基于 HHT 的雷管實際延時識別法在城市環境微差爆破中的應用

2015-12-30 03:23:38龔敏,邱燚可可,孟祥棟等

振動與沖擊 2015年10期

第一作者龔敏男，博士，教授，1963年生

基于HHT的雷管實際延時識別法在城市環境微差爆破中的應用

龔敏1，邱燚可可1，孟祥棟2，李永強3, 曾恭劍4，唐勝4(1.北京科技大學，北京100083；2. 重慶市城建集團有限責任公司，重慶400013；3. 重慶市巨能建設集團，重慶404100; 4.重慶順安爆破器材有限公司，重慶400713)

摘要：以重慶渝中連接隧道爆破工程為例，利用Hilbert-Huang變換分析爆破振速信號，對比瞬時能量法與EMD識別法識別雷管實際延時時間效果。研究結果顯示，瞬時能量法識別率在30%～60%，低段別平均識別率僅35%；而EMD識別法識別率為66%～90%，各段識別率平均較瞬時能量法高約30%。對不同藥量單孔爆破實驗分析表明，單孔藥量1.2 kg的起爆能量衰減時間為150 ms。常規藥量下雷管間微差起爆間隔大于50 ms以上時可用瞬時能量法識別起爆時刻；城市隧道用50 ms以下小間隔微差爆破時用EMD識別法識別率較高。

關鍵詞：Hilbert-Huang變換；城市隧道；微差爆破；起爆時間；識別

基金項目：重慶市應用開發重點項目(CSTC2014,YYKFB30002)

收稿日期：2014-06-24修改稿收到日期：2014-11-19

中圖分類號:TD236文獻標志碼：A

Identification method of detonator’s actual firing time delay based on HHT and its application in millisecond blasting under urban environment

GONGMin1,QIUYi-keke1,MENGXiang-dong2,LIYong-qiang3,ZENGGong-jian4，TANGSheng4(1. Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083,China；2.Chongqing Urban Construction Holding(Group) Co., Ltd, Chongqing 400013,China；3.Chongqing Juneng Construction Group Co., Ltd, Chongqing 404100, China;4.Chongqing Shunan Explosion Equipment Co.，Ltd. Chongqing 400713，China)

Abstract:The exact identification of a detonator’s actual firing time is a basis to analyze the relationship between millisecond interval and blasting vibration velocity, it is of great significance to control blasting vibration for tunnel excavation under complex urban environment. Here, taking Chongqing city Yuzhong connecting tunnel blasting engineering as an example, the blasting vibration velocity versus time data were analyzed with HHT(Hilbert-Huang transformation). The denotators’ actural time-delay effects using the instantaneous energy method were compared with those using the EMD method. The study results showed that the instantaneous energy method identification rate is 30%～60%, the average identification rate detonators of lower segment is only 35%; while the EMD method identification rate is 66%～90%, the identification rates of all segments about 30% higher than those of the instantaneous energy method. The analysis for single-hole blasting tests with different blasting charges indicated that the attenuation time of a single-hole blasting’s energy is nearly 150 ms with 112 kg blasting charge; the instantaneous energy method can be used to identify the initial blasting instant under the condition of a usual blasting charge if time delay of detonators is longer than 50 ms; however, the identification reliability of the EMD method is relatively higher if the time delay of fetonators in millisecond blasting is less than 50 ms for urban tunnel excavation.

Key words:HHT; urban tunnel; millisecond blasting; firing time; identification

對城市隧道爆破而言，因地面下建、構筑物密集，振速要求非常苛刻，從而影響爆破進程。田振農等[1-2]利用電子雷管雖實現振速的精確控制，但施工成本較高限制應用；而采用普通雷管進行低振速精準控制為隧道爆破面臨的技術難題[3-4]：因雷管使用段別不能滿足降振要求，現有雷管各段延期誤差較大，按雷管段別序號起爆設計較難精確控制振速。準確識別各段炮孔起爆時刻(不僅依段別識別)對解決上述問題具有重要作用。據辨識各段實際微差起爆時刻分析其與相應振速的內在關系，驗證起爆時差的合理性并進一步優化設計，為城市隧道爆破低振速精確控制的關鍵。普通隧道爆破為避免串段常用跳段起爆[5-6]，因此爆破間隔大于50 ms，一般較易識別；而城市隧道爆破為解決雷管段別不夠造成的降振困難，常用超過20段的不等間隔高精度定制雷管增加起爆時刻，對一些段的間隔小于10 ms識別研究較少。因此，本文探討內容為據何種方法準確辨識、比較微差時刻。

