基于小波分析的淺埋隧道爆破地震波時(shí)頻特征研究

王恒富 ,陳壽如

(1.中國(guó)核電工程有限公司 田灣3、4號(hào)項(xiàng)目部, 江蘇 連云港市 222042; 2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

隧道爆破開挖施工過程中產(chǎn)生的地震效應(yīng)會(huì)影響或危害地面建(構(gòu))筑物及相關(guān)設(shè)施的安全，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使建(構(gòu))筑物受到破壞。由于淺埋隧道的地質(zhì)條件較復(fù)雜，而地形和地質(zhì)的變化對(duì)爆破地震效應(yīng)的影響很明顯，爆破振動(dòng)幅值、頻率和能量分布對(duì)建筑物的作用過程有很重要的作用，因此，研究爆破地震波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，找出爆破地震波時(shí)-頻特性，不僅具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

小波分析(小波變換)是傅立葉變換思想的發(fā)展，是一種信號(hào)的時(shí)間-尺度(時(shí)間-頻率)分析方法，具有多分辨率分析的特點(diǎn)，在時(shí)域和頻域內(nèi)均有表征信號(hào)局部特征的能力。小波分析的時(shí)間窗和頻率窗均可以改變，但保持窗口面積不變(只是在窗口形狀上變化以滿足時(shí)間窗、頻率窗的改變要求)。即：在信號(hào)的低頻段，小波分析的時(shí)間分辨率較差，而頻率分辨率較高；在高頻段，小波分析的時(shí)間分辨率較高，而頻率分辨率較低。正是這種優(yōu)越特征，使得小波分析方法在對(duì)各種非平穩(wěn)信號(hào)分析處理中應(yīng)用廣泛。

1 工程概況

廈門機(jī)場(chǎng)路三標(biāo)段下穿市內(nèi)浦南淺埋暗挖段(見圖1)，起止樁號(hào)為右線YK7+500～YK8+185.2，長(zhǎng)685.2 m。洞身段圍巖以殘積亞粘土、沙礫狀～碎塊狀全～強(qiáng)風(fēng)化正長(zhǎng)巖和花崗巖為主，地下水埋深2～4 m。沿線地表建筑物復(fù)雜，為密集的居住區(qū)、軍管用房，樓層多為3～7層，基礎(chǔ)多為擴(kuò)大條形基礎(chǔ)或獨(dú)立基礎(chǔ)，主體結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)房屋現(xiàn)狀安全性評(píng)價(jià)成果(廈門市房屋鑒定所)，該路段施工期間受影響的房屋有67棟，其中房屋完全座落在線路上方的有13棟，局部座落在線路上方的有23棟，其余房屋座落在線路兩側(cè)；影響范圍內(nèi)房屋基本完好的有31棟，一般損壞的有24棟，嚴(yán)重?fù)p壞的有3棟。

圖1 隧道位置

目前施工的小凈距隧道右線為Ⅱ級(jí)圍巖，分上中下3臺(tái)階進(jìn)行開挖，其中上臺(tái)階高度為6.5 m，由于其他原因，目前只對(duì)隧道上半斷面進(jìn)行開挖。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)的規(guī)定要求，隧道爆破施工過程中，需要對(duì)其房屋地面質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下進(jìn)行爆破施工作業(yè)，以保證該建筑群的安全。

2 爆破地震波的小波時(shí)-頻分析

為了進(jìn)行爆破振動(dòng)信號(hào)小波時(shí)-頻特征分析，在廈門機(jī)場(chǎng)路JC3標(biāo)段右線爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的不同時(shí)期取得了4組典型爆破振動(dòng)信號(hào)，4組爆破振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 4組典型爆破振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試數(shù)據(jù)

采用小波變換的快速算法(Mallat算法)，使用MATLAB語言編制計(jì)算程序，得出4組典型爆破振動(dòng)信號(hào)的小波時(shí)-頻特征分析如圖2～圖5。

圖2 Y05-07時(shí)-頻分析

圖3 Y06-16時(shí)-頻分析

圖4 Y08-11時(shí)-頻分析

圖5 Y09-17時(shí)-頻分析

3 爆破地震波的小波包分析

應(yīng)用小波包分析法對(duì)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，采用db7小波基對(duì)該4組信號(hào)進(jìn)行8層分解，共有28=256個(gè)小波包，由于廈門機(jī)場(chǎng)路蓮前西路(JC3標(biāo)段)實(shí)際爆破振動(dòng)測(cè)試信號(hào)的頻率一般在125 Hz以下，因此在編程計(jì)算時(shí)，僅計(jì)算了前16個(gè)頻帶，而把剩下大于125 Hz的頻率劃分為一個(gè)頻帶(即125～2000 Hz)進(jìn)行計(jì)算，得到各頻帶能量分布見表2。

4 結(jié) 論

根據(jù)對(duì)4組實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)測(cè)試信號(hào)的小波時(shí)-頻特征分析和小波包頻帶能量分析，結(jié)合表1和表2，對(duì)比圖2～圖5，可得到如下結(jié)論：

(1) 小波時(shí)-頻分析不僅能反映爆破振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性，并且可以給出爆破振動(dòng)信號(hào)的時(shí)-頻分布特征，能反映爆破振動(dòng)的非平穩(wěn)特性，能很好地滿足爆破振動(dòng)非平穩(wěn)隨機(jī)特征分析的要求。從圖3和圖4可以明顯看出:在同一地質(zhì)條件下，不同信號(hào)的傳播信息也不同。如信號(hào)Y06-16高頻部分比低頻部分傳播的時(shí)間更長(zhǎng)，而信號(hào)Y08-11則相反。

表2 爆破振動(dòng)信號(hào)各頻帶能量分布

(2) 隨著埋深的越來越淺，爆破地震波的主頻越來越小。從信號(hào)Y05-07到信號(hào)Y09-17，埋深從52.3 m減少到32.2 m，而爆破振動(dòng)信號(hào)的主頻也由49.072 Hz減小到19.287 Hz。

(3) 隨著埋深的越來越淺，爆破振動(dòng)信號(hào)的能量主要集中頻帶也越來越窄，且向低頻帶發(fā)展。如信號(hào)Y06-16能量主要集中的頻帶相對(duì)較寬，而信號(hào)Y08-11能量主要集中的頻帶相比更窄，且向低頻發(fā)展。

(4) 從炸藥量來看，當(dāng)埋深相差不大時(shí)，主頻隨著掏槽眼最大段藥量的增大而減小，信號(hào)能量主要分布頻帶更加集中。如信號(hào)Y08-11和Y09-17，從圖5和圖6可以很明顯看出。

(5) 從信號(hào)高頻部分和低頻部分傳播來看，當(dāng)埋深相差不大時(shí)，信號(hào)的傳播信息相似；當(dāng)埋深變化較大時(shí)，信號(hào)傳播信息也不同。如信號(hào)Y05-06和Y06-16，從圖3和圖4可以看出低頻部分和高頻部分傳播時(shí)間差不多，信號(hào)Y06-16甚至高頻部分傳播時(shí)間更長(zhǎng)些，而Y08-11和Y09-17，從圖5和圖6可以看出低頻部分比高頻部分傳播時(shí)間更長(zhǎng)。

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