梁書鋒，凌天龍，李 晨

(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.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，爆破開挖會對臨近既有隧道造成一定的擾動，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，國內(nèi)學(xué)者在小凈距隧道爆破控制和安全評估方面做了大量的研究工作。這些工作主要包括2個方面：(1)通過監(jiān)測爆破地震波，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特性，探討爆破振動對既有臨近隧道及中隔墻的影響，分析小凈距隧道爆破振動效應(yīng)的影響因素[8-12]。

以新建京張高鐵長城站為工程背景，通過對現(xiàn)場爆破實(shí)測振動數(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。

1 工程概況

新建京張高鐵八達(dá)嶺長城站位于八達(dá)嶺滾天溝停車場下方新八達(dá)嶺隧道內(nèi)，是國內(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，圍巖級別為IV級。八達(dá)嶺長城站剖透圖如圖1所示。

長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。為減小爆破對中隔墻整體性和穩(wěn)定性的影響，采用上下臺階法鉆爆施工。上臺階采用楔形掏槽爆破，下臺階采用水平孔拉槽爆破。上臺階掏槽孔孔口間距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。上臺階炮孔布置如圖2所示。

圖 1 長城站立體圖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

2 爆破振動測試

2.1 測試方案

在長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。由于中洞爆破時中隔墻端部的振動效應(yīng)未有先行經(jīng)驗(yàn)可借鑒，這將作為現(xiàn)場振動監(jiān)測內(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)測內(nèi)容的一部分。

通常在小凈距隧道施工時，爆破振動對相鄰隧道產(chǎn)生的最大振動速度出現(xiàn)在迎爆側(cè)的邊墻部位[1]。按照上述的監(jiān)測內(nèi)容并結(jié)合工程實(shí)際，本工程的爆破振動測試主要在先行側(cè)洞中隔墻迎爆側(cè)邊墻部位進(jìn)行。采集系統(tǒng)采用成都中科測控有限公司研制的TC-4850爆破測振儀。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。此次振動監(jiān)測分為兩種工況：(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個速度傳感器，如圖3(b)所示?，F(xiàn)場監(jiān)測時，測點(diǎn)固定，根據(jù)掌子面的位置變化，監(jiān)測并分析爆破地震波在中隔墻中的分布和傳播規(guī)律。

圖 3 爆破振動監(jiān)測點(diǎn)布置圖(單位：m)Fig. 3 Layout of blasting vibration monitoring point(unit：m)

2.2 爆破振動數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于測試環(huán)境及測試系統(tǒng)的原因，在振動時程曲線上，波形偏離基線中心，存在明顯的趨勢項(xiàng)。通過信號的頻譜分析可以發(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)信號趨勢項(xiàng)去除的有效方法，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性[13]。但在對本次試驗(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信號中的趨勢項(xiàng)：

(1)先對原始信號循環(huán)添加多次正態(tài)分布噪聲信號并逐次進(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)測試系統(tǒng)的性能指標(biāo)和爆破地震波信號特點(diǎn)，去除部分低頻分量，將剩余分量重構(gòu)即可得到去除趨勢項(xiàng)后的真實(shí)振動信號。

圖4為某次爆破施工中監(jiān)測到的Y方向典型振動信號。從圖中可以看出，趨勢項(xiàng)對原始信號的影響極大，已經(jīng)無法判斷出峰值振動速度。應(yīng)用EEMD分解后重構(gòu)的振動信號，趨勢項(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趨勢項(xiàng)是可行的。將監(jiān)測得到爆破振動信號按上述方法進(jìn)行處理，并以此作為后續(xù)工作的研究基礎(chǔ)。

圖 4 原始信號及重構(gòu)信號對比Fig. 4 Comparison of Original signal and reconfiguration signal

3 長城站爆破振動效應(yīng)

3.1 中隔墻末端“鞭梢效應(yīng)”

由于本工程中監(jiān)測位置夾巖厚度僅有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)測的2組振動速度峰值的分布規(guī)律，圖中距離正值表示掌子面前方測點(diǎn)，負(fù)值表示掌子面后方測點(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#測試點(diǎn))X和Y方向的振動速度較大，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，測點(diǎn)1振動速度甚至超過爆源附近的測點(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，但測點(diǎn)1的振動速度仍能達(dá)到測點(diǎn)3的2～3倍，說明爆破振動對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(3#測點(diǎn))，該效應(yīng)則不復(fù)存在。因此，采用縱、橫交錯的隧洞對中隔墻進(jìn)行切割時，應(yīng)重點(diǎn)控制爆破振動對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爆破地震波的放大作用。

圖 5 中隔墻振動速度特征曲線Fig. 5 Characteristic curves of vibration velocity of the interlaid rock wall

3.2 中隔墻爆破地震波傳播規(guī)律

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)，針對不同爆心距、不同裝藥量進(jìn)行了一系列振動測試工作，用以研究中隔墻爆破地震波的傳播規(guī)律。

目前，國內(nèi)外多采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)衰減公式對爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析[15]

(1)

