周繼國 焦 健 陳德山

（蘭州石化職業(yè)技術大學資源環(huán)境工程系）

爆破技術被廣泛應用于巖土施工，降低了工程開挖與巖石破碎的成本，經(jīng)濟效益可觀，但在爆破過程中，炸藥能量不可避免地轉(zhuǎn)化為振動能量，在爆破遠區(qū)對構（建）筑物造成影響，爆破參數(shù)的不合理設計，進一步放大振害問題，對構（建）筑物產(chǎn)生破壞，嚴重干擾人類生活，產(chǎn)生不良社會影響［1］。因此，關于爆破振動效應及其控制措施，相關學者進行了大量研究，該方面的理論與研究成果日趨完善。董英健等［2］就露天礦臺階爆破振動對既有隧道的振動影響進行了分析，采用HHT 方法分析振動信號，為爆破施工提供了參考；李強等［3］研究了深孔爆破對于巷道圍巖穩(wěn)固性的影響，表明深孔爆破振動波的能量頻域范圍主要分布于20 Hz 內(nèi)，易導致構（建）筑物產(chǎn)生共振；邱賢陽等［4］利用HHT 方法對高精度雷管短微差爆破的降震效果進行了研究；吳從師等［5］開展了自由面對爆破振動信號能量分布影響規(guī)律的研究，認為自由面越多，振動能量越低；葉宇等［6］對在建隧道爆破引發(fā)已有公路路基和擋墻的動力響應開展了研究；唐春海等［7］將振動速度與頻率相結合，分析爆破振動實測結果，為我國爆破地震安全判據(jù)提供了參考與指導。

隧道爆破極易對鄰近構（建）筑物產(chǎn)生振動危害，而由于鄰近民房自身高度低、難以受低振動影響，易產(chǎn)生垮塌等重大安全事故，經(jīng)常被施工方所忽視。合理的參數(shù)設計與爆破施工可減小爆破對于構（建）筑物的振動效應，降低對鄰近居民的影響，而爆破振動對于鄰近民房的影響卻未得到重視，其控制措施研究也鮮有涉及。因此，本研究監(jiān)測隧道爆破對民房產(chǎn)生的振動，分析隧道爆破振動傳播規(guī)律，基于HHT 能量分析方法研究振動能量對土坯房屋的影響，進而為隧道爆破作業(yè)的振動控制提供參考。

1 工程概況

云南普洱市南澗縣至景東縣高速公路隧道為雙洞隧道，全長2 580 m，圍巖等級主要為V、ⅠⅠⅠ和ⅠV級，隧道穿越山體的上方散布著村民房屋。該隧道在爆破施工過程中對于村民日常生活產(chǎn)生了較為嚴重的影響，引起了村民的不滿與抵制。為獲取隧道爆破作業(yè)對周圍鄰近民房的振動影響情況，并預測后續(xù)爆破引起的振動效應，所以，對該爆破作業(yè)進行振動監(jiān)測。隧道施工采用上下斷面施工，根據(jù)以往監(jiān)測結果，上斷面爆破產(chǎn)生的振動較大，并且右側隧道距離民房更近，所以選擇對右隧道上斷面臺階進行監(jiān)測。上臺階炮孔按掏槽眼、輔助眼、周邊眼進行布置，具體炮孔布置見圖1。本次爆破作業(yè)實際總裝藥量為49.5 kg，分5 段進行起爆，最大單段藥量為10.8 kg，具體裝藥參數(shù)如表1所示。

2 隧道爆破振動監(jiān)測

2.1 振動監(jiān)測

為了完成對該村主要民房區(qū)域的監(jiān)測，并使監(jiān)測數(shù)據(jù)具有代表性，所以監(jiān)測點主要確定為最近民房、最遠民房、村民反映震感強烈的位置以及結構較弱的房屋，監(jiān)測方案選取7個測點進行了振動信號監(jiān)測，測點均為居住房屋，分散位于村內(nèi)民房區(qū)域，呈扇形分布，測點布置如圖2 所示，各測點位置均高于爆源，與爆源具有一定的高差。采用成都中科測控有限公司所生產(chǎn)的TC-4850型爆破測振儀，所配套的振動傳感器為低頻三向振動速度傳感器，可對振動信號水平X徑向，水平Y切向，豎直Z方向的分速度進行監(jiān)測，傳感器采用石膏固定在民房地基位置，如圖3所示。

