興延高速澆花峪隧道爆破振動測試分析研究

江雅勤， 劉殿書, *， 武 宇， 謝 烽， 袁 達， 張會歌

(1. 中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083； 2. 北方爆破科技有限公司， 北京 100089)

0 引言

目前國內隧道掘進仍然以鉆爆法為主，爆破振動嚴重影響了隧道的施工安全及施工效率，會對襯砌及圍巖造成嚴重的損傷，影響結構的穩定和安全[1-4]。國內關于爆破振動的研究主要集中在振速和主頻的衰減規律上。卓效明[5]為了研究不同級別圍巖中振速的衰減規律，通過隧道爆破振動測試試驗獲得了近千個數據，然后分別對隧道縱、橫斷面及掌子面附近的振速進行了分析，發現平行于掌子面同一斷面上邊墻處的振速大于拱頂的振速，但也存在少數相反情況。饒增[6]對實測的隧道振動數據進行了分析，利用薩道夫斯基公式對振速擬合，得到了隧道振速的衰減公式。傅洪賢等[7]對隧道爆破近區的圍巖進行了振速監測，通過大量的測試數據得出了隧道掌子面后方拱頂、掌子面正上方和側面圍巖的爆破振動規律，平行于掌子面同一斷面上拱頂處的質點峰值速度大于拱腳和邊墻處的質點峰值速度。陸瑜[8]利用數值模擬手段，以隧道循環進尺為變量，分析了隧道拱頂、拱腳和邊墻部位圍巖的質點速度，發現隨著與掌子面距離的增大，圍巖質點的峰值振速先是急劇衰減而后平緩衰減，隧道循環進尺越大對圍巖的擾動越嚴重。文獻[9-10]的研究表明，振動信號不同的頻帶對結構的影響也有所不同，由小波分析法可以清晰地得到振動信號各個頻帶的信息，能夠更好地確定振動對隧道工程結構的影響。

目前關于爆破施工隧道內振動速度及其傳播規律的研究成果仍較缺乏，理論體系仍不成熟。因此，采用隧道爆破工程現場振動測試試驗研究隧道爆破的振動規律非常有意義。本文結合工程現場實際情況，從信號的不同頻帶方面研究隧道不同位置的爆破振動，對隧道上臺階爆破掘進過程中初期支護襯砌結構的振動進行監測，得到振速的傳播規律、主頻大小及能量分布，可為爆破振速預測及初期支護襯砌結構的安全防護提供指導。

1 工程背景

試驗依托于北京興延高速公路澆花峪右線隧道爆破掘進工程，隧道拱頂至地表的距離為24～26 m，為淺埋隧道，區域內地勢較平坦。澆花峪隧道采用兩臺階掘進爆破施工，單次開挖面尺寸較大，歷次爆破總藥量均超過200 kg，爆破地震效應明顯。為減小爆破施工中的振動，防止隧道結構破壞，隧道上臺階采用掘進爆破，下臺階采用水平孔拉槽爆破。爆破時上、下臺階開挖面相距70 m以上，上臺階開挖高度為7.8 m，開挖面積為90.5 m2，下臺階開挖面積為59.5 m2。上臺階炮孔布置如圖1所示。振動測試試驗段均為Ⅲ級圍巖，爆破參數如表1所示。上臺階爆破掘進過程中，現場試驗主要監測里程YK28+190～+354的隧道初期支護襯砌振動情況。

(a) 橫剖面圖

(b) 俯視圖

炮孔名稱段位炮孔數量孔深/m裝藥量/kg掏槽孔18～103.2～4 24～38擴槽孔138 3～3.8 18～28.4擴槽孔258 3～3.6 16～26.8崩落孔178 3～3.2 16～24.2崩落孔2982.4～3 16～19.2崩落孔31162.4～314.4～16.8崩落孔4942.2～2.89.6～12崩落孔51122.2～2.8 4～6周邊孔13261.8～2 22～28底板孔1743.2～3.69.6～12底板孔2943.2～3.69.6～12底板孔3158 4～514.4～19.2

2 試驗方案

選取距離掌子面38 m處的隧道斷面作為首次測試斷面。為研究隧道鉆爆施工時拱形結構的振動效應，在測試斷面拱頂、拱腰和邊墻處各布置1個測點，采集爆破掘進時測點的的振動數據。測點布置如圖2所示。

在布置測點時，為了保證整個測試過程不出現儀器脫落的情況，分別在拱頂、拱腰和邊墻處進行鉆孔，并采用固定卡將傳感器固定在待測位置，然后采用錨固劑使待測位置平整并加強固定效果，最終使傳感器與隧道初期支護襯砌剛性連接，傳感器布置方式如圖3所示。

