下穿原油管线隧道爆破振动响应研究

黄志波，吴能森，郑宏利，林从谋，庄铃强

(1.福建农林大学金山学院，福州 350002；2.福建农林大学交通与土木工程学院，福州 350002；3.中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 101500；4.华侨大学岩土工程研究所，福建 厦门 361021)

随着社会的发展，受既有建筑物或复杂空间环境的限制，地下立体交叠隧道的工程实例日益增多[1]。中俄原油管道二线工程呼玛河隧道下穿正在运营的中俄原油管道一线，在施工过程中如何确保正在运营的中俄原油管道的安全是爆破工程面临的难题。采用单一因素评价爆破振动对建(构)筑物的影响不够全面及合理，关于爆破能量和频率变化规律的研究渐渐受到重视[2]。不少学者采用小波包分析等技术对爆破振动信号的特征进行分析，并取得一定的成果[3-9]。为此，笔者依托中俄原油管道二线工程呼玛河隧道项目，根据爆破振动监测数据，采用小波包分析技术，对其响应特性进行系统地分析，并研究不同掏槽方式下的爆破振动能量分布及变化规律，以便为工程实践提供参考。

1 爆破振动信号获取

呼玛河隧道水平长度为1 470.6 m，隧道穿越起始里程为k0+47.1 m，终止里程为k1+517.7 m，为中俄原油管道二线的控制性工程。在k0+207 m处中俄原油管道二线工程呼玛河隧道下穿正在运营的中俄原油管道一线，且与其斜交，交叉角38°，上下最近垂直距离约为16 m。穿越区域围岩等级为III～IV级，采用钻爆法施工[10]，爆破设计参数如表1所示。

表1 爆破设计参数Table 1 Blasting design parameters

中俄原油管道二线工程呼玛河隧道下穿中俄原油管道一线施工期间，采用成都中科测控有限公司生产的TC-4850爆破测振仪对中俄原油管道一线进行爆破振动监测。测点布置如图1所示，典型波形爆破信息及监测结果如表2所示。

注：图中1～6为监测点编号。图1 部分测点布置Fig.1 Layout of some measuring points

表2 典型波形爆破信息及监测结果Table 2 Typical waveform blasting information and monitoring results

2 典型爆破振动信号小波包分解及能量分析

2.1 小波包分解

以典型波形z方向的原始信号为例进行小波包分析，其中基函数为db4，分解尺度为3。先将其分解到8个子频带上，再对其进行小波分解系数重构并对各频带重构波形进行傅立叶变换，结合小波包能量理论进行分析，最终获得重构波形的最大速度、各频带上能量分布和主频(见图2)。从图2可知，各频带振动速度峰值在不同时刻出现，波形叠加较少。可见，中俄原油管道一线隧道受地震波叠加的影响较小。

图2 小波包系数重构波形及其各频带的傅立叶变换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”小波分别对典型波形的3个方向进行小波能量分析，得到能量分布(见图3)和各方向能量值(见表3)。对比图2和图3可知，时程信号经过小波包分解以后，可以对信号在时-频域内进行更细微的观察，弥补在对爆破振动信号进行分析时傅立叶变换在频域上的缺陷。

图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)

由图3可知，测点3个方向的能量分布频带都比较宽，且主要分布在1～4频带上，并且随着时间的变化而迅速衰减；x方向的能量最高点出现在第1频段，y方向的能量最高点出现在第2频段，第1频段次之，z方向的能量最高点出现在第1频段。

由表3可知，z方向的能量最大值和总能量在3个方向中均为最大，其中z方向的总能量占3个方向能量之和的88%；x方向的总能量最小，但y方向与x方向的总能量较为接近；3个方向能量的分布情况与3个方向峰值速度的大小分布情况相吻合(x方向0.79 cm/s；y方向1.02 cm/s；z方向3.93 cm/s)。可见，中俄原油管道一线隧道主要受能量最大方向的振动影响。

2.3 不同掏槽方式的爆破振动频带能量分析

为了研究不同掏槽方式能量的分布情况，以爆破条件及参数相似，爆心距相差0.05 m(相对距离为0.27%)的2个爆破振动监测结果为例，对其进行爆破振动频带能量分析。爆破信息及监测结果如表4所示，其中斜掏方式下合速度为直掏时的2.45倍。

