下穿隧道掘进爆破振动传播规律研究

李云赫 董 捷 王晟华 王小敬 吕 刚

(1.河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点试验室，河北 张家口 075000；3.北旺建设集团有限责任公司,承德 067000；4.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100071)

1 前 言

爆破施工技术凭借经济高效的优势广泛应用于隧道建设中，但隧道爆破掘进施工诱发的地震负面效应，尤其是爆破振动对周围建(构)筑物造成不同程度的危害，越来越受到关注和重视.国内外学者分别从峰值振速、频率、能量等角度探讨爆破振动传播衰减规律及其控制技术.

Deng[1]等从应力波理论出发，对多孔多级爆破方案下的振速衰减公式进行修正，推导弹性应力波在弹性体中的传播速度衰减公式;Nateghi[2]等基于大量监测数据系统分析不同岩层、不同雷管和炸药等因素对地表质点峰值振速衰减规律的影响，并预测了对邻近混凝土结构的影响程度;李清[3]等人基于大断面高铁隧道掘进爆破实时监测数据，研究不同测试方位对振动波衰减规律的影响;1996年C.H.Dowding[4]提出由质点位移、振速和加速度谱预测主频理论;周俊汝[5]等人深入研究不同装药条件下爆破振动频率随距离变化的衰减规律及空间分布特征;兰明雄[6]等通过对小净距隧道开挖爆破振动信号应用小波包分析，揭示爆破振动波沿既有隧道传播过程中的频谱及能量变化规律;李洪涛[7]等通过理论分析得到同一爆破振动信号的总能量值近似为峰值振速的平方，峰值能量的衰减规律同峰值振速的衰减规律公式形式一致;费鸿禄[8]等基于现场实测隧道掘进爆破振动数据，从能量的角度探讨爆破振动波沿三个方向的衰减规律以及能量在不同频带下的分布情况.

尽管众多学者采用理论分析、现场监测、数值模拟等手段，分别对隧道爆破掘进施工诱发的地表质点峰值振动速度、主频率、能量等进行了大量的研究，但从多指标不同测试方位角度的综合研究相对较少.本文以崇礼隧道下穿既有村庄掘进爆破施工为工程背景，利用爆破振动监测仪采集爆破振动信号；利用数学方法对地表质点三个方向的振动数据进行振速拟合运算、频域图谱分析、小波包能量分析，探讨爆破振动波的传播衰减规律，从而为合理控制爆破振动危害和科学优化施工方案提供理论基础.

2 工程背景

2.1 工程地质条件

本文依托新建崇礼隧道爆破施工工程背景进行研究.崇礼隧道位于燕山～太行山裂陷槽西侧，总体岩体较完整～极破碎.隧道起迄里程为DK62+310～DK67+800，在DK65+500～DK65+800段洞身下穿崇礼区西湾子镇和平村庄.隧道爆破开挖不可避免地会引起剧烈的爆破振动，经过现场调研，和平村村内民用建筑大多为土坯房或者砖瓦房，同时，由于村内房屋大多常年未经维护修理，建筑结构遭到或多或少的损坏，甚至有些房屋结构表面出现可见裂缝.基于此可知，隧道爆破施工会引起村庄内房屋不规律振动，若振动超过规范标准上限，很有可能会造成房屋的损坏甚至倒坍.崇礼隧道下穿和平村庄平面图如图1所示.

图1 崇礼隧道下穿和平村庄平面图

2.2 隧道爆破施工方案及参数

隧道以III级围岩和IV级围岩为主，采用全断面法爆破施工.爆破材料选用1～13段非电毫秒雷管和2号岩石乳化炸药，采用连续法装药方式.掏槽孔深4m，孔距1m，辅助孔深3.5m，孔距0.8m，周边孔深3m，孔距0.4m，最大单响药量43.2kg，炮孔布置图如图2所示.