目前識別微差爆破延遲時間的主要方法有小波變換時能密度法、基于HHT(Hilbert-Huang Transform)的EMD(Empirical Mode Decomposition)識別法與瞬時能量法[7-9]。由于小波變換時能密度法存在選取小波基、尺度問題，多采用具有自適應、無需選小波基的基于HHT的EMD識別法與瞬時能量法；但以前分析的普通雷管段間延遲間隔較大。本文以渝中連接隧道爆破工程為背景，在多段及大小不等間隔高精度雷管下研究EMD識別法與瞬時能量法的微差起爆識別能力，探討各自適用范圍。

1Hilbert-Huang變換理論

1.1Hilbert-Huang變換

自適應時頻局部分析方法即Hilbert-Huang變換(HHT)[10]處理非平穩、非線性信號流程為利用EMD將信號分解成多個IMF(Intrinsic mode Function)分量，每個IMF分量均為時間的函數ci(t)，則原始信號S(t)可由各IMF分量及殘差r(t)構成，即

(1)

對IMF分量ci(t)進行Hilbert變換，即

(2)

式中：H[ci(t)]為Hilbert變換函數；PV為柯西主值；ci(t)為IMF分量函數。

構造原信號的解析信號zi(t)，即

zi(t)=ci(t)+jH[ci(t)]=ai(t)ejΦ(t)

(3)

式中：ai(t)為幅值函數

(4)

Φi(t)為相位函數

(5)

對每個IMF分量ci(t)進行Hilbert變換后，可將原始信號表示為

(6)

式中：Re為取實部，且dΦi(t)=2πfi(t)dt。

由式(6)，原信號可表達成時間、瞬時頻率f(t)的函數，即

(7)

式中：H(f，t)為Hilbert譜。

對頻率積分，則可定義Hilbert瞬時能量為

IE(t)=∫fH2(f,t)df

(8)

Hilbert瞬時能量表示的原信號能量只是時間的函數，因HHT是基于原信號EMD分解，因此能準確反映原信號能量變化情況。HHT可避免由于選取不同小波基所致完全不同分析結果的人為因素，工程中適用性更廣。

1.2瞬時能量法識別原理與特點

由能量角度，微差爆破中每發雷管引爆均為能量的突變，每次爆破過程均為能量產生、上升、衰減過程。通過觀察用HHT所得爆破信號的瞬時能量譜中能量突變點時間，可識別雷管實際起爆時間，能量突變點在瞬時能量譜中表現為波峰或尖端。瞬時能量法將信號進行EMD分解、所有分量進行Hilbert變換后獲得原信號的Hilbert形式(式(6)、(7))，再對式(6)積分運算獲得原信號的瞬時能量譜[11]。從能量角度識別雷管實際延遲具有識別準、誤差小等優勢，并能準確反映雷管跳段、串段等，在普通雷管延遲識別中應用較廣。

1.3EMD識別法識別原理與特點

爆破測振儀記錄的振動信號除起爆所致信號突變外，亦記錄衰減部分突變信號與環境噪聲等干擾信號。EMD法為對信號EMD分解后在由多個IMF分量構成的信號中選取最能體現爆破信號的主分量，去除部分干擾信號，進行Hilbert變換，提取幅值包絡圖，獲得清晰的雷管實際延遲突變信號[12]。該識別法實際上為對原爆破振速信號“去噪、重構、選擇、放大”過程。其與瞬時能量法區別在于前者只對EMD分解的其中一個主分量進行Hilbert變換并分析處理；而瞬時能量法是對所有原信號的分析。因此EMD識別法具有辨識效果好、波峰明顯、易于識別等優點。其缺陷在于需比對、選取較能體現振速特征的IMF分量，并要求分析者具備一定經驗即判斷能力。