2.2 振動數(shù)據(jù)分析

通過對各測點的振動監(jiān)測，得到了7組爆破振動數(shù)據(jù)，各組爆破振動數(shù)據(jù)主要參數(shù)如表2所示。根據(jù)表2 中數(shù)據(jù)可知，各監(jiān)測點振動主頻率分布在10～40 Hz，質(zhì)點峰值振動速度PPV 介于0.01～0.09 cm/s。此次監(jiān)測房屋除1#為磚混結構，屬于一般民用建筑，其它均為土坯結構，結合表3 的爆破振動安全允許標準［8］,可見振動參數(shù)在安全允許范圍之內(nèi)。

為描述此隧道爆破振動衰減規(guī)律，采用薩道夫斯基公式對監(jiān)測取得的PPV進行回歸：

式中，v為質(zhì)點振動峰值速度PPV，cm/s；R為爆心距，m；Q為最大單段藥量，kg；k，α為均與地質(zhì)地形相關的系數(shù)。

為便于數(shù)據(jù)分析，將式（1）對數(shù)化：

將表2 中PPV 與爆心距以及最大單段藥量帶入上式，采用最小二乘法對k，α進行回歸，回歸結果如圖4 所示，得到3 個方向的PPV 衰減規(guī)律見表4，回歸相關性系數(shù)達到0.90 以上，說明采用薩道夫斯基公式對于此次爆破振動進行回歸分析精確性較高，雖然監(jiān)測點位置高程逐漸增大，但PPV 未出現(xiàn)明顯的高程放大效應，并且衰減規(guī)律明確。根據(jù)回歸的振動衰減公式，可準確對振動衰減規(guī)律進行描述，預測其他區(qū)域的PPV。

隧道爆破開挖過程中，周圍民房較多，爆破振動易對其產(chǎn)生擾動與破壞，為指導隧道后期爆破施工，需對爆破工藝進行控制。若按照當前最大單段藥量10.8 kg 進行施工，根據(jù)爆破振動衰減規(guī)律，對一般民用房屋以及土坯房屋的安全允許距離范圍進行計算：

代入表3 中土坯房屋最低允許振動速度0.15 cm/s 及一般民用房屋最低允許振動速度1.5 cm/s，得到二者安全允許距離分別為43，113 m，即一般民用房屋距爆源43 m 以外符合安全標準，土坯房屋距爆源113 m 以外符合安全標準，后續(xù)爆破施工最大單段藥量若大于10.8 kg，則該安全距離值會繼續(xù)增大。

以上分析發(fā)現(xiàn)，此次爆破的PPV 未超過安全標準，之后爆破掌子面將逐漸遠離民房，如爆破最大單段藥量不超過10.8 kg，爆破振動對于民房的影響將不會超過安全標準。為判定該隧道爆破作業(yè)在整個建設期間對鄰近民房的振動影響是否超過安全標準，還需進一步獲取該隧道前期爆破對于民房的擾動情況。從圖2 中4#測點到隧道的垂線可以看出，4#土坯房屋邊緣至隧道最短距離為109 m，若此前爆破掌子面在經(jīng)過最短距離處及其附近時，爆破最大單段藥量接近甚至大于10.8 kg，那么可以推斷之前的爆破振動對于4#測點處民房的影響已經(jīng)超過安全允許標準，房屋受到了危險性地震擾動，加之隧道掘進過程中多次進行爆破施工，土坯房屋受到頻繁的振動干擾，產(chǎn)生累積性損傷，易造成房屋的結構性破壞。所以，需對4#測點的土坯房屋進行破壞鑒定并加強監(jiān)控，以防止意外發(fā)生。

