肖春名,廖盛榮,陳 晨,周廉浩

(1.中交路橋建設(shè)有限公司,北京 100027; 2.中交路橋華南工程有限公司,廣東 中山 528405;3.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南 焦作 454003)

0 引言

當(dāng)前,城市硬巖隧道掘進(jìn)仍以鉆爆法為主,尤其是淺埋小凈距隧道施工時(shí),爆破振動(dòng)會(huì)對(duì)地表及鄰近隧道產(chǎn)生很大影響,導(dǎo)致現(xiàn)有結(jié)構(gòu)很易受到損毀,引起市政府重視,因此,許多學(xué)者開始致力于爆破掘進(jìn)時(shí)引起的振動(dòng)頻率傳播規(guī)律研究。

目前關(guān)于隧道爆破的振動(dòng)響應(yīng)特性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者多集中于對(duì)襯砌的影響和既有隧道的動(dòng)力分析研究[1-5],爆破的振動(dòng)波高頻成分起著很大作用(達(dá)100Hz),且作用持續(xù)時(shí)間較短,對(duì)既有隧道的破壞以體波破壞為主,鄰近爆源的隧道直墻上部周邊振速最大,同一測(cè)點(diǎn)的垂直振速大于水平振速。在隧道爆破引起的振動(dòng)頻率傳播規(guī)律方面,丁雄等[6]對(duì)輕軌隧道施工爆破進(jìn)行監(jiān)測(cè),頻譜分析表明,質(zhì)點(diǎn)振速主要集中在0～20Hz。陽生權(quán)等[7]通過質(zhì)點(diǎn)振速峰值與主振頻率分析,開展了基于小凈距公路隧道的爆破振動(dòng)觀測(cè)與研究,研究結(jié)果表明,爆破方式與爆心距對(duì)質(zhì)點(diǎn)振速峰值和對(duì)應(yīng)的主振頻率的影響較大。楊建華等[8]通過研究全斷面開挖爆破產(chǎn)生的自由面對(duì)振動(dòng)頻率的影響,得出爆源與自由面間的距離越小,爆破振動(dòng)頻率越高,較好的自由面可減小爆破振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的結(jié)論。費(fèi)鴻祿等[9]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)數(shù)據(jù),通過小波包分解和重構(gòu)分析方法,得出地震波的主頻隨著與掌子面之間距離的增大而下降,同時(shí)能量主要集中頻帶變窄且向低頻帶發(fā)展,垂向上地震波主頻隨著埋深的減小而下降,同時(shí)能量主要集中頻帶變窄且向低頻帶發(fā)展的結(jié)論。蒲堅(jiān)等[10]基于傅里葉變化和小波包變換進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)分析,研究結(jié)果表明,31.25～125Hz頻段占用絕大部分能量,其比例達(dá)72.2%,187.50～218.75Hz頻段占比為7.55%。葉紅宇等[11]通過設(shè)計(jì)混凝土頻繁爆破振動(dòng)試驗(yàn)得出,盡管信號(hào)能量分布范圍較廣,但絕大部分能量集中在0～205.08Hz頻段,并且9.77～58.59Hz頻段能量較大,總能量隨著距離的增大向低頻帶集中。趙天洋[12]以成綿樂高速鐵路雙流機(jī)場(chǎng)隧道淺埋段作為測(cè)試對(duì)象,測(cè)試得出機(jī)場(chǎng)隧道淺埋段和路堤段環(huán)境振動(dòng)的能量主要集中在6～80Hz頻段,通過對(duì)Z振級(jí)和X振級(jí)的分析,擬合得到隧道淺埋段和路堤段振動(dòng)隨距離變化的經(jīng)驗(yàn)公式。單仁亮等[13]研究了爆破振動(dòng)信號(hào)的頻帶能量分布特征,在同一時(shí)刻能量表現(xiàn)出高頻部分衰減快、低頻部分衰減慢的特征,能量衰減系數(shù)近似為峰值速度衰減系數(shù)的2倍,且提出總能量的衰減方程。周林立[14]基于信號(hào)分析技術(shù),通過分析不同圍巖施工爆破的振動(dòng)信號(hào)頻譜特性,得出在ms-1段的瞬時(shí)能量最大,頻帶較其他段位更寬,振動(dòng)頻率基本分布在50～200Hz,Ⅲ級(jí)圍巖爆破時(shí)頻率集中分布在50～350Hz,高頻成分增多,后續(xù)段頻率能量也較高的結(jié)論。閆長(zhǎng)斌等[15-16]基于快速傅里葉變換,研究了聲波在爆破損傷巖體中傳播時(shí)的衰減特性。

