黃志波，吳能森，鄭宏利，林從謀，莊鈴強(qiáng)

(1.福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福州 350002；3.中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 101500；4.華僑大學(xué)巖土工程研究所，福建 廈門 361021)

隨著社會(huì)的發(fā)展，受既有建筑物或復(fù)雜空間環(huán)境的限制，地下立體交疊隧道的工程實(shí)例日益增多[1]。中俄原油管道二線工程呼瑪河隧道下穿正在運(yùn)營的中俄原油管道一線，在施工過程中如何確保正在運(yùn)營的中俄原油管道的安全是爆破工程面臨的難題。采用單一因素評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物的影響不夠全面及合理，關(guān)于爆破能量和頻率變化規(guī)律的研究漸漸受到重視[2]。不少學(xué)者采用小波包分析等技術(shù)對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)的特征進(jìn)行分析，并取得一定的成果[3-9]。為此，筆者依托中俄原油管道二線工程呼瑪河隧道項(xiàng)目，根據(jù)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用小波包分析技術(shù)，對(duì)其響應(yīng)特性進(jìn)行系統(tǒng)地分析，并研究不同掏槽方式下的爆破振動(dòng)能量分布及變化規(guī)律，以便為工程實(shí)踐提供參考。

1 爆破振動(dòng)信號(hào)獲取

呼瑪河隧道水平長度為1 470.6 m，隧道穿越起始里程為k0+47.1 m，終止里程為k1+517.7 m，為中俄原油管道二線的控制性工程。在k0+207 m處中俄原油管道二線工程呼瑪河隧道下穿正在運(yùn)營的中俄原油管道一線，且與其斜交，交叉角38°，上下最近垂直距離約為16 m。穿越區(qū)域圍巖等級(jí)為III～I(xiàn)V級(jí)，采用鉆爆法施工[10]，爆破設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 爆破設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Blasting design parameters

中俄原油管道二線工程呼瑪河隧道下穿中俄原油管道一線施工期間，采用成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的TC-4850爆破測(cè)振儀對(duì)中俄原油管道一線進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，典型波形爆破信息及監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。

注：圖中1～6為監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)。圖1 部分測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout of some measuring points

表2 典型波形爆破信息及監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 2 Typical waveform blasting information and monitoring results

2 典型爆破振動(dòng)信號(hào)小波包分解及能量分析

2.1 小波包分解

以典型波形z方向的原始信號(hào)為例進(jìn)行小波包分析，其中基函數(shù)為db4，分解尺度為3。先將其分解到8個(gè)子頻帶上，再對(duì)其進(jìn)行小波分解系數(shù)重構(gòu)并對(duì)各頻帶重構(gòu)波形進(jìn)行傅立葉變換，結(jié)合小波包能量理論進(jìn)行分析，最終獲得重構(gòu)波形的最大速度、各頻帶上能量分布和主頻(見圖2)。從圖2可知，各頻帶振動(dòng)速度峰值在不同時(shí)刻出現(xiàn)，波形疊加較少?？梢?，中俄原油管道一線隧道受地震波疊加的影響較小。

圖2 小波包系數(shù)重構(gòu)波形及其各頻帶的傅立葉變換Fig.2 Reconstruction of waveforms with wavelet packet coefficients and Fourier transform of each frequency band

2.2 小波能量分析

采用“db4”小波分別對(duì)典型波形的3個(gè)方向進(jìn)行小波能量分析，得到能量分布(見圖3)和各方向能量值(見表3)。對(duì)比圖2和圖3可知，時(shí)程信號(hào)經(jīng)過小波包分解以后，可以對(duì)信號(hào)在時(shí)-頻域內(nèi)進(jìn)行更細(xì)微的觀察，彌補(bǔ)在對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)傅立葉變換在頻域上的缺陷。

圖3 能量分布Fig.3 Energy distribution

表3 各方向能量值Table 3 Energy value in each directions (J)

由圖3可知，測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的能量分布頻帶都比較寬，且主要分布在1～4頻帶上，并且隨著時(shí)間的變化而迅速衰減；x方向的能量最高點(diǎn)出現(xiàn)在第1頻段，y方向的能量最高點(diǎn)出現(xiàn)在第2頻段，第1頻段次之，z方向的能量最高點(diǎn)出現(xiàn)在第1頻段。

由表3可知，z方向的能量最大值和總能量在3個(gè)方向中均為最大，其中z方向的總能量占3個(gè)方向能量之和的88%；x方向的總能量最小，但y方向與x方向的總能量較為接近；3個(gè)方向能量的分布情況與3個(gè)方向峰值速度的大小分布情況相吻合(x方向0.79 cm/s；y方向1.02 cm/s；z方向3.93 cm/s)?？梢?，中俄原油管道一線隧道主要受能量最大方向的振動(dòng)影響。

2.3 不同掏槽方式的爆破振動(dòng)頻帶能量分析

為了研究不同掏槽方式能量的分布情況，以爆破條件及參數(shù)相似，爆心距相差0.05 m(相對(duì)距離為0.27%)的2個(gè)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，對(duì)其進(jìn)行爆破振動(dòng)頻帶能量分析。爆破信息及監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4所示，其中斜掏方式下合速度為直掏時(shí)的2.45倍。

