公路路基準靜態爆破開挖爆破振動反應譜分析

楊幼江，薛維龍，朱 禧，高 博

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

炸藥爆破廣泛應用于路基開挖、采礦、隧道爆破、深基坑爆破，拆除爆破和硐室爆破等各領域，炸藥爆炸威力大，破巖效率較高，但在帶來經濟、便捷性的同時，炸藥爆破產生的爆破振動有害效應也對周邊的建(構)筑物提出了較高要求，在環保要求日益嚴格的今天，爆破因微振動、無飛石、低噪聲、無有害氣體污染等優點也逐漸應用于各領域。炸藥爆炸破巖機理與二氧化碳爆破破巖機理大不相同，二氧化碳爆破破巖過程是液態二氧化碳轉化為氣態，瞬間產生強大的壓力，同時釋放出高壓氣體，在巖體內部產生拉應力場，從而達到破碎巖體的效果，但此過程同時也會產生振動，其振動特性對周邊高要求環境的影響值得探究。

周科平等[1]利用動態信號采集系統測定二氧化碳爆破系統爆破管內壓力，獲得壓力曲線變化規律，同時研究了液態二氧化碳相變過程。張開加[2]根據斷裂力學理論，分析了不同埋深下地應力及爆破壓力的不同對二氧化碳致裂效果的影響。劉光輝等[3]采用小波包分析對二氧化碳致裂振動信號進行了研究，表明二氧化碳致裂的峰值質點振動速度僅為炸藥爆破的10%，且二氧化碳致裂振動信號能量頻帶較集中。劉小雄等[4]利用希爾伯特-黃變換，對二氧化碳相變破巖時引起的振動信號進行了分析，結果表明，其能量主要集中于0～20Hz，且隨監測距離的增加，能量逐漸向高頻帶集中，一定距離條件時，信號垂直分量的能量比例最高，水平徑向次之，水平切向最小。沈鑫等[5]利用FFT變換，分析了二氧化碳相變致裂過程對結構的影響，再利用EEMD分解對加速度信號進行低通濾波去噪，以去噪后的加速度曲線為輸入信號，研究了不同阻尼比下二氧化碳致裂信號反應譜，取得了較好效果。許多文獻研究表明[6-9]，HHT變換能有效處理爆破振動這種非平穩信號，經由EMD分解得到的固有模態函數(IMF)都是平穩的，且基于IMF分量進行Hilbert變換后得到的各種物理量能反映真實的物理過程，HHT變換較FFT變換以及小波包分析更具優越性。

現有針對二氧化碳相變破巖過程的研究都聚焦于單孔爆破時產生的振動信號，且試驗過程中的最小抵抗線方向為致裂器到地表的方向，與工程現場情況有較大差別。為此，本文以公路路基開挖工程為背景，進行了二氧化碳相變破巖過程全尺寸試驗，試驗共進行2次不同孔數的二氧化碳爆破。針對路基爆破監測數據利用HHT變換，對破巖時引起的振動信號進行分析，以反映真實的二氧化碳爆破施工產生的振動信號的頻譜特征，為以后研究爆破對周邊建(構)筑物的影響提供參考。

1 爆破試驗方案

1.1 工程地質概況與炮孔布置方案

爆破試驗場地所在的邊防公路路基爆破施工工程位于西藏林芝市米林縣，地處西藏東部、雅魯藏布江中游、念青唐古拉山與喜馬拉雅山之間，地層以第四系松散狀崩積層角礫土、夾塊石為主，坡體較陡。臨近爆破試驗區域存在多處易崩塌及滑動堆積體。因邊防公路性質特殊，計劃采用二氧化碳爆破進行路基爆破開挖。巖層巖性以花崗巖、片麻巖居多，抗壓強度可達100MPa，屬堅硬巖石。現場使用潛孔鉆機進行鉆孔，孔徑為100mm，孔深均為3.0m。爆破致裂器管長151cm，管外徑7.3m，內徑4.5m，其中出氣孔直徑為4.0m，充氣壓力為9MPa。現場進行了2組爆破試驗，炮孔布置參數如圖1所示，兩多孔爆破試驗參數如表1，2所示。其中第1組試驗共3個炮孔，孔距為3.0m，最小抵抗線為1.5m，第2組試驗共3個炮孔，孔距為2.5m，最小抵抗線為1.9m。

圖1 炮孔布置參數(單位：cm)

表1 試驗1爆破試驗參數

表2 試驗2爆破試驗參數

1.2 地表振動速度及超壓監測方案

為準確衡量2次試驗產生的振動及超壓對周邊環境的影響，現場使用Instantel公司生產的Micromate爆破振動監測儀，該儀器具有1個三軸檢波器和1個空氣超壓麥克風用以監測爆破振動與空氣超壓，采樣率范圍為1 024～4 096S/s，能準確記錄爆破所產生的爆破振動及超壓數據。同時，為進一步監測記錄爆破所產生爆破振動的傳播規律，現場另使用4臺TC-4850爆破振動監測儀監測爆破所產生的爆破振動，其三矢量低頻振動速度傳感器集x，y，z3個方向一體，并配備相應三矢量合成分析軟件，傳感器管道底部縱向布設，布設位置如圖2所示，并通過信號輸入抗干擾接頭與TC-4850監測儀相連，該儀器所監測的爆破振動頻率范圍為1～500Hz，涵蓋了此次爆破試驗振動頻率。