然而,以上大多數(shù)學(xué)者僅對(duì)隧道爆破引起鄰近結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題進(jìn)行了研究,基本上忽略了超淺埋小凈距隧道爆破對(duì)周圍建(構(gòu))筑物的影響。實(shí)際上,城市地鐵建設(shè)面臨著隧道間距小且在淺地表施工的問題,為了保證周圍建(構(gòu))筑物的安全,合理設(shè)計(jì)出一套適用于超淺埋小凈距隧道的爆破方案,急需對(duì)城市超淺埋小凈距隧道爆破振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。因此,本文以某地鐵隧道為工程背景,通過對(duì)隧道爆破引起淺埋地表及小凈距鄰近隧道振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,研究不同炮孔類型爆破引起的振動(dòng)頻率特征和能量傳播響應(yīng)規(guī)律,對(duì)不同段的爆破、地表及鄰近隧道距離掌子面的不同測(cè)點(diǎn)的頻譜進(jìn)行了分析,可為同類城區(qū)隧道爆破施工與振動(dòng)控制提供參考。

1 試驗(yàn)背景及方案

1.1 工程概況

某城市地鐵隧道為淺埋小凈距隧道,凈距僅為1.6～3.5m,覆土厚度為9.0～11.2m。圍巖分布主要以天然重度19kN/m3的粉質(zhì)黏土,天然重度21kN/m3的中、粗砂,微風(fēng)化、中強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化花崗巖組成,圍巖等級(jí)為IV級(jí)。施工現(xiàn)場(chǎng)采用兩臺(tái)階法進(jìn)行開挖,上臺(tái)階開挖斷面7.10m×4.77m,爆破方案采用楔形掏槽、分段延時(shí)的光面爆破方式,炸藥為2號(hào)巖石乳化炸藥,導(dǎo)爆電雷管起爆。此次試驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)左線上臺(tái)階爆破進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè),炮孔布置如圖1所示,爆破參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)

圖1 炮孔布置

1.2 監(jiān)測(cè)方案

試驗(yàn)?zāi)康闹饕潜O(jiān)測(cè)左線全面爆破時(shí),各段爆破對(duì)隧道地表及鄰近已開挖隧道迎爆側(cè)邊墻的振動(dòng)影響。地表測(cè)點(diǎn)布置方案為:在左線隧道正上方的地表軸線方向布置測(cè)點(diǎn),各點(diǎn)與掌子面水平距離分別為-25,-12.5,12.5,25m,監(jiān)測(cè)振動(dòng)在地表的傳播衰減規(guī)律。右線隧道側(cè)墻處的測(cè)點(diǎn)布置方案為:在側(cè)墻上沿軸線方向布置測(cè)點(diǎn),各點(diǎn)與掌子面距離分別為-10,-5,0,5,10m,具體布置方案如圖2所示。方案1,地表測(cè)點(diǎn)布置;方案2,右線迎爆邊墻測(cè)點(diǎn)布置。試驗(yàn)儀器采用配備三向振速傳感器的TC-4850爆破測(cè)振儀。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置(單位:cm)

2 爆破振動(dòng)波能量的小波包分析

2.1 小波包分解基本原理

在小波分解中為對(duì)高頻部分進(jìn)行分解,采用小波包分解方法。爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波包分解時(shí),最優(yōu)分解層數(shù)的確定依據(jù)信號(hào)分析的特征和振動(dòng)記錄儀的最小工作頻率確定[17]。監(jiān)測(cè)采用工作頻率最小能達(dá)到5Hz的儀器,根據(jù)采樣定律,設(shè)置信號(hào)的采樣頻率為8kHz,其奈奎斯特頻率為4kHz。根據(jù)小波包分析的原理將信號(hào)分解到8層,共有28個(gè)小波包,則其對(duì)應(yīng)的最低頻段為0～15.625Hz。小波分析中小波基的選擇尤為重要,由文獻(xiàn)[17]可知,選用db8小波基對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解重構(gòu)誤差最小。小波包分解后各層重構(gòu)信號(hào)的頻帶范圍如表2所示。

表2 小波包分解系數(shù)重構(gòu)信號(hào)各層頻帶范圍

依據(jù)小波分析原理[17]將振動(dòng)信號(hào)分解至第8層,設(shè)第8層小波包重構(gòu)信號(hào)各頻帶S8,j所對(duì)應(yīng)的能量為E8,j,則有:

(1)

(j=0,1,2,…,2i-1;k=1,2,…,m)

式中:m為振動(dòng)信號(hào)的離散采樣點(diǎn)數(shù);xj,k為重構(gòu)信號(hào)S8,j的離散幅值。

設(shè)被分析振動(dòng)信號(hào)的總能量為E0,則有:

(2)

各頻帶能量的百分比為:

(3)

(j=0,1,2,…,28-1)

通過計(jì)算爆破振動(dòng)信號(hào)經(jīng)小波分解后信號(hào)總能量和不同頻帶能量所占百分比,分析在爆破作用下巖石爆破振動(dòng)信號(hào)在往地表和鄰近隧道傳播過程中的能量分布。通過小波包的分解,獲得不同頻帶的能量及百分比。

2.2 地表爆破振動(dòng)響應(yīng)能量分析

根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)總能量,分析地表各測(cè)點(diǎn)處三向振動(dòng)能量分布,如圖3所示。

圖3 地表爆破振動(dòng)總能量隨測(cè)點(diǎn)位置變化曲線

由圖3可看出:①由于爆破掌子面距地表僅9.0～11.2m,距離較近,且z向能量明顯大于其他2個(gè)方向。②炸藥在掌子面處爆破后,爆破振動(dòng)總能量分別向掌子面兩邊傳遞,且隨著距離的增加,傳遞的振動(dòng)波能量逐漸減小;相同距離下,在掌子面前后12.5～25m范圍,掌子面前方未開挖處測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)總能量大于已開挖處。③從掌子面兩邊測(cè)點(diǎn)振動(dòng)總能量的衰減趨勢(shì)看,已開挖處隨著距離的增加其爆破振動(dòng)總能量衰減趨勢(shì)大于未開挖處。這是由于炸藥爆破能量對(duì)巖石內(nèi)部的損傷主要是爆炸應(yīng)力波與爆生氣體兩者的作用結(jié)果,爆炸產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力波造成隧道掌子面近區(qū)巖石破碎,中遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生大量裂紋。而應(yīng)力波的傳遞是以球面波的形式,隨著爆破能量的釋放促使波振面向掌子面兩則移動(dòng),所以在掌子面前后地表各測(cè)點(diǎn)都可測(cè)得爆破振動(dòng)總能量。由于隧道埋深較淺,爆生氣體在已開挖側(cè)將大部分能量釋放到隧道空氣中,沿1,2號(hào)測(cè)點(diǎn)方向的能量會(huì)快速衰弱。而掌子面前方未開挖處巖石與地表密切相連,既承受較大的爆破應(yīng)力波,又存在爆生氣體的沖擊,在測(cè)點(diǎn)測(cè)得總能量相對(duì)較大。

淺埋隧道引起地表爆破振動(dòng)信號(hào)各頻段能量占信號(hào)總能量的百分比計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 地表爆破振動(dòng)信號(hào)不同頻帶能量占比

通過對(duì)1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)處三向振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對(duì)比不同測(cè)點(diǎn)在x,y,z3個(gè)方向上爆破振動(dòng)信號(hào)的能量占比發(fā)現(xiàn):在掌子面前后12.5～25m處,隧道開挖爆破后掌子面前后各測(cè)點(diǎn)測(cè)得能量主要集中在 0～62.5Hz 和93.75～109.375Hz頻段。爆破振動(dòng)波向地表傳播過程中,由于介質(zhì)波阻抗的存在和高頻濾波效應(yīng),振動(dòng)波高頻段能量不斷衰減,使得各測(cè)點(diǎn)不同方向的能量主要集中在低頻段。隧道距離地表較近,地表建(構(gòu))筑物自振頻率較低,在爆破振動(dòng)下地表易產(chǎn)生共振效應(yīng)。