图2 炮孔布置图

3 爆破振动监测

3.1 爆破振动监测方案

为确保崇礼隧道钻爆法开挖施工过程中上部既有建筑物的安全，开挖面3次爆破过程中，采用TC-4850N爆破振动监测仪监测地表5个测点处的质点峰值振动速度.在各测点处清除表面杂物，用石膏将振动速度传感器与地面紧密连接，振动传感器x方向指向隧道轴线，y方向垂直于隧道轴线指向隧道方向，z方向为竖直向上.仪器布置如图3所示.

图3 爆破振动监测仪布置图

3.2 爆破振动监测结果

三次爆破采用相同的药量，掏槽孔中装药量最大，每孔药量为2.7kg，单段最大药量为43.2kg，循环爆破总药量为192kg.监测结果详见表1.其中负号表示测点在掌子面后方已开挖段.

表1 爆破振动监测结果

4 地表振动波衰减规律分析

4.1 爆破振动速度衰减规律分析

隧道掘进爆破施工过程中，不可避免的会对上部既有建筑物产生影响，通过数据分析及前人研究成果总结，发现影响质点峰值振动速度与频率的三个重要因素为：地形条件、药量和爆心距，根据我国现行的《爆破安全规程》(GB 6722-2014)，用萨道夫斯基公式对爆破振动速度进行回归分析[9]：

(1)

式中：v为爆破振动速度；k、α分别为反映隧道爆破区地形、地质条件、爆破方案等相关的参数和衰减系数；Q为单段最大装药量；R为测点与爆源之间的距离.

对式(1)两边取对数得：

(2)

利用最小二乘法和线性回归方程对表1中的监测数据分别计算三个振动方向的参数k、α，并用origin进行线性拟合，求得隧道爆破振动波振动速度在地表中的传播衰减规律.线性回归方程以z方向为例，如图4所示，x、y方向拟合参数见表2.

图4 z方向质点振动速度线性拟合结果

表2 X与Y方向拟合参数

z方向振动速度的拟合结果：k=48.959,α=1.272，即爆破振动速度衰减方程为：

(3)

x方向振动速度拟合结果：k=151.563,α=1.927，即爆破振动速度衰减方程为：

(4)

y方向振动速度拟合结果：k=199.937,α=2.005，即爆破振动速度衰减方程为：

(5)

通过分析3个方向的振动速度衰减公式可以看出，x、y方向的k、α较为相近，而与z方向上的参数相差较大，说明地质条件以及空间方位对隧道掘进爆破振动衰减规律有较大的影响，这与文献[3]结论相近.地表监测点距离爆源较远，中夹岩构造复杂，同时隧道掘进爆破使围岩及周围传播介质受到不同程度的扰动，增强岩体各向异性.炸药爆炸后，波从爆破点向各个方向辐射，对周围土岩介质产生不同程度的扰动，在离扰动中心较远处，爆破地震波可以近似的看做平面波，其传播至同处于水平方向的x、y方向测点，质点振动传播衰减规律明显区别于z方向，而在z方向上由于存在高程放大效应(文献[10-11]对高程放大效应进行了详细说明)，振速明显大于其他两个方向，场地系数偏于体现优质岩性，即z方向的k值小于其他两个方向.尽管三个方向求得的爆破振动速度衰减公式不一致，但总体与实际相符，且相关系数均大于80%，因此本次监测结果通过萨道夫斯基公式进行拟合得到的爆破振动衰减规律较为合理.

4.2 爆破振动频谱分析

为更好的减小周边建筑物受爆破掘进施工的影响，避免其与爆破振动波产生共振现象，《爆破安全规程》(GB 6722-2014)[12]将爆破振动频率纳入重要的考虑因素，结合反应谱分析深入研究爆破振动波在地表中的传播及衰减规律，为获得高效减振方法及科学判断准则提供一定的理论依据.传统傅里叶变换存在局限性和特定性，不适合应用在非平稳、非线性的爆破振动信号中[13].目前主要采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)做爆破振动信号频谱分析，该算法克服了传统傅里叶变换局部分析能力差的缺点，且使计算机计算离散傅里叶变化所需要的乘法运算次数大大减少，提高变换速度[14].

