野山河隧道爆破振动监测与分析.pdf

第2 6 卷第4 期 2 0 0 9 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 6N o ．4 D e c ．2 0 0 9 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 0 9 ．0 4 ．0 2 4 野山河隧道爆破振动监测与分析 蔡冻L 2 ，吴立1 ’2 ，梁禹1 ’2 1 ．中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉4 3 0 0 7 4 ；2 ．中国地质大学T 程学院，武汉4 3 0 0 7 4 摘要在野山河隧道爆破施工中，为了确保附近水电站的安全，在隧道掘进爆破过程中进行了爆破振动 监测，应用基于最小二乘法的回归分析得出了K 、a 值；同时根据监 3 1 4 数据，运用基于M a d a b 的F F r 方法对监 测波形进行了频谱分析。 关键词隧道爆破；爆破振动监测；回归分析；频谱分析 中图分类号T W 2 3 5 ．1 4文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 0 9 0 4 0 0 8 9 0 4 M o n i t o r i n ga n dA n a l y s i so nB l a s t i n gV i b r a t i o no fY e s h a n h eT u n n e l C A ID o n 9 1 - ，删L i l ”，L I A N GY u l 2 1 ．E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fR o c k S o i lD r i l l i n g E x c a v a t i o na n dP r o t e c t i o n 。 M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ； 2 ．F a c u l t yo fE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a A b s t r a c t F o rt h es a f e t yo fh y d r o p o w e rs t a t i o nn e a r b y ，m o n i t o ro fb l a s t i n gv i b r a t i o nW a so p e r a t e dd u r i n ge X e a v a ． t i n gi nc o n s t r u c t i o no fY e s h a n h et u n n e l ．R e g r e s s i o na n a l y s i sb a s e do nl e a s ts q u a r e sm e t h o dw e I ℃u s e dt oa n M y z et h e V a l U e So fKa n da ，m e a n w h i l e ，F F rm e t I l o db a s e do nM a t l a bW a sa p p l i e dt od os p e c t n u na n a l y s i so nm o n i t o r e dw a v e - f o r ma c c o r d i n gt om o n i t o r e dd a t a ． K e yw o r d s t u n n e lb l a s t i n g ；m o n i t o ro fb l a s t i n gv i b r a t i o n ；r e g r e s s i o na n a l y s i s ；s p e c t r u ma l l a l y s i s 0引言1隧道爆破振动监测 目前爆破开挖是国内矿山开采、隧道开挖及水 利水电等工程的主要施工方法。在爆破开挖过程 中，爆破引起的振动影响附近建筑物、构筑物及相关 设施的安全。为此需要建立工程爆破振动控制与监 测系统，确保工程的顺利进行。 野山河隧道位于湖北建始县境内，全长1 7 0m 。 距离隧道进I l 处3 0m 处为水电站厂房。该水电站 是建始县的重要建筑物，并且爆破振动对水电站设 施有较大的影响，因此需要对隧道爆破振动进行严 密的监测，确保设施的安全。 收稿日期2 0 0 9 一l O 一2 2 作者简介蔡冻 1 9 8 8 一 ，男，硕士在读．从事爆炸效应及其防护、 地质工程等方面的科研工作，E - m a i l e d c u g 1 6 3 ．e o m 。 1 ．1 工程及其地质条件 野山河隧道工程区内地层岩性为三叠系大冶组 深灰色薄层灰岩夹极薄层页岩，偶夹极薄层灰岩，灰 岩单层厚度5 1 5c m 、页岩单层厚度l 一5m m 。