表4 爆破信息及監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 4 Blasting information and monitoring results

采用“db4”小波分別對(duì)直掏和斜掏情況下監(jiān)測(cè)結(jié)果的3個(gè)方向進(jìn)行小波能量分析，得到不同頻帶能量分布(見表5)和能量最大值及總能量值(見表6)。由表5可知，直掏和斜掏情況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)分解在8個(gè)頻帶上的能量均主要分布在1～4頻帶，并且隨著時(shí)間的變化而迅速地衰減；斜掏和直掏情況下3個(gè)方向的能量最高點(diǎn)均出現(xiàn)在第1頻段；掏槽方式由斜掏變?yōu)橹碧蜁r(shí)，3個(gè)方向?qū)?yīng)的第1頻帶能量減弱，第2頻帶能量增強(qiáng)，頻率向高頻部分偏移量，不考慮振動(dòng)幅值的情況下是對(duì)中俄油管道一線隧道是有利的。

表5 直掏和斜掏情況的不同頻帶能量分布Table 5 Energy distribution of different frequency bands in direct cutting and oblique cutting (%)

表6 直掏和斜掏情況的能量最大值及總能量Table 6 Maximum energy and total energy of direct cutting and oblique cutting (J)

由表6可知，直掏和斜掏情況下z方向的能量最大值和總能量在3個(gè)方向中均為最大，其中直掏情況下z方向的總能量占3個(gè)方向能量之和的88%，斜掏情況下的為92%；直掏情況下x方向的總能量最小，但y方向與x方向的總能量較為接近。而斜掏情況下雖然也是x方向的總能量最小，且y方向的總能量約為x方向的2.2倍。直掏和斜掏情況下3個(gè)方向能量的分布情況與3個(gè)方向速度峰值的大小分布情況相吻合。斜掏情況下各方向總能量和約為直掏情況下的5.3倍，z方向能量最大值約為直掏情況下的12.4倍?？梢?，采用直掏比斜掏對(duì)中俄原油管道一線隧道的影響更小。

3 爆破振動(dòng)隨距離變化衰減規(guī)律

為研究爆破振動(dòng)信號(hào)的能量隨距離變化的衰減規(guī)律，選取同一炮次4個(gè)測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果為研究對(duì)象，其爆破信息及監(jiān)測(cè)結(jié)果如表7所示。

表7 爆破信息及監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 7 Blasting information and monitoring results

采用“db4”小波分別對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的3個(gè)方向進(jìn)行小波能量分析，得到不同頻帶能量分布(見表8)和各個(gè)方向能量值(見表9)。由表8可知，不同距離的振動(dòng)數(shù)據(jù)分解在8個(gè)頻帶上的能量均主要分布在1～4頻帶，總體上隨著距離的增加第3～4頻帶上的能量分布越明顯。第1頻帶中y方向和z方向的能量百分比總體上隨著距離的增加而減小，第2頻帶則反之。同時(shí)，第3和4頻帶中z方向的能量百分比總體上隨著距離的增加而增加，可見隨著距離的增加頻率向高頻部分偏移量，不考慮振動(dòng)幅值的情況下是對(duì)中俄原油管道一線隧道是有利的。

表8 不同頻帶能量分布Table 8 Energy distribution in different frequency bands (%)

表9 不同距離能量值Table 9 Energy values at different distances (J)

根據(jù)表9得能量隨距離變化關(guān)系(見圖5)可知，不同距離下z方向的總能量在3個(gè)方向中均為最大，其中距離最近時(shí)z方向的總能量占其對(duì)應(yīng)3個(gè)方向能量之和的88%；z方向的總能量和3個(gè)方向的能量之和隨著距離的衰減規(guī)律均可采用指數(shù)函數(shù)表示：

圖5 能量隨距離的變化Fig.5 Energy change with distance

y=106e-1.042xR2=0.983 1

(1)

y=106e-0.916xR2=0.925 9

(2)

式中：y為能量值;x為爆心距。

4 結(jié)語

1)從最大單段藥量為15 kg，總藥量為80 kg下的典型波形顯示，各頻帶振動(dòng)峰值速度在不同時(shí)刻出現(xiàn)，中俄原油管道一線隧道受地震波疊加的影響較??；z方向的能量最大值和總能量在3個(gè)方向中均為最大(占3個(gè)方向能量之和的88%)，中俄原油管道一線隧道主要受z方向的振動(dòng)影響。

2)在最大單段藥量和總藥量等情況相近，掏槽方式不同時(shí)，掏槽方式由斜掏變?yōu)橹碧蜁r(shí)，3個(gè)方向?qū)?yīng)的第1頻帶能量減弱，第2頻帶能量增強(qiáng)，頻率向高頻部分偏移量；斜掏情況下各方向總能量和約為直掏情況下的5.3倍，z方向能量最大值約為直掏情況下的12.4倍，合速度約為直掏時(shí)的2.45倍。

3)在最大單段藥量和總藥量相同，距離不同時(shí)，隨著距離的增加，總體上呈現(xiàn)y方向和z方向的能量由第1頻帶向2～4頻帶轉(zhuǎn)移，即頻率向高頻部分偏移量；z方向的總能量和3個(gè)方向的能量之和隨著距離的衰減規(guī)律均可采用指數(shù)函數(shù)表示。