基于小波分析的浅埋隧道爆破地震波时频特征研究

王恒富 ,陈寿如

(1.中国核电工程有限公司 田湾3、4号项目部, 江苏 连云港市 222042; 2.中南大学资源与安全工程学院, 湖南 长沙 410083)

隧道爆破开挖施工过程中产生的地震效应会影响或危害地面建(构)筑物及相关设施的安全，严重时会使建(构)筑物受到破坏。由于浅埋隧道的地质条件较复杂，而地形和地质的变化对爆破地震效应的影响很明显，爆破振动幅值、频率和能量分布对建筑物的作用过程有很重要的作用，因此，研究爆破地震波在介质中的传播规律，找出爆破地震波时-频特性，不仅具有很高的学术价值，而且具有很大的经济价值和社会效益。

小波分析(小波变换)是傅立叶变换思想的发展，是一种信号的时间-尺度(时间-频率)分析方法，具有多分辨率分析的特点，在时域和频域内均有表征信号局部特征的能力。小波分析的时间窗和频率窗均可以改变，但保持窗口面积不变(只是在窗口形状上变化以满足时间窗、频率窗的改变要求)。即：在信号的低频段，小波分析的时间分辨率较差，而频率分辨率较高；在高频段，小波分析的时间分辨率较高，而频率分辨率较低。正是这种优越特征，使得小波分析方法在对各种非平稳信号分析处理中应用广泛。

1 工程概况

厦门机场路三标段下穿市内浦南浅埋暗挖段(见图1)，起止桩号为右线YK7+500～YK8+185.2，长685.2 m。洞身段围岩以残积亚粘土、沙砾状～碎块状全～强风化正长岩和花岗岩为主，地下水埋深2～4 m。沿线地表建筑物复杂，为密集的居住区、军管用房，楼层多为3～7层，基础多为扩大条形基础或独立基础，主体结构为砖混结构；根据现场房屋现状安全性评价成果(厦门市房屋鉴定所)，该路段施工期间受影响的房屋有67栋，其中房屋完全座落在线路上方的有13栋，局部座落在线路上方的有23栋，其余房屋座落在线路两侧；影响范围内房屋基本完好的有31栋，一般损坏的有24栋，严重损坏的有3栋。

图1 隧道位置

目前施工的小净距隧道右线为Ⅱ级围岩，分上中下3台阶进行开挖，其中上台阶高度为6.5 m，由于其他原因，目前只对隧道上半断面进行开挖。根据《爆破安全规程》(GB6722-2003)的规定要求，隧道爆破施工过程中，需要对其房屋地面质点震动速度进行监测，在监测数据的指导下进行爆破施工作业，以保证该建筑群的安全。

2 爆破地震波的小波时-频分析

为了进行爆破振动信号小波时-频特征分析，在厦门机场路JC3标段右线爆破振动监测的不同时期取得了4组典型爆破振动信号，4组爆破振动信号的测试数据见表1。

表1 4组典型爆破振动信号的测试数据

采用小波变换的快速算法(Mallat算法)，使用MATLAB语言编制计算程序，得出4组典型爆破振动信号的小波时-频特征分析如图2～图5。

图2 Y05-07时-频分析

图3 Y06-16时-频分析

图4 Y08-11时-频分析

图5 Y09-17时-频分析

3 爆破地震波的小波包分析

应用小波包分析法对实测爆破振动信号进行分解，采用db7小波基对该4组信号进行8层分解，共有28=256个小波包，由于厦门机场路莲前西路(JC3标段)实际爆破振动测试信号的频率一般在125 Hz以下，因此在编程计算时，仅计算了前16个频带，而把剩下大于125 Hz的频率划分为一个频带(即125～2000 Hz)进行计算，得到各频带能量分布见表2。

4 结 论

根据对4组实测爆破振动测试信号的小波时-频特征分析和小波包频带能量分析，结合表1和表2，对比图2～图5，可得到如下结论：

(1) 小波时-频分析不仅能反映爆破振动信号的频谱特性，并且可以给出爆破振动信号的时-频分布特征，能反映爆破振动的非平稳特性，能很好地满足爆破振动非平稳随机特征分析的要求。从图3和图4可以明显看出:在同一地质条件下，不同信号的传播信息也不同。如信号Y06-16高频部分比低频部分传播的时间更长，而信号Y08-11则相反。

表2 爆破振动信号各频带能量分布

(2) 随着埋深的越来越浅，爆破地震波的主频越来越小。从信号Y05-07到信号Y09-17，埋深从52.3 m减少到32.2 m，而爆破振动信号的主频也由49.072 Hz减小到19.287 Hz。

(3) 随着埋深的越来越浅，爆破振动信号的能量主要集中频带也越来越窄，且向低频带发展。如信号Y06-16能量主要集中的频带相对较宽，而信号Y08-11能量主要集中的频带相比更窄，且向低频发展。

(4) 从炸药量来看，当埋深相差不大时，主频随着掏槽眼最大段药量的增大而减小，信号能量主要分布频带更加集中。如信号Y08-11和Y09-17，从图5和图6可以很明显看出。

(5) 从信号高频部分和低频部分传播来看，当埋深相差不大时，信号的传播信息相似；当埋深变化较大时，信号传播信息也不同。如信号Y05-06和Y06-16，从图3和图4可以看出低频部分和高频部分传播时间差不多，信号Y06-16甚至高频部分传播时间更长些，而Y08-11和Y09-17，从图5和图6可以看出低频部分比高频部分传播时间更长。

参考文献：

[1]GB6722-2003.爆破安全规程[S].

[2]陈寿如,王恒富,唐信来，等.厦门市机场路万石山隧道爆破震动监测总结报告[R].长沙：中南大学，2007.

[3]汪旭光,于亚伦,刘殿忠.爆破安全规程实施手册[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]朱衡君.MATLAB语言及实践教程[M].北京:清华大学出版社、北京交通大学出版社,2005.

[5]汪旭光,郑炳旭,张正忠,等.爆破手册[M].北京:冶金工业出版社,2010.

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[7]言志信,吴德伦,许 明. 地震效应及安全研究[J].岩土力学,2002,23(2):201-203.

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