2工程實例分析

2.1工程概況

重慶渝中連接隧道爆破位于重慶建筑物密集商業中心解放碑地區，隧道埋深17～25 m，以砂巖為主，巖石堅固性系數5.2，右洞設計為臺階爆破。振速控制極嚴格，要求全程小于1 cm/s。采用專用高精度導爆雷管，并重新編制段別，可用段別共25段(編號無4、19、20段)，每段10個樣本實驗雷管微差延時誤差見圖1、圖2。由兩圖看出，1～16段各段雷管平均微差時間差大于10 ms，而標準差均小于5 ms，可保證各段雷管理論上不“串段”；17～28段雷管微差時間差均大于標準差，但加大相鄰段間隔方式已避免串段。

圖1　爆前測試雷管平均微差時間 Fig.1 Average delay time of detonator measured before blasting

圖2　爆前測試雷管微差標準差 Fig.2 Standard deviation of delay time for detonator measured before blasting

據圖1、圖2樣本各段間隔特點，初步設計上臺階炮孔布置見圖3。為控制振速上臺階分1～3區依次爆破，其中1區為掏槽、擴槽區，圖中數字為雷管段別。采用楔形掏槽，掏槽、輔助掏槽眼逐孔起爆，最大單段藥量1.2 kg；擴槽眼3孔起爆，同段藥量2.4 kg。

圖3　上臺階炮孔設計圖 Fig.3 Design of blasting holes for the upper bench

能否據各段樣本延時特征代表現場所用大量雷管進行設計、改進，尚需爆破后識別各段雷管實際起爆時刻檢驗。選1區(掏槽區)作為分析對象， 2014年3月18、19日爆源正上方地面TC-4850爆破測振儀上臺階爆破信號見圖4、圖5。19日較18日雷管段別已取消12、14段。由兩圖可知，爆破全程振速均小于1.0 cm/s。將以兩波形圖作為分析例證。

圖4　2014年3月18日1區爆破振動速度-時間曲線 Fig.4 Vibration velocity-Time curve of 1st area blasted at Mar.18, 2014

圖5　2014年3月19日1區爆破振動速度-時間曲線 Fig.5 Vibration velocity-Time curve of 1st area blasted at Mar.19, 2014

2.2瞬時能量法分析

據式(8)，利用MATLAB軟件編程計算爆破振動信號的瞬時能量譜。18、19日1區爆破瞬時能量譜見圖6、圖7。由圖6可分辨出13個明顯波峰，對應時刻為0.122 0 s，0.162 5 s，0.320 5 s，0.374 s，0.394 5 s，0.530 0 s，0.633 0 s，0.735 5 s，0.821 0 s，1.142 s，1.287 s，1.623 s，2.109 s。由于儀器記錄時間從-0.1 s開始，波峰實際時刻為22 ms，62.5 ms，220.5 ms，274 ms，294.5 ms，430 ms，533 ms，635.5 ms，721 ms，1 042 ms，1 187 ms，1 523 ms，2 009 ms。通過比較生產廠實驗結果，時間點分別對應雷管2，3，9，12，13，18，21，22，23，25，26，27，28段。圖7有9個明顯波峰，減去0.1 s計算得波峰對應時刻為37 ms，140 ms，313 ms，487 ms，642 ms，928 ms，1 274.7 ms，1 530 ms，2 029.5 ms；分別對應雷管2，6，11，18，22，25，26，27，28段。

圖7　2014年3月19日1區瞬時能量譜 Fig.7 The instantaneous energy spectrum in the 1st area blasted at Mar.19, 2014

2.3EMD識別法分析

利用MATLAB軟件對爆破振速信號進行EMD分解后如何選擇IMF主分量已有研究[13]，但本文所用段數較以前多且段間隔較小，故確定時原則為：先比對IMF分量與原信號特性，如波形變化大致時間點、波形形態等(通常第1IMF分量為噪聲分量，第2、3分量為主特征分量)；觀察所選分量波形信息保留度，較后的分量由于篩除次數較多會損失原有波形信息；比較前后分量圖是否效果最佳。據此對3月18日爆破振速信號處理后發現第3個IMF分量(IMF(3))與圖3特性相似，且波形信息保留較完整。綜合考慮選第3個IMF分量作為主分量，見圖8。