岩 层产状3 4 0 0 ／_ 4 3 。。薄层灰岩干密度为2 ．6 8g ／c m 3 ， 吸水率为O ．1 8 ％，干和湿单轴抗压强度分别为9 3 ．5 M P a 和7 5 ．0M P a ．软化系数为0 ．8 0 ，干和湿弹性模 量分别为5 6 ．3M P a 和4 4 ．2M P a ，干和湿泊松比分 别为O ．4 0 和0 ．3 0 。 为了减小爆破对围岩的扰动，充分发挥围岩的 自承能力，根据新奥法原理，野山河隧道采用了光面 爆破。根据围岩特点合理选择周边孔间距及周边孔 的最小抵抗线，辅助孔交错均匀布置，周边孔和辅助 万方数据 爆破2 0 0 9 年1 2 月 孔孔底在同一垂直面上。周边孔与辅助孔单孔孔深 均为2m ，掏槽孔孔深为2 ．2 0m 。同时严格控制周 边孔的装药量，周边孔采用间隔装药，其它炮孔采用 连续装药，药量沿炮孑L 全长均匀分布。野山河隧道 工程爆破炸药选用的是2 。岩石铵梯炸药n 】，周边孔 单孑L 装药量为0 ．6k g ，辅助孑L 和掏槽孑L 单孔装药量 分别为0 ．9k g 和1 ．0 5k g 。隧道光面爆破最大单响 药量Q 。。。。为2 0 ．4k g 。 1 ．2 监测设备选用 根据经验预估被测量的振动频率及量程，测试 设备选用四川拓普数字设备有限公司开发研制的 T o p b o x 振动自记仪。T o p b o x 振动自记仪是1 种新 型、轻巧、携带方便的振动测试仪器，近年来在爆破 振动测试中得到广泛的应用。该仪器自带电池供 电，不需外接电源，与传感器相连放置在测点处，经 过简单的参数设置后启动信号采集，当地震波信号 传来时，仪器便自动记录下整个动态波形，记录完毕 后可通过R S - 2 3 2 接口与台式或笔记本电脑连接，并 利用提供的配套软件进行数据处理和分析。该系统 具有量程大、通频带范围广的特点，并已经动态标 定，具有良好的频晌特征和线性范围。与传统的测 试方法相比T o p b o x 避免了现场测量导线的铺设、检 查和回收等大量工作，解决了现场测量对交流电的 依赖问题，使现场测试更方便、高效；而且凭借计算 机的强大功能，数据处理更加准确、方便，功能更完 善，能极大地提高工作效率。经多次测试证明该系 统完全满足测试要求。 1 ．3 爆破振动监测内容 爆破引起的振动是一个非常复杂的随机变量。 爆破地震波振动强度可用介质质点运动各物理量衡 量，如位移、加速度和速度等旧1 。但用哪一种物理 量作为衡量地震波强度的标准最合适，至今仍无定 论。通过大量实践观测表明，爆破地震破坏程度与 振动速度大小的相关性比较密切，故在实际工作中， 大都采用地震波质点的振动速度作为衡量地震波强 度的标准。因此，测试采用地震波质点振动速度作 为爆破地震波的测试物理量。每测点只测试质点振 动速度的竖直分量。注意在布点时传感器应垂直地 面，并用石膏涂抹在底部固定在地面上。 1 ．4 爆破振动监测点布置 由于野山河道爆破施工距变电站较近，为了准 确评价爆破作业对变电站产生的影响，在变电站厂 房区域内最靠近爆源的Ⅳ测线上分别布置5 个测 点，在另l 区域内最靠近爆源的M 测线上分别布置 5 个测点 见图1 。离隧道进洞口中心线最近的测 点分别为N 。 距隧道进洞口中心线约为3 0I T I 和M 。 距隧道进洞口中心线约为2 0 ．5m ，其余测点距爆 源的距离由现场实测确定。 隧道爆破作业时，对5 个测点同时进行监测，并 进行现场采样记录，分析振动效应。 野山河 码头隧道 图1 监测点布置图 单位m m F i g ．1L a y o u to fM o n i t o r i n gP o i n t s u n i t m m 2隧道爆破振动监测数据分析 2 ．1 影响爆破振动强度经验模型的回归分析 隧道爆破振动产生的地震波会对邻近设施产生 危害，应预计其危害程度，以便采取必要的防护措 施。爆破地震的安全距离一般采用M ．A ．萨道夫斯 基公式计算 m1 几 R 。 f 拿 Q 。。1 ／。3 1 、V B ， 式中，尺。为爆破地震的安全距离，m ；Q 。。，为最大单 响药量，k g ；E 为建筑物所能承受的最大振动速度， c m ／s ；K 为与爆破地形、地质条件有关的系数；a 为 地震波衰减指数一J 。因为K 、理对爆破形式、地质和 场地等外部条件具有较大的依赖性，所以离散程度 较大。通常的做法是根据爆破试验或施工爆破过 程中测得的实际数据，以M ．A ．萨道夫斯基经验公 式为基本形式，采用最小二乘法进行拟合求得相应 爆破振动参数的衰减方程。对M ．A ．萨道夫斯基经 验公式两边取自然对数得 l nV I nK a I n Q “’／R 2 令石 I n Q 1 力／R ，Y I nV ，b I nK ，k 仅，贝0 式 2 变换成一元线性回归方程 Y b k x 3 在野山河隧道爆破施工过程中，共进行了6 次 爆破振动监测。爆破振动分析时选择比较有代表性 的1 0 组数据。