下穿既有隧道爆破振动响应研究.pdf

第34卷 第4期 2017年12月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 4 Dec. 2017 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2017. 04. 010 下穿既有隧道爆破振动响应研究* 杜小刚 1， 亢丽竹1， 林从谋2 （1.中交一公局厦门工程有限公司， 厦门361021；2.华侨大学岩土工程研究所， 厦门361021） 摘 要 以沪昆客专贵州段小高山隧道泄水洞下穿既有高铁隧道正洞爆破施工为工程实例， 在泄水洞开挖 下穿既有铁路隧道时， 为确保既有隧道结构安全和爆破振动影响问题， 采用稳健回归和小波包等分析技术， 研究了在既有隧道正洞内设置沙质缓冲层， 其在下穿隧道施工中爆破地震波特征和传播机制。结果表明 主 频率分布范围较广； 缓冲层有效地吸收了大部分高频带能量， 到达既有隧道结构的能量主要集中在第2 第 4频带部分， 振动速度峰值降低了34％左右， 各方向的主振频率主要位于5 70 Hz的中低频范围； 切向的能 量占主要优势， 须重点关注。研究为下穿既有隧道正洞施工， 保证其结构安全和沉降满足要求奠定了理论基 础， 该成果可为类似下穿隧道工程和小距离隧道工程爆破振动控制提供参考。 关键词 下穿隧道；爆破；振动响应；小波包技术；稳健回归 中图分类号 TD235. 1 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2017）04 －0052 －05 Research on Blasting Vibration Response of Existing Tunnels DU Xiao-gang1，KANG Li-zhu1，LIN Cong-mou2 （1. CCCC First Highway Xiamen Engineering Co Ltd，Xiamen 361021，China； 2. Research Institute of Geotechnical Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China） Abstract In order to ensure the safety of the existing tunnels and the impact of blasting vibration response under the excavation of the tunnel，the excavation blasting of Xiaogaoshan high-speed railway tunnel in Guizhou segment of Shanghai-Kunming passenger dedicated line was taken as an example. The influence of blasting vibration response was studied based on the robust regression and wavelet packet analysis techniques. The sandstone buffer layer was set up in the tunnel with existing tunnels，and the behavior and propagation mechanism of the blasting seismic wave in the tunnel construction were explored. Results show that the main frequency distribution was wide，and the buffer lay- er effectively absorbed most of the high frequency band energy. The energy in the existing tunnel structure was mainly concentrated between the second to fourth frequency bands，and the peak value of the vibration velocity was reduced about 34％ The main vibration frequency in each direction was mainly between the middle and low frequency range of 5 70 Hz；the tangential direction energy occupied