3 監(jiān)測信號的HHT處理及分析

土坯房屋結構較弱，為了準確評估臨近土坯房屋在隧道爆破振動作用下的安全性，僅對PPV 進行研究缺乏說服力，難以綜合反映爆破地震波對土坯房屋的危害效應。振動信號包含了爆破地震波的本質(zhì)特征，同時地震波是爆破能量釋放的體現(xiàn)，可通過對振動信號能量的分析來研究爆破振動傳遞規(guī)律［2］，從而對土坯房屋受爆破地震波擾動的安全性做出準確性評價。

3.1 HHT方法概述

HHT 分析法在頻域和時域范圍內(nèi)對能量的捕捉具有很高的靈敏度［9］，可對信號的時頻譜圖、邊際譜圖、三維能量譜圖等進行繪制，采用該方法對爆破振動信號進行分析具有較高的準確性。其核心步驟包括EMD 分解與Hilbert 變換，將監(jiān)測獲取的振動信號進行EMD 分解可得到一系列固有模態(tài)函數(shù)（ⅠMF），剔除其中噪聲分量，將主要ⅠMF 分量進行Hilbert 變換，最后便可以得到信號能量的時頻分布圖譜，具體實現(xiàn)過程如下。

首先需找出初始信號y(t)的所有極值，對極值點進行擬合獲得包絡線，上下包絡線兩者的均值為a(t)，得到：

y(t)-a(t)=h(t) . （4）

進行k次該操作，直至h(t)符合ⅠMF 規(guī)定即a(t)趨于0，如此便獲得了首個ⅠMF 分量。將初始信號去除首個ⅠMF分量得到：

m(t)=a(t)- IMF1. （5）

之后將m(t)定義為新的信號，重復若干次上述操作，便可以將原信號進行徹底的EMD分解，最后得到原始信號的EMD分解表達式：

其中，r(t)為殘余函數(shù)。

對ⅠMF(t)進行Hilbert變換得到：

其中，Q為柯西主值。

為

定義ω=Φ( )

t/dt，將不同ⅠMF 分量進行Hilbert變換后，可以將信號能量描述為關于時間與頻率的函數(shù)，最后得到三維空間下的Hilbert譜為

利用上式對時間積分，便可以得到信號能量邊際譜為

利用式（11）對頻率進行積分，可獲得振動信號的瞬時能量譜：

3.2 信號處理及分析

4#測點為結構與穩(wěn)定性相對較差的土坯房，且其距離爆源最近，4#測點3 個方向峰值振動速度接近，但Y方向主振頻率更小，與房屋固有頻率接近，易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，為使研究具有代表性及說明性，對4#測點爆破振動Y方向信號進行能量、頻譜等分布情況的HHT分析，研究土坯房屋受爆破振動作用規(guī)律。

4#測點爆破振動Y方向信號如圖5 所示，可見爆破振動持續(xù)時間約為1 s 左右，約在0.01 s 時達到最大振動速度0.079 m/s，利用HHT 分析方法對其進行EMD 分解，在頻率上從高到低得到c1～c12 共12 個分量如圖6所示。其中，c1～c5分量頻率相對較大，所攜帶能量較低，可以判斷出是高頻噪聲的干擾，在后續(xù)處理時需進行消噪處理，進行剔除；c6～c9 分量波長逐漸增大，頻率逐漸降低，較其他分量振幅較大，包含了振動信號的多數(shù)能量，屬于原信號的優(yōu)勢部分，需重點考慮此部分信號對于土坯房屋的振動影響；c6 分量振動速度最大，同時在信號的特征上與原始振動信號最為相似，為包含主要振動能量的分量。