利用MATLAB软件编程对所有测点波形进行FFT变换，得到隧道爆破振动下地表各测点3个方向频谱图和主频率的关系.本文以第三次爆破的测点4和测点2为例，阐述其规律，如图6～11所示.通过对比可知，距离爆源比较近的测点4爆破振动波形频率成分比较丰富，频率分布在20～300Hz之间.由于中夹岩土体的高频滤波特性，随着测点与爆源之间距离的增大，高频成分比低频成分衰减得快，导致爆破振动频谱曲线向低频区域发展.测点2的频率分布较为集中且主频率突出，频率分布在20～150Hz之间.农村房屋建筑自振频率一般为10Hz以下，可以不考虑共振现象.结合我国爆破安全规程和施工现场实测数据，安全允许振速为2.0～2.5cm/s，考虑到村内房屋大多常年未经维护修理，将地表振速峰值2.0cm/s作为安全允许振速.通过上述拟合的z方向萨道夫斯基公式对崇礼隧道下穿和平村振动速度安全性进行计算，当掌子面掘进至下穿段最不利位置时，最大单段药量应控制在38.4kg以内.隧道掌子面施工至下穿段，及时调整爆破方案，掏槽孔由原来每孔9条药调整至8条，最大单段药量减少至38.4kg，同时总装药量减少至174kg，监测结果显示最大振动速度为1.8736cm/s，爆破振动速度得到了有效控制.

图5 测点4第三次爆破X方向振动频谱图 图6 测点4第三次爆破Y方向振动频谱图

图7 测点4第三次爆破Z方向振动频谱图 图8 测点2第三次爆破X方向振动频谱图

图9 测点2第三次爆破Y方向振动频谱图 图10 测点2第三次爆破Z方向振动频谱图

5 爆破振动能量衰减规律分析

利用小波包能量谱分析得到爆破振动信号在频率范围内的具体分布特征.采用“db8”小波基函数对隧道爆破振动信号做8层分解，得到：

(6)

式中xi,j(tj)为原始爆破振动信号经小波包分解到节点(i,j)(第i层第j频带)上的重构信号，其中j=0,1,2…，2i-1.对应第i层信号分量的能量为：

(7)

式中：xi,j为离散点对应的振动速度幅值；vj,m表示重构信号；n为爆破振动监测数据采样长度；m为离散点个数，m=1,2…n.

爆破振动信号总能量为：

(8)

各频带的能量比例为：

(9)

根据式(6)～(9)编写MATLAB代码得到振动信号能量在频率范围内的具体分布特征[11].分析第三次爆破振动引起地表各测点爆破振动信号各频段能量百分比，见图11～15.爆破振动信号的能量在频域中分布较广泛，主要集中在0～300 Hz范围内；随着爆心距的增加，高频部分能量比低频部分衰减耗散得快，低频部分能量百分比越来越大，高频部分越来越小.z方向在低频部分能量分布较为集中，同时z方向也是振动速度最大的方向，而振动能量与振速的平方成正比[7]，因此在隧道下穿既有村庄爆破施工时，低频大振速高能量的z方向是监测工作关注的重点.

图11 1#测点三向能量频域分布图

图12 2#测点三向能量频域分布图 图13 3#测点三向能量频域分布图

图14 4#测点三向能量频域分布图 图15 5#测点三向能量频域分布图

6 结 论

(1)崇礼隧道掘进爆破施工引起地表振动速度传播规律因地质条件和测试方位的不同而不同，z方向振动速度衰减公式的场地系数k偏小，衰减系数α偏大，但3个方向的振动速度传播衰减规律用萨道夫斯基公式拟合效果均为良好.

(2)利用FFT法求得的爆破振动信号频率分布较广，为20～300Hz之间，无需考虑与地面既有农村建筑物共振情况，同时为隧道下穿至最不利位置处提出优化方案.

(3)爆破振动信号传播至地表的能量主要集中在0～300Hz之间，垂直方向能量在低频部分能量比较集中，同时又是峰值振速方向，故在隧道下穿既有村庄爆破施工时，垂直向是监测工作关注的重点.