圖8　2014年3月18日信號第3個IMF分量 Fig.8 The 3rd IMF component spectrum in the 1st area blasted at Mar.18, 2014

對IMF分量做Hilbert變換，據式(4)編程提取包絡曲線，結果見圖9。由圖9看出，多個明顯波峰中0.5 s前每個波峰代表一段雷管，0.5 s后部分波峰代表同段不同時刻起爆雷管，如1.2～1.4 s出現2個明顯波峰，表明雷管在此時間段附近微差標準差較大，兩波峰可能同段雷管不同時刻起爆造成。因此利用EMD法識別實際微差時間時，為減小誤差、提高精度需同時借助雷管段別實驗數據與現場炮孔設計圖紙輔助識別。

據現場炮孔布置圖紙結合雷管實驗數據，取各段最大波峰所處時刻為該段實際延遲時間，則各段時間為：0.126 s，0.186 s，0.281 s，0.327 s，0.371 s，0.383 s，0.436 s，0.465 s，0.531 s，0.612 s，0.713 s， 0.809 s，0.932 s，1.120 s，1.281 s，1.615 s，2.108 s。因儀器記錄從-0.1 s開始，則各段實際延遲時間為：26 ms，86 ms，181 ms，227 ms，271 ms，283 ms，336 ms，431 ms，512 ms，613 ms，709 ms，832 ms，1 020 ms，1 181 ms，1 515 ms，2 008 ms，共16段。

圖9　3月18日第3個IMF分量包絡圖 Fig.9 Envelope of the 3rd IMF component at Mar.18

圖10　3月19日第3個IMF分量包絡圖 Fig.10 Envelope of the 3rd IMF component at Mar.19

同理，3月19日1區爆破信號第3個IMF分量包絡見圖10。由圖10可辯識19段段別，具體延遲時間不再贅述。

2.4兩種識別法比較

用同樣方法分別計算3月份全部上臺階1區爆破信號，定義識別百分率為同次起爆識別段別數與實際使用段別數之比，處理后所得兩種按爆破日期、段別的識別百分率見圖11、圖12。兩種方法識別的實際延時與生產廠爆前測試雷管平均延時差異見圖13。由圖11看出，瞬時能量法識別百分率在30%～60%之間，而EMD識別法在66%～90%之間。由圖12看出，EMD識別法對平均各段識別率較瞬時能量法高約30%。兩種方法對高段別識別能力均較高，而對微差時間較小段別(尤其7、8段)瞬時能量法識別能力較差。由圖13看出，雷管前16段EMD識別法平均值曲線與爆前各段樣本測試曲線基本重合，瞬時能量法與其它兩數據在9段出現最大偏差(橢圓內數據)，最大相差僅20.1%；在17～28段兩種方法的平均值曲線偏差不大。最大偏差段為橢圓內27段，相差11.4%。由此可見，爆前實測樣本雷管各段延時時間與爆后兩種方法識別的實際微差時間相差較小。因此爆前各段10個樣本測試值可代表同批產品各段延時基本規律，據其間隔特點進行初步爆破設計可行。

圖11　按爆破日期識別百分率 Fig. 11 Identification percent of detonation according to date blasted

圖12　按段別識別百分率 Fig.12 Identification percent of delay time according to different segments of the detonators

圖13　兩種識別法均值與爆前測試平均值比較 Fig.13 Comparison of average delay time between two identification methods and measuring values before blasting

比較圖9、10與圖6、7看出，圖9、10中0.3～0.45 s附近能明顯區分出4個段別，圖6、7中相應時間段內只能觀察到1個明顯波峰，顯然EMD識別法在該時間段內的識別能力優于瞬時能量法。而圖12中瞬時能量法低段別缺失較多(平均不足35%)，高段別識別度較好。可能因高段別雷管微差為100～400 ms，高段位能量有充足時間衰減完畢，從而顯現較明顯的波峰；低段位雷管則因微差時間過小，上段雷管能量尚未開始衰減下段雷管已起爆，造成相鄰兩段雷管能量疊加，分不出明顯的多個波峰。