對c6～c12 分量做進一步計算，從能量的時頻特性對振動信號進行分析。圖7 為振動信號瞬時能量譜，根據(jù)能量隨時間變化情況可知爆破振動作用時間約為1 s左右，由于雷管的延期作用，能量波動出現(xiàn)了5 次較大的瞬時能量峰值，在0.3 s 左右達到最大值，并且在0.2～0.3 s 期間3 次達到較大的能量峰值，根據(jù)上文峰值振動速度顯示，此次爆破振動在安全范圍之內(nèi)，并且距允許值相差較大，但從能量角度考慮，為了土坯房屋的安全，在0.2～0.3 s 期間起爆的炸藥量不應再增大，同時不應再增加該時間段內(nèi)起爆的雷管段別。隧道爆破使用的7 段與9 段雷管延期時間分別為200 ms 與310 ms，即0.2 s 與0.31 s，為了防止能量的疊加效應，可適當調(diào)整這2段雷管所起爆的炸藥量，減少起爆孔數(shù)量，或改變雷管段別等，使能量不集中分布于該時間范圍內(nèi)。此次爆破雷管段別共5類，段別數(shù)量較少，造成單段藥量較大，易導致能量峰值過大，因此可增大起爆雷管總段數(shù)，降低最大單段藥量，以此削弱能量峰值。

圖8 為爆破振動信號能量在不同頻域內(nèi)的分布情況，可見振動能量主要分布于0～70 Hz，未出現(xiàn)于高頻段內(nèi)，大部分能量集中于20～40 Hz，表明隧道爆破的振動能量對于土坯房屋穩(wěn)定性產(chǎn)生的主要是低頻部分，考慮到土坯房屋的自振頻率較低（0～10 Hz），在低頻能量作用下易產(chǎn)生共振現(xiàn)象造成破壞，因此需特別注意低頻振動對周圍土坯民房所產(chǎn)生的影響，后續(xù)隧道施工在靠近民房時，需采取必要的措施以削弱低頻部分的振動能量。文獻［10］、［11］的研究表明，精確的微差爆破、減小爆源至自由面距離、增加爆破自由面數(shù)量都可以在一定程度上提高爆破振動頻率，同時降低爆破振速，因此在后續(xù)爆破施工時可選用高精度延時雷管，同時采用提升掏槽效果、增加空炮眼等方式來增大爆破振動頻率，避免爆破振動引發(fā)隧道周邊民房產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

為體現(xiàn)能量隨時間、頻率變化情況，繪制能量三維圖譜如圖9 所示，從三維能量譜可見，振動能量主要集中在0～70 Hz，時域范圍主要體現(xiàn)在0～1 s，并在0.3 s 左右達到最大值，能量特征與瞬時能量譜和邊際譜一致，三維譜同時反映了能量、時間、頻率三者的變化關系，進一步表明了能量分析的準確性，利用HHT 分析方法就爆破振動對于土坯民房影響進行研究，具有較高的可行性與針對性。

4 結 論

（1）爆破峰值振動速度未出現(xiàn)明顯的高程放大效應，利用薩氏公式可對其衰減規(guī)律進行描述，為后期爆破提供安全預測。一般民用建筑安全爆破振動允許范圍為43 m，土坯房屋為113 m，隧道爆破振動對于4#土坯民房的影響已超過安全允許標準，并造成累積性振動損傷。

（2）瞬時能量譜表明，在0.2～0.3 s 振動能量3 次達到較大峰值，為了土坯房屋的安全考慮，不應再增加0.2～0.3 s 期間起爆的炸藥，可適當增大7、9 段雷管對應炸藥的延期時間，使能量不集中分布于該時間范圍內(nèi)，同時可考慮增加起爆雷管段別，以降低最大單段藥量，削弱能量峰值。

（3）各監(jiān)測民房PPV 介于0.01～0.09 cm/s，主頻率分布在10～40 Hz，符合爆破振動安全允許標準，振動能量分布于0～70 Hz，大部分集中于20～40 Hz，與土坯房屋的自振頻率相近，對其結構的穩(wěn)定性影

響較大。