圖2 測點布置圖

圖3 傳感器布置方式示意圖

3 試驗結果分析

3.1 振動規律分析

在隧道拱頂、拱腰和邊墻測點處共測得69組有效數據，對69組數據進行回歸分析。表2僅示出了隧道拱頂、拱腰和邊墻測點處的部分測試數據。

利用薩道夫斯基公式對隧道拱頂、拱腰及邊墻處垂直方向、水平切向及水平徑向的振速與比例距離的關系進行擬合，擬合得到的振速樣本和回歸曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，無論在哪個方向上，總有振速v拱頂>v拱腰>v邊墻，且隨著比例距離的增加，3個方向的振速逐漸接近，當比例距離增加至一定數值時，3個方向的振速可能會重合。

為了研究隧道爆破過程中不同方向上地震波的衰減規律，采用薩道夫斯基公式對測試數據進行回歸，回歸后的K、α分別如表3和表4所示。

由表3可知： 隧道拱頂垂直方向、水平切向和水平徑向振速的K值均大于其他測試位置相應方向振速的K值。在相同條件下，拱頂的振速最大，且其垂直方向振速較水平切向和水平徑向振速大； 隨著傳播路徑的延長振動波逐漸衰減，與其他測試位置相比，拱頂的爆破剩余能量最大。由表4可知： 拱頂垂直方向、水平切向和水平徑向的α絕對值均大于其他測試位置相應方向的α絕對值，說明拱頂振速衰減最快，且其垂直方向振速比其他2個方向的振速衰減快。

表2 隧道拱頂、拱腰和邊墻測點部分測試數據

(a) 拱頂

(b) 拱腰

(c) 邊墻

Fig. 4 Vibration velocity samples and regression curves of tunnel crown top, hance and sidewall

表3 測試位置3個方向的K值

表4 測試位置3個方向的α值

3.2 主頻分析

將隧道爆破振動測試中獲得的94組地面振動波形作為樣本，隧道拱頂、拱腰和邊墻垂直方向部分振動主頻如表5所示。

表5隧道拱頂、拱腰和邊墻垂直方向振動主頻

Table 5 Basic vibration frequency of tunnel crown top, hance and sidewall along vertical direction

測點編號爆心距R/m總裝藥量Q/kg比例距離/(m/kg1/3)拱頂主頻/Hz拱腰主頻/Hz邊墻主頻/Hz1382226.2852.2658.7971.8526322210.433.1037.2445.5239222215.1934.3938.6947.294422186.9853.9460.6874.165522188.6469.3978.0795.416451797.2688.2999.32121.407551798.8881.4791.66112.0287017911.327.4330.8637.7299917915.9814.7416.5820.26

利用主頻回歸分析方法[11]分別對拱頂、拱腰以及邊墻處的爆破振動主頻進行回歸，隧道拱頂、拱腰和邊墻處垂直方向振動主頻回歸曲線如圖5所示。

由圖5主頻回歸曲線可知，隧道圍巖不同位置處的振動主頻存在差異，大小關系為：f拱頂>f邊墻>f拱腰。從隧道圍巖各位置處的振速分布規律可知，隨著測點與爆源距離的增加，各個位置的振速差異不大，在振速相同或者接近時，拱腰位置的主頻最低。因此，從振速-主頻的安全判據來看，拱腰位置出現破壞情況的風險最大。

3.3 振動信號的小波分析

3.3.1 頻帶分析

選取藥量為222 kg時距離掌子面67 m處拱頂、拱腰和邊墻(分別記為sd、sy和sb)的振動波形進行分析[12-13]。爆破參數如表6所示。

(a) 拱頂

(b) 拱腰

(c) 邊墻

f為主頻，Hz。

圖5隧道拱頂、拱腰和邊墻處垂直方向振動主頻回歸曲線

Fig. 5 Regression curves of basic vibration frequency of tunnel crown top, hance and sidewall along vertical direction

信號的采樣頻率設置為2 000 Hz，則其奈奎斯特頻率為1 000 Hz[14]。因此，采用sym5小波基將信號進行9層分解，共10個頻帶，即D1(500～1 000 Hz)、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9和A9，其是由高頻到低頻進行排列的，然后重構不同頻帶的分解系數。sd信號的小波分解和重構如圖6所示，可以直觀地了解sym5小波基的分解效果。