圖2 監測點平面示意(單位：cm)

兩爆破試驗中儀器布置方案一致，7號TC-4850監測儀及D2號Micromate監測儀中間炮孔位于同一軸向上，其中Micromate監測儀的振動檢波器距離2/4號炮孔水平距離為5.0m，其余TC-4850監測儀平面位置如圖3所示。現場致裂器安裝完畢后，開啟Micromate與TC-4850監測儀，人員撤離現場后起爆。

圖3 爆破振動速度曲線

2 爆破振動信號分析

Micromate爆破振動監測儀在爆破試驗1中的振動速度曲線如圖5所示，軸向即最小抵抗線的方向質點峰值振動速度最大，為0.443cm/s。

2.1 試驗1水平切向振動信號分析

使用希爾伯特-黃變換對試驗1中超壓儀器水平切向的爆破振動速度曲線進行經驗模態分解(EMD)可得到多個IMF分量，經驗模態分解方法無須選取基函數，分解而來的IMF分量按高頻到低頻一次進行排列。IMF分量及EMD分解的殘余項如圖4所示。

圖4 EMD分解IMF分量

由圖5可知，由原始爆破振動的EMD分解所得的IMF分量為imf1～imf10，r10為余量，分量imf1～imf5的振動幅度較大，為振動信號的主要組成部分，分量imf1～imf3優勢頻率集中在0～10Hz，imf4優勢頻率集中在0～20Hz；其余分量振動幅度較小，頻率集中在20～50Hz，為信號的次要組成部分，分解余量r10振動幅度極小，表征振動微弱趨勢或儀器本身的飄零。

圖5 IMF分量幅頻曲線

由圖6，7可看出，信號能量在頻率上的集中度，試驗1的能量分布在0～20Hz的主振頻域。爆破能量集中在采樣點200～300處，表明現場使用單段起爆方式，與試驗一起爆方式一致，表明了HHT變換的可靠性。

圖6 邊際譜

圖7 三維時頻譜

2.2 試驗1水平軸向振動信號分析

使用希爾伯特-黃變換對試驗1中1號儀器水平軸向振動速度曲線進行EMD分解，各IMF分量及其幅頻曲線如圖8，9所示。

圖8 EMD分解IMF分量

圖9 IMF分量幅頻曲線

水平軸向爆破振動原始信號經EMD分解所得的IMF分量為imf1～imf8，r8為余量，軸向振動信號EMD分解所得imf分量特征與切向相似，其中imf1～imf5的振動幅度較大，是振動信號的主要組成部分，分量imf1～imf3優勢頻率集中在0～10Hz，imf4～imf5優勢頻率集中在0～40Hz。對分解而來的IMF分量進行Hilbert變換，可得到信號的邊際譜及三維時頻譜，如圖10，11所示。

圖10 邊際譜

圖10，11清晰地顯示出水平軸向原始爆破信號主要能量集中在0～30Hz，振動作用時間集中在采樣點150～300處，較水平切向振動信號作用時間要長。由圖11與圖3可看出，同一試驗中，二氧化碳相變破巖過程中產生的水平軸向振動能量大于水平切向，垂直方向振動能量最小。

圖11 三維時頻譜

2.3 試驗2水平切向振動信號分析

同樣對試驗2中1號儀器所測得的振動信號進行HHT變換，EMD分解所得IMF分量及其幅頻曲線如圖12，13所示。

圖12 EMD分解IMF分量

圖13 IMF分量幅頻曲線

由圖12，13可得，振動速度曲線經EMD分解得到10個IMF分量，其中分量imf1～imf5的振動幅度較大，為振動信號的主要組成部分，對分解而來的IMF分量進行Hilbert變換，得到如圖14所示邊際譜及圖15所示三維時頻譜。

圖14 邊際譜

由圖14及圖15可看出，試驗2爆破信號能量主要分布在0～20Hz，高頻信號能量較試驗1要少，二氧化碳相變破巖產生的振動能量向低頻集中，作用時間集中在50～300采樣點，較試驗1水平切向與水平軸向振動信號持續時間要長，但均小于炸藥爆破產生的爆破振動作用時間[10]。

3 結語

1)二氧化碳爆破振動主頻集中在0～20Hz，部分分量主頻集中在0～10Hz，較爆破振動主頻要小得多，接近建(構)筑物自振頻率。

2)二氧化碳破巖過程中產生的爆破振動信號，水平軸向能量最大，水平切向次之，垂直方向最小。

3)同段爆破過程中參與致裂的孔數越多，其產生的振動持續時間、振動速度顯著增加，且爆破振動的主要能量逐漸向低頻聚集。

4)在遠離城區的公路路基爆破施工過程中，可實施多孔同段爆破，提升破巖效率。在城區鄰近建筑物路基爆破施工中應避免多孔同段布孔施工，密切關注爆破振動對周邊建(構)筑物的影響。