為驗證瞬時能量法識別特性，現場進行不同裝藥量的單孔起爆實驗。裝藥量分別為0.6 kg、1.0 kg、1.2 kg，單孔起爆，取爆源正上方儀器采集數據。用瞬時能量法處理分析單孔起爆實驗爆破信號，所得各藥量單孔起爆瞬時能量譜見圖14。

圖14　不同藥量單孔起爆實驗瞬時能量譜 Fig.14 The instantaneous energy spectrum of single hole blasting test with different change

分析圖14知，①不同藥量能量譜達到峰值時間不同，藥量較大衰減較慢。如1.2 kg藥量上升到波峰再衰減時間約150 ms；1.0 kg、0.6 kg分別為80 ms、70 ms。②要使瞬時能量譜上出現明顯的可分辨波峰，下一個能量波峰應在半個峰值周期之后。即當單孔藥量1.2 kg時若兩孔微差時間大于150/2=75 ms則用瞬時能量法識別起爆時刻，至少不能小于50 ms，否則不能保證識別。藥量為1.0 kg、0.6 kg時能避免瞬時能量譜疊加時間分別為40 ms、35 ms，大于此值即可識別。③本文掏槽炮孔單孔藥量為1.2 kg，據圖1所用1～18段定制雷管段間微差多為30～40 ms，個別段間微差為10～15 ms，均小于50 ms。該微差時間與裝藥量能保證爆破振速不疊加[14-15]，但低段位雷管相鄰段微差爆破時在瞬時能量譜上較難識別(圖12)。④考慮普通隧道爆破單段起爆藥量一般大于1.0 kg，目前的普通導爆管雷管跳段使用后微差時間通常達50 ms以上。在普通隧道爆破中，瞬時能量法仍為識別雷管實際起爆時刻有效方法之一。

綜上，瞬時能量譜在識別的局限在于據不同藥量對微差起爆間隔時間有一定要求(本文1.2 kg藥量的段間微差不小于50 ms)，否則將會因瞬時能量波峰疊加造成識別困難。而EMD識別法局限在于對IMF分量的選擇，幅值較均勻、噪聲波形較少的分量包絡識別能力較高。對城市復雜地形控制爆破而言，由于段間微差較小，瞬時能量法受限制，而EMD識別法識別延時效果更好。

3結論

通過分析比較瞬時能量法與EMD識別法在城市復雜環境下對多段雷管不同間隔起爆時間的識別能力，結論如下：

(1)準確識別雷管起爆時刻對城市隧道爆破低振速精確控制具有重要意義，辨識各段實際微差起爆時刻不僅可判斷雷管是否串段，且以此分析與振速的內在關系，驗證起爆時差的合理性并進一步優化設計為精確控制爆破的必備條件。

(2)在城市隧道精確控制爆破中用EMD法識別實際爆破微差時刻具有明顯優勢，尤其適合識別段別較多、相鄰段間隔小的高精度雷管，其段別識別率較瞬時能量法高約25%，總體識別率高30%，識別效果較后者好。

(3)不同藥量單孔爆破瞬時能量譜分析表明，瞬時能量法可識別的起爆間隔與藥量大小有關。藥量為1.2 kg時起爆間隔需大于50 ms；藥量為0.6 kg時起爆時差應超過35ms。總體上瞬時能量法能滿足常規微差爆破時間識別，但對小間隔起爆時差識別能力較差。

(4)EMD識別法選IMF分量時應選環境干擾小、幅值均勻、爆破特征明顯的分量。兩種識別法需預知實際使用雷管段別，方能將已識別時刻與之關聯。

(5)兩種識別法與爆前樣本測試數據對比表明，同段雷管三個數據間最大偏差不超20.1%；爆前各段10個樣本測試值可代表同批產品各段延時基本規律，據其間隔特點進行初步爆破設計可行。

(6)在重慶渝中連接隧道爆破中，利用EMD法準確識別25段雷管不同間隔延期時間，優化設計后達到200 m全程1.0 cm/s振速控制要求，實現以往只能靠成本極高電子雷管目標，為研究多段雷管微差爆破特性提供參考。

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