2.3 鄰近隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)能量分析

小凈距隧道爆破引起鄰近隧道振動(dòng)波的能量變化如圖5所示。由圖5可看出,小凈距隧道爆破振動(dòng)信號(hào)與爆破環(huán)境、爆破距離有關(guān)。由于隧道間距僅為1.6～3.5m,炸藥在掌子面處爆破后,掌子面前后5m內(nèi)測(cè)點(diǎn)能量變化不大。但隨著距離增加到10m,爆破振動(dòng)總能量分別快速向掌子面兩邊傳遞,掌子面未開挖側(cè)鄰近隧道測(cè)得能量較大。3號(hào)測(cè)點(diǎn)位置為掌子面處,其爆破能量是分界點(diǎn),在掌子面前方鄰近隧道(4,5號(hào))測(cè)點(diǎn)測(cè)得能量逐漸增大,掌子面后方鄰近隧道(1,2號(hào))測(cè)點(diǎn)測(cè)得能量快速衰減。相同距離下,掌子面前方鄰近隧道測(cè)點(diǎn)振動(dòng)總能量大于后方測(cè)點(diǎn),炸藥爆破對(duì)掌子面前方鄰近隧道的影響較大。從掌子面兩邊測(cè)點(diǎn)振動(dòng)總能量的衰減趨勢(shì)看,已開挖處隨著距離的增加其爆破振動(dòng)總能量衰減趨勢(shì)大于未開挖處。炸藥爆炸后,其波振面主要向隧道未開挖前方移動(dòng),能量向鄰近隧道前方釋放,對(duì)掌子面前方鄰近隧道產(chǎn)生較大影響。

圖5 鄰近隧道爆破振動(dòng)總能量隨測(cè)點(diǎn)變化曲線

小凈距鄰近隧道爆破振動(dòng)信號(hào)各頻段能量占信號(hào)總能量的百分比計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 鄰近隧道不同位置爆破振動(dòng)信號(hào)不同頻帶能量占比

由于爆破振動(dòng)信號(hào)主要集中在0～200Hz,1,2,4,5號(hào)測(cè)點(diǎn)主要選取200Hz以內(nèi)頻段進(jìn)行分析。通過對(duì)1,2,4,5號(hào)測(cè)點(diǎn)處三向振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對(duì)比不同測(cè)點(diǎn)在x,y,z3個(gè)方向上爆破振動(dòng)信號(hào)的能量占比發(fā)現(xiàn):在掌子面前后10m內(nèi),隧道開挖爆破后掌子面前后鄰近隧道各測(cè)點(diǎn)能量主要集中在0～62.5Hz和93.75～109.375Hz頻段,和地表處測(cè)得的能量分布相似。爆破振動(dòng)波向鄰近隧道傳播過程中,由于介質(zhì)波阻抗的存在和高頻濾波效應(yīng),振動(dòng)波高頻段能量不斷衰減,使得各測(cè)點(diǎn)不同方向的能量主要集中在低頻段。另外,由于隧道間距較小,在振動(dòng)波傳播過程中高頻段能量衰減較慢,故93.75～109.375Hz頻段能量占比增加。

由于鄰近隧道測(cè)點(diǎn)(3號(hào))在掌子面處,爆破信號(hào)極復(fù)雜,測(cè)試時(shí)采用16kHz的采樣頻率,現(xiàn)選取 0～500Hz 頻段進(jìn)行分析(見圖7)。測(cè)點(diǎn)在低頻段內(nèi)能量占比大,主要集中在0～125Hz,在250～281.25Hz頻段能量占比有小量增加。y向能量在低頻段較x,z向能量占比較大,整體頻譜主要集中在218.75Hz以內(nèi)。

圖7 鄰近隧道對(duì)應(yīng)爆破掌子面處爆破振動(dòng)信號(hào)能量占比

3 爆破振動(dòng)響應(yīng)頻譜分析

3.1 典型爆破段引起的各向振速頻譜特性

首先分析各爆破段引起的鄰近隧道爆破振動(dòng)各向振速的頻譜特性。典型爆破段三向振速的頻譜特性曲線如圖8所示。

圖8 鄰近隧道內(nèi)爆破振動(dòng)典型段別三向振速頻譜

由各爆破段的傅里葉譜圖(見圖8)可看出,同一爆破段引起鄰近隧道三向振速的頻譜基本一致。掏槽爆破的主頻主要分布在50～150Hz,相對(duì)集中;輔助及底板爆破引起的各向振速主頻主要在50～150Hz,比掏槽爆破略有提高;周邊爆破時(shí),由于炮孔分布在整個(gè)斷面上,各向振速頻譜分布相對(duì)較廣,在25～200Hz,主振頻率相對(duì)不明顯。對(duì)比4個(gè)段別的振速頻譜圖可看出,由于掏槽段的裝藥相對(duì)集中,其振動(dòng)主頻表現(xiàn)較明顯,相比之下周邊段的裝藥情況相對(duì)分散,則其頻率分布較廣。隧道爆破時(shí),作用力主要在鄰近隧道壁上,同時(shí)掏槽爆破炮孔布置及裝藥量相對(duì)穩(wěn)定,振動(dòng)頻譜分布相對(duì)集中,規(guī)律相對(duì)明顯。