the main advantage，which should be paid great attention. The study provides a theoretical basis for the construction of the existing tunnel and the structural safety. Key words under the tunnel；blasting；vibration response；wavelet packet technology；steady return 收稿日期2017 －08 －02 作者简介杜小刚（1986 －） ， 男， 甘肃天水人， 工程师、 本科， 主要从 事高速公路、 高速铁路、 地铁等施工技术管理， （E-mail） 290688997＠ qq. com。 基金项目中交第一公路工程局有限公司科技研发项目（KT2015- 024） 在岩土工程中， 因爆破地震造成结构物的失稳、 滑坡、 开裂和变形等问题时有发生， 但大量的工程事 例也揭示， 在爆破地震超过甚至严重超过国家或部 门相关标准允许值的情况下， 却并未对受控对象构 成任何威胁。长期以来， 采用单一强度因子作为爆 破地震安全判据在工程应用中的局限性和不合理性 已显露无遗。传统的爆破振动特征分析都是建立在 万方数据 Fourier变换基础之上， 由于爆破振动是一个短时非 平稳随机过程， 振动信号持时短、 突变快， 属于典型 的非平稳信号， 建立在平稳随机过程基础上的Fou- rier变换无法反映爆破振动的本质性特点。随着科 学技术的发展， 信号的时频表示法已广泛应用于岩 土工程技术领域， 用小波变换处理非平稳随机信号 越来越受到人们的青睐。目前对爆破振动信号的特 征进行分析， 是研究爆破地震效应最有效的方法 之一。 1 爆破振动信号获取 沪昆客专贵州段小高山隧道全长2857 m， 新增 泄水洞全长934 m， 为寒武系中统高台组白云岩地 层， 属Ⅲ级围岩。泄水洞开挖前， 小高山隧道结构和 轨道均已施工完毕。下穿既有隧道影响区域预先做 了如下处理①对高铁隧道下穿段的衬砌采用锁脚 锚管进行加固， 其目的是为了支撑素混凝土。②同 时破除该段的无砟轨道及仰拱， 分段进行隧底开挖， 开挖完后找到出水口进行引排， 随挖随换填处理。 ③在换填施工到达搭板里程桩号后， 分段开挖依次 施工缓冲层（ 缓冲层设置目的是为了减小暗挖泄水 洞爆破时产生的振动， 防止衬砌出现变形开裂等破 坏性情况） 。④施工钢筋混凝土搭板（搭板设置目 的主要目的是承受上部荷载， 同时抵抗一部分爆破 产生的振动） 。⑤施工钢筋混凝土仰拱及仰拱填 充。新建泄水洞在DK567 ＋106处以0. 5 m的净距 正交下穿既有铁路隧道正洞， 其净距之小在国内外 较为罕见， 下穿断面如图1所示， 测点平面布置如图 2所示。 采用TC-4850爆破测振仪对既有隧道进行爆 破振动测试，从砂质缓冲层作用效果大小的角度出 发， 在同一测点中抽取了2组典型振动信号进行分 析， 砂质缓冲层对信号1的影响较小（r ＞4. 5 m） ， 对 信号2的影响较大（r≤4. 5 m） 。其爆破参数及测试 结果如表1所示， 相应质点垂直振动速度时程曲线 如图3、 图4所示。 图1 下穿铁路断面与减振设计示意图 Fig. 1 Sketch map of railway section and blasting vibration reduction design 图2 既有隧道纵向平面振动测点布置示意图（ 单位mm） Fig. 2 Measuring point layout plan vibration measuring points layout in existed tunnel longitudinal plane（unitmm） 表1 测点2在4个工况的爆破振动监测数据 Table 1 Point 2 monitoring data of blasting vibration in the working condition of four 信号 距离 R／ m 最大段 药量／ kg 径向速度峰值／ （cms －1） 主频／ Hz 切向速度峰值／ （cms －1） 主频／ Hz 垂直速度峰值／ （cms －1） 主频／ Hz 合成速度／ （cms －1） 121. 4515. 302. 79285. 711. 85400. 002. 52250. 003. 44 26. 802. 764. 36200. 004. 631333. 222. 4972. 735. 06 2 爆破振动特性分析 2. 1 波形特性 从图3、 图4中波形曲线可以看出①当爆源在 r ＞4. 5 m时， 掏槽孔产生的振动速度最大， 但掏槽 孔的装药量却不是最大的， 表明开挖断面中心岩体 的夹制作用比周边大；②爆源在r ＞4. 