表6 距離掌子面67 m處的爆破參數

經小波分解后的信號，高頻分量為D1—D9，低頻分量為A9。D1為信號分解出的9個分量中頻率最高的部分，峰值振速為0.172 29 cm/s，而原始波形的峰值振速為0.956 1 cm/s，說明拱頂振動的高頻部分能量占比很大。D2、D3和D4信號頻率較低，振速較大，其中D4信號的振速最大，且接近于原始信號的最大振速，達到了0.967 cm/s。參照小波分解每個波段的頻帶，D4為振動信號的優勢頻段，能量占比最大，在同等條件下，拱腰和邊墻D4頻帶的振速小于拱頂的振速。A9的頻率最低，但是其峰值振速小，即所攜帶的能量也很小，雖然持續時間較長，但是不會對隧道結構造成危害。

對sy、sb信號進行小波分解后發現，位置不同，優勢頻帶也在發生變化。拱頂振動的優勢頻帶集中在中高頻區域，邊墻振動的優勢頻帶集中在中低頻區域，拱腰振動的優勢頻帶集中在低頻區域。當優勢頻帶向A9靠攏時，頻帶主頻接近于結構自振頻率，且耦合性越好，引起的振動越強烈，對隧道結構的危害也越大。

3.3.2 小波能量分析

爆破地震波的產生、傳播以及對隧道結構的影響過程，本質是能量在傳播介質中傳遞和轉移的過程。不同頻帶振動分量的振動強度直接由其相應小波頻帶能量的大小反映，由此可獲取不同頻帶振動分量下結構的響應特性。各頻帶的能量及能量占比可根據文獻[15]中的公式計算。

分別對距掌子面67 m處的sd、sy和sb 3個振動信號進行小波分解，然后繪出各頻帶的能量占比。不同位置處各頻帶的能量分布情況如圖7所示，隧道不同位置各頻帶的能量占比如表7所示。

(a) 重構信號 (b) 原始信號

(c) 重構信號誤差 (d) 重構信號D1

(e) 重構信號D2 (f) 重構信號D3

(g) 重構信號D4 (h) 重構信號D5

(i) 重構信號D6 (j) 重構信號D7

(k) 重構信號D8 (l) 重構信號D9

(m) 重構信號A9

PPV為質點峰值振速。

圖6 sd信號的小波分解和重構

Fig. 6 Wavelet decomposition and reconstruction of sd signal

(a) sd信號

(b) sy信號

(c) sb信號

Fig. 7 Energy distributions of every bandwidth in different positions of tunnel

表7隧道不同位置各頻帶的能量占比

Table 7 Energy proportions of every bandwidth in different positions of tunnel

頻帶編號頻帶/Hz能量占比/%sdsysbD82.9063～7.812513732D77.8125～15.62512.33831D615.625～31.2563318D531.25～62.52211D4 62.5～125111D3 125～250111

通過上述計算可知，3～200 Hz頻段集中了爆破振動信號的大部分優勢能量，能量最大值一般出現在主頻率所在的頻帶，高頻部分的能量占比不大。由拱頂、拱腰和邊墻處的能量分布可知，拱頂處的頻率成分相對單一，頻帶寬度較小，而拱腰和邊墻處的頻率成分相對較豐富，頻帶寬度較大。其中，拱腰和邊墻處的低頻成分能量占比要遠高于拱頂，且拱腰位置的低頻能量最高，在振速接近或相同時，拱腰發生破壞的風險最大。

4 結論與討論

通過對Ⅲ級圍巖淺埋隧道爆破過程中拱頂、拱腰和邊墻位置的振速進行監測，得到了隧道拱頂、拱腰和邊墻位置的振動數據，然后對其振動規律和主頻進行了分析，并采用小波分析方法對各頻帶的特征進行了闡述，得出以下結論。

1)針對振速3個方向的分量，總有v拱頂>v拱腰>v邊墻，且隨著比例距離的增加，3個方向的振速逐漸接近，說明隨著比例距離的增加，測點位置對振速的影響會逐漸減小。

2)由主頻回歸曲線可知，隧道圍巖不同位置處的振動主頻存在差異，大小關系為：f拱頂>f邊墻>f拱腰。由不同位置處振速的分布規律可知，隨著測點與爆源距離的增加，各個位置的振速差異不大，拱腰位置的主頻最低，說明拱腰位置發生破壞的風險要大于拱頂和邊墻。

3)爆破振動信號的大部分優勢能量集中在3～200 Hz頻段。由拱頂、拱腰和邊墻的能量分布可知，拱腰和邊墻處的頻率成分相對較豐富，頻帶寬度較大，拱腰位置的低頻能量最高，說明此處發生破壞的風險最大。

由于試驗條件的限制，本文測試范圍為距離隧道掌子面38～164 m處，對<38 m處隧道爆破近區的振動效應未進行研究。距爆源越近，振動越強烈，爆破地震波的時頻特征變化越快，這無論是對試驗儀器還是分析方法都提出了更大的挑戰，因此，對這一領域進行研究將會很有價值。

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