式中，Vmax為質(zhì)點(diǎn)振動速度峰值，cm/s；Q為與振動速度峰值VmaX相對應(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速度峰值，采用式(1)對數(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，Y方向振動速度峰值最大，X和Z方向的振動速度峰值相近；當(dāng)比例距離超過6以后，3個方向的振動速度峰值趨于一致。

(2)掌子面前方振動速度衰減較慢，后方則相對較快，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)，掌子面后方的振動速度大于掌子面前方相同距離測點(diǎn)的振動速度，因此，施工中宜加強(qiáng)該部位的監(jiān)測和相關(guān)支護(hù)。

3.3 中隔墻爆破振動時頻分析

HHT方法把信號中不同時間頻率范圍的波動或趨勢逐層分解后，產(chǎn)生一組特征尺度不同的數(shù)據(jù)列，信號的能量在頻率或時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的兩個測點(diǎn)的振動信號為研究對象，在第2節(jié)的基礎(chǔ)上，將低頻的趨勢項(xiàng)分量去除后，對剩余IMF分量進(jìn)行Hilbert-Huang變換，將每個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個方向的振動速度信號中，前4個分量所含能量的比例較大，高頻成分在振動信號中占據(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)隧洞波動場的影響下，動力響應(yīng)變得十分復(fù)雜，而這些能量占比相對較大的低頻分量有可能對中隔墻的穩(wěn)定性不利，其影響不可忽視。

圖8為3個方向上2組振動速度信號的Hilbert能量譜，它具有時間-頻率-能量三維特性，能夠精確地表明信號的能量分布情況。從圖中可以看出，3個方向振動速度Hilbert能量譜的整體形式基本相同，信號的波動能量基本處在時間段0～0.6 s內(nèi)，頻率成分則相對復(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軸方向的振動信號是由勒夫波和瑞利波疊加產(chǎn)生的。特別地，Z方向信號的頻率成分及其在時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 不同振動信號三維時頻譜Fig. 8 Three-dimensional energy spectrum of different vibration signal

對比掌子面前方和后方的Hilbert能量譜可以發(fā)現(xiàn)，掌子面前方振動信號X和Y方向的振動能量主要集中在0～0.1 s范圍內(nèi)，這部分振動能量是由掏槽孔引起的，由崩落孔和周邊孔引起的振動能量與掏槽孔相比均較??；而掌子面后方振動信號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)動力響應(yīng)的特殊性引起的。因此，在進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)時不僅應(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。

4 電子雷管降振技術(shù)研究

為最大限度保護(hù)隧道圍巖，長城站采用臺階法施工，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)測結(jié)果可知，采用非電導(dǎo)爆管雷管爆破時，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。

電子雷管降振技術(shù)的關(guān)鍵在于時差的設(shè)定。炮孔間延期時間的設(shè)置既要保證巖體的破碎，也要實(shí)現(xiàn)錯峰降振。通過多次試驗(yàn)，得出長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)：掏槽孔間延期時間設(shè)置為15 ms；崩落孔間延期時間設(shè)置為20 ms；周邊孔和底邊孔間延期時間設(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間參數(shù)，對電子雷管起爆引起的振動進(jìn)行監(jiān)測，與掌子面平齊的中隔墻振動速度如圖9所示。

圖 9 電子雷管爆破振動信號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波形為分段式多峰波形，與普通導(dǎo)爆管雷管振動波形不同，電子雷管的多個峰段持續(xù)時間長，振速分布均勻；掏槽孔實(shí)現(xiàn)單孔連續(xù)爆破，產(chǎn)生振動的藥量為單孔藥量，極大地降低了掏槽爆破振動速度；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，是影響中隔墻振動速度的主要因素；此次監(jiān)測結(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)碼電子雷管振動信號的Hilbert 能量譜。由圖中可以看出，振動能量出現(xiàn)的時間與振速多個峰段的時間相同，在整個振動過程中，振動能量的波動較為平穩(wěn)，并未出現(xiàn)過度集中的能量峰值，振動峰值在頻率軸上呈現(xiàn)均勻化分布趨勢。

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)多次爆破振動測試的統(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。

5 結(jié)論

以高鐵長城站為工程背景，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的時頻特性，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)測和支護(hù)。

(2)當(dāng)比例距離小于6時，Y方向的振動速度最大；當(dāng)比例距離大于6時，3個方向的振動速度峰值趨于一致。

(3)采用薩道夫斯基公式對爆破振動數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明：對于參數(shù)K和α的值，K前

(4)對中隔墻振動信號進(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場影響，動力響應(yīng)復(fù)雜，低頻分量的能量比例出現(xiàn)“反彈”現(xiàn)象，可能對中隔墻的穩(wěn)定性不利。

(5)應(yīng)用HHT方法進(jìn)行時頻分析，小凈距隧道爆破振動的波動能量集中在50～200 Hz范圍內(nèi)；掌子面前方巖體的波動能量集中在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產(chǎn)生多個次能量峰值，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，振動波形呈多峰段均勻分布，振動能量波動平穩(wěn)，振動速度峰值比采用普通雷管施工時降低50%～70%，降振技術(shù)方案有效可行。