[12] 林秀英， 張志呈. 爆破地震波的頻譜分析[J]. 中國礦業(yè)， 2000， 6 (9): 77.

LIN Xiuying, ZHANG Zhicheng. Spectrum analysis of seismic wave from blasting[J]. China Mining Magazine, 2000， 6(9): 77.

[13] 范磊， 沈蔚. 爆破振動頻譜特性實驗研究[J]. 爆破，2001，18(4)： 18.

FAN Lei, SHEN Wei. Experimental study of frequency spectrum characteristics of blast vibration wave[J]. Blasting, 2001, 18(4): 18.

[14] 劉鳳錢, 趙明生, 池恩安. 爆破振動與車輛振動信號時頻特性對比分析[J]. 爆破, 2010, 27(4): 105.

LIU Fengqian, ZHAO Mingsheng, CHI En′an. Comparative analysis of time-frequency characteristic between blasting vibration and vehicle vibration signals[J]. Blasting, 2010, 27(4): 105.

[15] 林大超, 施惠基, 白春華, 等. 基于小波變換的爆破振動時頻特征分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2004, 23(1): 101.

LIN Dachao, SHI Huiji, BAI Chunhua, et al. Time-frequency characteristic analysis of blasting vibration based on wavelet transform [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(1): 101.