5 m时的波形 比r≤4. 5 m时的波形密集；③爆心距较小区域， 以 垂直方向振动速度为主， 爆心距较大区域， 以水平振 动速度为主；④各个工况使用的毫秒延时微差雷管， 使得各段位产生的振动波形都均匀区分开来了， 没 有出现明显的波形叠加现象；⑤r ＞4. 5 m时的爆破 35第34卷 第4期 杜小刚， 亢丽竹， 林从谋 下穿既有隧道爆破振动响应研究 万方数据 振动波形相似、 持续时间相近， 主要区别在于单端最 大药量的改变， 造成了振动幅值的不同；⑥背爆面测 点的振动速度大约为迎爆面测点振动速度的39％ 58％。 图3 信号1的典型波形（r ＞4. 5 m） （ 单位mm） Fig. 3 Typical wave signal 1（r ＞4. 5 m） 图4 信号2的典型波形（r≤4. 5 m） Fig. 4 Typical wave signal 2（r≤4. 5 m） 2. 2 频谱特性 通过对图3和图4给出的波形做傅里叶变换， 得到r ＞4. 5 m和r≤4. 5 m时的频率分布图（ 如图5 和图6所示） 。 图5 信号1的频率分布图 Fig. 5 Frequency distribution diagrm of signal 1 从图5和图6中可以发现①当爆源距既有隧 道中线距离r≤4. 5 m时， 各方向的主振频率主要位 于5 70 Hz的中低频范围， 应考虑隧道的共振影 响；②当r ＞4. 5 m时， 各方向主振频率相对集中在 高频部分， 对隧道结构不会产生共振的影响；③r≤ 4. 5 m时的高频比例明显小于r ＞ 4. 5 m时的高频 比例， 说明了预设的砂质缓冲层增强了对高频部分 的吸收效果；④r ＞ 4. 5 m范围内， 随着单段最大药 量的减小， 各方向主振频率分布有向高频部分集中 的趋势。 图6 信号2的频率分布图 Fig. 6 Frequency distribution diagram of signal 2 2. 3 幅值特性 2. 3. 1 稳健回归分析方法 稳健回归分析方法， 以迭代加权最小二乘法为 基础， 对异常数据给予较低的权重， 正常数据给予较 高的权重。 以萨道夫斯基经验公式为基础， 先把萨氏公式 转化成线性表达形式 ln V ＝ ln K ＋ α ln ρ（1） 式中V为质点振动速度，cm／ s；K为与岩石性质、 爆破方法等因素有关的系数；α为与地质条件有关的地 震波衰减系数； ρ ＝ Q1／3 R 称为比例药量；Q为同段起爆的 最大药量，kg；R为爆源至计算点之间的距离，m。 令y ＝ ln V，x ＝ ln ρ，a ＝ α，b ＝ ln K， 则式（1）可 写成 y ＝ ax ＋ b（2） 进而采用稳健回归， 可得到参数a、b， 进而可求 得K ＝ eb，α ＝ a。 2. 3. 2质点速度速度峰值衰减规律 通过现场爆破监测得到若干组质点峰值振动速 度、 最大段装药量及测点距爆心的距离数据， 利用上 述稳健回归的方法可得质点速度速度峰值规律为 r ＞ 4. 5 m时，V ＝ 44. 332 Q1／3 J R 1. 405 （ 相关系数为0. 90）（3） r ≤ 4. 5 m时，V ＝ 144. 469 Q1／3 J R 2. 50 45爆 破 2017年12月 万方数据 （ 相关系数为0. 92）（4） 前者岩性相关系数K、α的范围均在常规范围 内， 但后者因为砂质缓冲层的减振作用较强， 其地震 波衰减系数α提高了78％， 加快了地震波的衰减速 度。当齐爆药量取为3 kg， 爆心距为5 m时， 相应计 算得到的振动速度峰值分别为7. 729 cm／ s、 5. 089 cm／ s， 可见后者比前者降低了34％。 2. 4 能量特性 2. 4. 1 不同频带的能量分布 地震波携带着爆破产生的部分能量在介质中传 播， 而地震波又包含着复杂的频域成分。不同的频 带所携带的能量各异， 不同频率的地震波对结构物 的影响程度也是各不相同的。因为不同谐波所携带 的能量大小不同， 它对结构物的影响程度也就各不 相同。所以， 对地震波不同频段带所携带能量大小 对爆破地震波对结构物的影响进行研究有着非常重 要的意义［ 1-6］。 选用最佳的小波基是使用小波包技术对信号进 行分析时非常重要的一个问题。同一个信号选用不 同的小波基分析， 将得到不同的结果［ 6］。当前在处 理爆破振动信号中， 普遍使用的是db4和db8， 由于 爆破地震波具有衰减相对较快的特点， 故本文选用 “db4” 小波。 利用Matlab7. 1的小波工具箱中携带的dbN序 列小波包分解与分解系数重构相对应的算法及其函 数， 并编程实现对信号频带能量的小波包分析。分 解尺度是3， 将振动信号分解到8个子频带上， 各子 频带的具体频率划分依次对应为0 30 Hz、30 60 Hz、60 90 Hz、90 120 Hz、120 150 Hz、150 180 Hz、180 210 Hz、210 240 Hz。 