下穿原油管線隧道爆破振動響應研究

黃志波，吳能森，鄭宏利，林從謀，莊鈴強

(1.福建農林大學金山學院，福州 350002；2.福建農林大學交通與土木工程學院，福州 350002；3.中鐵十六局集團路橋工程有限公司，北京 101500；4.華僑大學巖土工程研究所，福建 廈門 361021)

隨著社會的發展，受既有建筑物或復雜空間環境的限制，地下立體交疊隧道的工程實例日益增多[1]。中俄原油管道二線工程呼瑪河隧道下穿正在運營的中俄原油管道一線，在施工過程中如何確保正在運營的中俄原油管道的安全是爆破工程面臨的難題。采用單一因素評價爆破振動對建(構)筑物的影響不夠全面及合理，關于爆破能量和頻率變化規律的研究漸漸受到重視[2]。不少學者采用小波包分析等技術對爆破振動信號的特征進行分析，并取得一定的成果[3-9]。為此，筆者依托中俄原油管道二線工程呼瑪河隧道項目，根據爆破振動監測數據，采用小波包分析技術，對其響應特性進行系統地分析，并研究不同掏槽方式下的爆破振動能量分布及變化規律，以便為工程實踐提供參考。

1 爆破振動信號獲取

呼瑪河隧道水平長度為1 470.6 m，隧道穿越起始里程為k0+47.1 m，終止里程為k1+517.7 m，為中俄原油管道二線的控制性工程。在k0+207 m處中俄原油管道二線工程呼瑪河隧道下穿正在運營的中俄原油管道一線，且與其斜交，交叉角38°，上下最近垂直距離約為16 m。穿越區域圍巖等級為III～IV級，采用鉆爆法施工[10]，爆破設計參數如表1所示。

表1 爆破設計參數Table 1 Blasting design parameters

中俄原油管道二線工程呼瑪河隧道下穿中俄原油管道一線施工期間，采用成都中科測控有限公司生產的TC-4850爆破測振儀對中俄原油管道一線進行爆破振動監測。測點布置如圖1所示，典型波形爆破信息及監測結果如表2所示。

注：圖中1～6為監測點編號。圖1 部分測點布置Fig.1 Layout of some measuring points

表2 典型波形爆破信息及監測結果Table 2 Typical waveform blasting information and monitoring results

2 典型爆破振動信號小波包分解及能量分析

2.1 小波包分解

以典型波形z方向的原始信號為例進行小波包分析，其中基函數為db4，分解尺度為3。先將其分解到8個子頻帶上，再對其進行小波分解系數重構并對各頻帶重構波形進行傅立葉變換，結合小波包能量理論進行分析，最終獲得重構波形的最大速度、各頻帶上能量分布和主頻(見圖2)。從圖2可知，各頻帶振動速度峰值在不同時刻出現，波形疊加較少。可見，中俄原油管道一線隧道受地震波疊加的影響較小。

圖2 小波包系數重構波形及其各頻帶的傅立葉變換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”小波分別對典型波形的3個方向進行小波能量分析，得到能量分布(見圖3)和各方向能量值(見表3)。對比圖2和圖3可知，時程信號經過小波包分解以后，可以對信號在時-頻域內進行更細微的觀察，彌補在對爆破振動信號進行分析時傅立葉變換在頻域上的缺陷。

圖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)

由圖3可知，測點3個方向的能量分布頻帶都比較寬，且主要分布在1～4頻帶上，并且隨著時間的變化而迅速衰減；x方向的能量最高點出現在第1頻段，y方向的能量最高點出現在第2頻段，第1頻段次之，z方向的能量最高點出現在第1頻段。

由表3可知，z方向的能量最大值和總能量在3個方向中均為最大，其中z方向的總能量占3個方向能量之和的88%；x方向的總能量最小，但y方向與x方向的總能量較為接近；3個方向能量的分布情況與3個方向峰值速度的大小分布情況相吻合(x方向0.79 cm/s；y方向1.02 cm/s；z方向3.93 cm/s)。可見，中俄原油管道一線隧道主要受能量最大方向的振動影響。

2.3 不同掏槽方式的爆破振動頻帶能量分析

為了研究不同掏槽方式能量的分布情況，以爆破條件及參數相似，爆心距相差0.05 m(相對距離為0.27%)的2個爆破振動監測結果為例，對其進行爆破振動頻帶能量分析。爆破信息及監測結果如表4所示，其中斜掏方式下合速度為直掏時的2.45倍。