3.2 地表質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)的頻譜特性

為了研究隧道爆破振動(dòng)頻率隨距離的變化,以掏槽爆破引起的隧道地表處橫向振速為例,分析鄰近隧道前方、后方不同位置處的振動(dòng)頻譜變化,如圖9,10所示。由圖9,10可看出,在掌子面前方隨著距離的逐漸增大,主振頻率經(jīng)歷了從150Hz到30Hz的變化過程,這說明隨著距離的增大,主振頻率有逐漸降低的趨勢(shì)。但對(duì)應(yīng)爆破掌子面后方,先行隧道內(nèi)的頻譜隨距離變化規(guī)律不明顯,主要集中在30～150Hz。

圖9 掌子面前方地表測(cè)點(diǎn)頻譜隨距離變化曲線

圖10 掌子面后方地表測(cè)點(diǎn)頻譜隨距離變化曲線

3.3 鄰近隧道內(nèi)爆破振動(dòng)的頻譜特性

為了研究隧道爆破振動(dòng)頻率隨距離的變化,以掏槽爆破引起的鄰近隧道橫向振速為例,分析鄰近隧道前方、后方不同位置處的振動(dòng)頻譜變化,如圖11,12所示。由圖11,12可看出,在掌子面前方隨著距離的逐漸增大,主振頻率經(jīng)歷了200Hz到150Hz的變化過程,這說明隨著距離的增大,主振頻率有逐漸降低的趨勢(shì)。但對(duì)應(yīng)爆破掌子面后方,先行隧道內(nèi)的頻譜隨距離變化規(guī)律不明顯,主要集中在50～300Hz。

圖11 先行隧道對(duì)應(yīng)掌子面前方測(cè)點(diǎn)振速頻譜隨距離變化曲線

圖12 先行隧道對(duì)應(yīng)掌子面后方測(cè)點(diǎn)振速頻譜隨距離變化曲線

對(duì)比隧道地表處和鄰近隧道的頻譜數(shù)據(jù),可直觀得到在掌子面的前方振動(dòng)主頻率隨距離的增加減小較明顯。其中,地表處的測(cè)點(diǎn)相隔距離大于鄰近隧道處的相隔距離,地表處振動(dòng)主頻率的減小值大于鄰近隧道的振動(dòng)主頻率,進(jìn)一步說明距離對(duì)主頻率減小的影響。而在掌子面后方振動(dòng)主頻率變化則表現(xiàn)不明顯。超淺埋隧道施工時(shí)可采用多孔少藥的方式進(jìn)行爆破掘進(jìn),從而可降低振動(dòng)主頻率,減緩圍巖損失。

4 結(jié)語

通過對(duì)超淺埋隧道爆破引起地表與已開挖鄰近隧道振動(dòng)響應(yīng)速度的分析,得到以下結(jié)論。

1)不同段別爆破時(shí),裝藥越集中,振動(dòng)主頻率越明顯,炮孔越分散,主頻率分布越廣,但主要集中在25～200Hz。在地表處、鄰近隧道處的掌子面前方測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻率隨著距離的增大,主振頻率有逐漸降低的趨勢(shì)。

2)爆破振動(dòng)波向地表及鄰近隧道傳播過程中,由于介質(zhì)波阻抗的存在和高頻濾波效應(yīng),振動(dòng)波高頻段能量不斷衰減,各測(cè)點(diǎn)不同方向的能量主要集中在低頻段0～62.5Hz,高頻成分在93.75～109.375Hz頻段能量占比增加。

3)隧道埋深淺,z向能量最大,隨著距爆源距離的增加,振動(dòng)波能量逐漸減小,掌子面前方未開挖處測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)總能量大于已開挖處,但總能量衰減趨勢(shì)小于已開挖處。小間距鄰近隧道對(duì)應(yīng)爆破掌子面前后5m內(nèi),測(cè)點(diǎn)能量變化不大,掌子面前方測(cè)點(diǎn)能量衰減趨勢(shì)大于掌子面后方。

4)超淺埋隧道施工時(shí),盡量避免集中裝藥,可采用多孔少藥方式進(jìn)行爆破掘進(jìn),從而降低振動(dòng)主頻率,減緩對(duì)地面及鄰近隧道的影響。在考慮裝藥量時(shí),可根據(jù)掌子面到周圍建(構(gòu))筑物的距離及圍巖類型決定,保證施工進(jìn)度的同時(shí),減緩對(duì)周圍建(構(gòu))筑物及圍巖的損傷。