表4 爆破信息及监测结果Table 4 Blasting information and monitoring results

采用“db4”小波分别对直掏和斜掏情况下监测结果的3个方向进行小波能量分析，得到不同频带能量分布(见表5)和能量最大值及总能量值(见表6)。由表5可知，直掏和斜掏情况下的振动数据分解在8个频带上的能量均主要分布在1～4频带，并且随着时间的变化而迅速地衰减；斜掏和直掏情况下3个方向的能量最高点均出现在第1频段；掏槽方式由斜掏变为直掏时，3个方向对应的第1频带能量减弱，第2频带能量增强，频率向高频部分偏移量，不考虑振动幅值的情况下是对中俄油管道一线隧道是有利的。

表5 直掏和斜掏情况的不同频带能量分布Table 5 Energy distribution of different frequency bands in direct cutting and oblique cutting (%)

表6 直掏和斜掏情况的能量最大值及总能量Table 6 Maximum energy and total energy of direct cutting and oblique cutting (J)

由表6可知，直掏和斜掏情况下z方向的能量最大值和总能量在3个方向中均为最大，其中直掏情况下z方向的总能量占3个方向能量之和的88%，斜掏情况下的为92%；直掏情况下x方向的总能量最小，但y方向与x方向的总能量较为接近。而斜掏情况下虽然也是x方向的总能量最小，且y方向的总能量约为x方向的2.2倍。直掏和斜掏情况下3个方向能量的分布情况与3个方向速度峰值的大小分布情况相吻合。斜掏情况下各方向总能量和约为直掏情况下的5.3倍，z方向能量最大值约为直掏情况下的12.4倍。可见，采用直掏比斜掏对中俄原油管道一线隧道的影响更小。

3 爆破振动随距离变化衰减规律

为研究爆破振动信号的能量随距离变化的衰减规律，选取同一炮次4个测点的爆破振动监测结果为研究对象，其爆破信息及监测结果如表7所示。

表7 爆破信息及监测结果Table 7 Blasting information and monitoring results

采用“db4”小波分别对4个测点爆破振动监测结果的3个方向进行小波能量分析，得到不同频带能量分布(见表8)和各个方向能量值(见表9)。由表8可知，不同距离的振动数据分解在8个频带上的能量均主要分布在1～4频带，总体上随着距离的增加第3～4频带上的能量分布越明显。第1频带中y方向和z方向的能量百分比总体上随着距离的增加而减小，第2频带则反之。同时，第3和4频带中z方向的能量百分比总体上随着距离的增加而增加，可见随着距离的增加频率向高频部分偏移量，不考虑振动幅值的情况下是对中俄原油管道一线隧道是有利的。

表8 不同频带能量分布Table 8 Energy distribution in different frequency bands (%)

表9 不同距离能量值Table 9 Energy values at different distances (J)

根据表9得能量随距离变化关系(见图5)可知，不同距离下z方向的总能量在3个方向中均为最大，其中距离最近时z方向的总能量占其对应3个方向能量之和的88%；z方向的总能量和3个方向的能量之和随着距离的衰减规律均可采用指数函数表示：

图5 能量随距离的变化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为能量值;x为爆心距。

4 结语

1)从最大单段药量为15 kg，总药量为80 kg下的典型波形显示，各频带振动峰值速度在不同时刻出现，中俄原油管道一线隧道受地震波叠加的影响较小；z方向的能量最大值和总能量在3个方向中均为最大(占3个方向能量之和的88%)，中俄原油管道一线隧道主要受z方向的振动影响。

2)在最大单段药量和总药量等情况相近，掏槽方式不同时，掏槽方式由斜掏变为直掏时，3个方向对应的第1频带能量减弱，第2频带能量增强，频率向高频部分偏移量；斜掏情况下各方向总能量和约为直掏情况下的5.3倍，z方向能量最大值约为直掏情况下的12.4倍，合速度约为直掏时的2.45倍。

3)在最大单段药量和总药量相同，距离不同时，随着距离的增加，总体上呈现y方向和z方向的能量由第1频带向2～4频带转移，即频率向高频部分偏移量；z方向的总能量和3个方向的能量之和随着距离的衰减规律均可采用指数函数表示。