表4 爆破信息及監測結果Table 4 Blasting information and monitoring results

采用“db4”小波分別對直掏和斜掏情況下監測結果的3個方向進行小波能量分析，得到不同頻帶能量分布(見表5)和能量最大值及總能量值(見表6)。由表5可知，直掏和斜掏情況下的振動數據分解在8個頻帶上的能量均主要分布在1～4頻帶，并且隨著時間的變化而迅速地衰減；斜掏和直掏情況下3個方向的能量最高點均出現在第1頻段；掏槽方式由斜掏變為直掏時，3個方向對應的第1頻帶能量減弱，第2頻帶能量增強，頻率向高頻部分偏移量，不考慮振動幅值的情況下是對中俄油管道一線隧道是有利的。

表5 直掏和斜掏情況的不同頻帶能量分布Table 5 Energy distribution of different frequency bands in direct cutting and oblique cutting (%)

表6 直掏和斜掏情況的能量最大值及總能量Table 6 Maximum energy and total energy of direct cutting and oblique cutting (J)

由表6可知，直掏和斜掏情況下z方向的能量最大值和總能量在3個方向中均為最大，其中直掏情況下z方向的總能量占3個方向能量之和的88%，斜掏情況下的為92%；直掏情況下x方向的總能量最小，但y方向與x方向的總能量較為接近。而斜掏情況下雖然也是x方向的總能量最小，且y方向的總能量約為x方向的2.2倍。直掏和斜掏情況下3個方向能量的分布情況與3個方向速度峰值的大小分布情況相吻合。斜掏情況下各方向總能量和約為直掏情況下的5.3倍，z方向能量最大值約為直掏情況下的12.4倍。可見，采用直掏比斜掏對中俄原油管道一線隧道的影響更小。

3 爆破振動隨距離變化衰減規律

為研究爆破振動信號的能量隨距離變化的衰減規律，選取同一炮次4個測點的爆破振動監測結果為研究對象，其爆破信息及監測結果如表7所示。

表7 爆破信息及監測結果Table 7 Blasting information and monitoring results

采用“db4”小波分別對4個測點爆破振動監測結果的3個方向進行小波能量分析，得到不同頻帶能量分布(見表8)和各個方向能量值(見表9)。由表8可知，不同距離的振動數據分解在8個頻帶上的能量均主要分布在1～4頻帶，總體上隨著距離的增加第3～4頻帶上的能量分布越明顯。第1頻帶中y方向和z方向的能量百分比總體上隨著距離的增加而減小，第2頻帶則反之。同時，第3和4頻帶中z方向的能量百分比總體上隨著距離的增加而增加，可見隨著距離的增加頻率向高頻部分偏移量，不考慮振動幅值的情況下是對中俄原油管道一線隧道是有利的。

表8 不同頻帶能量分布Table 8 Energy distribution in different frequency bands (%)

表9 不同距離能量值Table 9 Energy values at different distances (J)

根據表9得能量隨距離變化關系(見圖5)可知，不同距離下z方向的總能量在3個方向中均為最大，其中距離最近時z方向的總能量占其對應3個方向能量之和的88%；z方向的總能量和3個方向的能量之和隨著距離的衰減規律均可采用指數函數表示：

圖5 能量隨距離的變化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為能量值;x為爆心距。

4 結語

1)從最大單段藥量為15 kg，總藥量為80 kg下的典型波形顯示，各頻帶振動峰值速度在不同時刻出現，中俄原油管道一線隧道受地震波疊加的影響較小；z方向的能量最大值和總能量在3個方向中均為最大(占3個方向能量之和的88%)，中俄原油管道一線隧道主要受z方向的振動影響。

2)在最大單段藥量和總藥量等情況相近，掏槽方式不同時，掏槽方式由斜掏變為直掏時，3個方向對應的第1頻帶能量減弱，第2頻帶能量增強，頻率向高頻部分偏移量；斜掏情況下各方向總能量和約為直掏情況下的5.3倍，z方向能量最大值約為直掏情況下的12.4倍，合速度約為直掏時的2.45倍。

3)在最大單段藥量和總藥量相同，距離不同時，隨著距離的增加，總體上呈現y方向和z方向的能量由第1頻帶向2～4頻帶轉移，即頻率向高頻部分偏移量；z方向的總能量和3個方向的能量之和隨著距離的衰減規律均可采用指數函數表示。