表2是对两组爆破振动信号进行小波包分解得 到的各通道8个频带上的能量分布比例表。 根据表2， 可以绘出各信号不同通道在不同频 带上的能量分布比例图（ 见图7、 图8） 。 图7 爆破振动信号1不同频带的能量分布图＼ Fig. 7 Energy distribution of blasting vibration signals 1 on different frequency bands 表2 群孔不耦合装药结构各测点各通道各频带 能量比例分布 Table 2 Group of hole non-coupling charging structure of each measuring point distribution of each channel frequency band energy ratio 信号1 信号2 通道方向 径向 切向 垂直 径向 切向 垂直 10 3016. 839. 198. 608. 743. 350. 80 230 6029. 86 15. 298. 41 15. 165. 244. 75 360 907. 29 10. 91 14. 38 23. 13 11. 44 35. 42频 带 ／ Hz 490 1209. 21 18. 84 10. 929. 566. 85 29. 05 5120 150 15. 315. 96 13. 655. 563. 978. 27 6150 180 14. 27 15. 84 15. 988. 823. 809. 61 7180 2105. 237. 92 17. 268. 33 13. 189. 32 8210 2402. 01 16. 05 10. 80 20. 69 52. 172. 76 图8 爆破振动信号2不同频带的能量分布图 Fig. 8 Energy distribution of blasting vibration signals 2 on different frequency bands 从图7、 图8中可以看出 振动信号1在8个频 带上的分布较为均匀， 尽管其爆心距远大于振动信 号2， 但是其高频带部分能量的衰减速度比振动信 号2慢很多； 振动信号2爆心距较小， 在缓冲层的作 用下能量衰减迅速， 其能量主要集中在第2 第4 频带部分， 但缓冲层对切向能量的减震效果较差。 2. 4. 2 不同通道能量分布特性 为了进一步研究爆破振动信号不同通道的能量 大小分布情况， 再次运用“db4”小波分别对各振动 信号三个方向的振动速度波形进行小波能量分析， 结果（ 见图9、 图10） 。 从图9、 图10可以看出， 两种爆破振动信号的 切向能量均为最大， 说明了在小净距下穿隧道爆破 过程中切向能量占主要优势， 其次是垂直方向的能 量， 而径向方向能量最小； 振动信号1能量主要集中 在20 ms之内， 频带分布较广， 而振动信号2能量主 要是集中在20 ms以后。 3 结语 （1） 在砂质缓冲层的作用下， 质点振动速度峰值 相比未预设砂质缓冲层时降低了34％左右。且高频 55第34卷 第4期 杜小刚， 亢丽竹， 林从谋 下穿既有隧道爆破振动响应研究 万方数据 率能量大部分均被吸收掉， 到达既有隧道结构的能量 主要集中在第2 第4频带部分， 各方向的主振频率 主要位于5 70 Hz的中低频范围（r≤4.5 m） 。 图9 爆破振动信号1三个方向的能量分布图（ 单位 能量J， 时间ms） Fig. 9 Energy distribution diagram of blasting vibration signals in 1 directions and three directions（unitJ，ms） 图10 爆破振动信号2三个方向能量分布图（ 单位 能量J， 时间ms） Fig. 10 Energy distribution diagram of blasting vibration signals in 2 directions and three directions（unitJ，ms） （2） 采用稳健回归方法拟合得到爆破地震波衰 减规律的相关系数可达到0. 90以上。 （3） 超小净距下穿隧道爆破中以切向方向的能 量占主要优势， 但缓冲层在该方向的减震效果稍差 于其他方向。 （4） 缓冲层作用效果较小时， 爆破地震波传到 隧道结构处的能量频带分布较广。 参考文献（References） ［1］ 阳生权， 廖先葵， 刘宝琛.爆破地震安全判据的缺陷与 改进［J］.爆炸与冲击，2001，21（3） 223-228. ［1］ YANG Sheng-quan，LIAO Xian-kui LIU 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