对爆破设计参数及爆破振动监测数 据 表1 进行分析整理，应用最小二乘法进行回归 分析，建立了爆破地震振动速度与爆心距之间的线 性相关关系H 】。 万方数据 第2 6 卷第4 期蔡冻，吴立，梁禹野山河隧道爆破振动监测与分析9 1 表1 爆破振动监测数据 T a b l e lM o n i t o r i n gR e s u l t so fB l a s t i n gV i b r a t i o n 基于M a t l a b 软件，应用最小二乘法对监测数据 进行回归拟合分析 图2 ，得 K 9 0 ．7 ．a 1 ．3 2 利用得出的K 、a 值，根据式 1 便可计算出实 际应该采用的最大单响药量Q 。，值。为了保证隧道 爆破地震波影响范围内的建筑物的安全，必须把爆 破单响药量控制在Q 一以下。 图2 线性回归分析拟合线 ． F i g ．2 F i tL i n eo fL i n e a rR e g r e s s i o nA n a l y 8 i s 2 ．2 爆破振动信号频谱分析 运用傅里叶变换可以把爆破振动信号按正弦展 开成不同的频率值，对于取样信号，用的是离散傅里 叶变换。一般振动信号波形的记录都是以时间一幅 度相关的形式直观表现出来的，通常称为时域分析； 而快速傅里叶变换 F 兀 是分析计算信号波形中的 频谱成分强度，将其能量从时间积分，从而得出频 率．幅度相关的形式，称为频域分析。 对于一个时域离散信号{ 茗 I t } ，其频谱函数 x 弘 是石 肛 的傅里叶变换。傅里叶变换定义为 ∞ x 扣 ∑龙 n e 删 4 式中√为虚数单位；t t ，为数字频率。 由于处理的信号是有限长的，即凡 ∞，故实际 采用的是离散傅里叶变换。长度为Ⅳ的序列石 凡 ， 其离散傅里叶变换定义为 N 一1『v 一1 x I j } ∑x n e 叫2 删m ∑并 n 嘴 5 式中，阢 e J 2 训 。 然而该方法计算工作量较大，如果由式 5 直接 计算X k ，需要Ⅳ次复数乘法和Ⅳ次复数加法，计 算需要Ⅳ2 次操作。当Ⅳ较大且处理数据很多时，就 是用高速计算机也无法解决很多实际问题。直到快 速傅里叶变换快速算法的出现。它的基本思想是尽 量减少乘法运算次数，对变换式进行一次次分解，使 其成为若干个小数点的组合，从而减少运算量。式 5 表面上看要做Ⅳ2 次乘法，实际上只有Ⅳ个不同的 值，特别当N 2 ’ P 为2 的整数倍 时，只有N ／2 个 不同的值。这样就能大量减少乘法次数“ 】。 根据上述原理，采用M a t l a b 对爆破振动监测得 到的数据进行分析得到图3 和图4 。 F i g ．3 O ．9 O ．8 O ．7 0 ．6 0 ．5 30 ．4 蓬O ．6 O ．5 0 ．1 “e 图3 爆破振动监测波形图 W a v eP a t t e r no fB l a s t i n gV i b r a t i o nM o n i t o r i n g O 2 04 06 0 8 0 1 0 01 2 01 4 0 ∥H z 图4 垂直方向频谱图 F i g ．4 S p e c t r u mo fV e r t i c a lD i r e c t i o n 万方数据 爆破 2 0 0 9 年1 2 月 由图3 可知，垂直振动速度y 的最大值为1 ．4 c m ／s ，远小于国家爆破安全规程 G B 6 7 2 2 一2 0 0 3 表2 中对于厂房这类钢筋混凝土结构房屋规定的 安全允许振速K 3 ．5c m ／s ，说明野山河隧道爆破 产生的振动效应不会对附近的水电站厂房产生破坏 性影响∽J 。 表2 爆破振动安全允许标准 G B 6 7 2 2 ．2 0 0 3 T a b l e 2C r i t e r i ao fB l a s tS a f e t y G B 6 7 2 2 - 2 ∞3 保护对象类别 安全允许振速／ c m s 。1 1 0H z 1 0 。5 0H z5 0 ～1 0 0H z 从测试数据的F F T 分析的频谱图4 可以看出，垂 直方向的主频为1 8H z ，振动能量主要集中在1 8 6 0 H z ，占总能量的9 4 ．3 5 ％。此外，爆破振动波包含丰 富的谐波频率，有一频带宽度，一般其谐波频率的能 量低于主频率的能量，对于本次小药量爆破而言，爆 破能量主要集中在1 5H z 以上的高频带。一般而言 混凝土建筑物的自身频率在几赫兹左右，属于低频 带，可见本次爆破不会造成附近水电站的共振。 3结语 由于爆破振动效应危害大，而爆破振动机理复 杂，影响爆破振动强度的因素很多，所以如何根据工 程实际情况来选取爆破振动监测设备、布置爆破振 动监测点至关重要。 通过对野山河隧道开挖爆破振动监测数据的分 析，主要获得以下几点结论 1 爆破振动监测点布置位置合理，爆破监测设 备选用及调试均符合工程测试要求，测得的测点的 垂直振动速度可信度满足测试要求，所测得的垂直 速度值均小于国家安全爆破规程的允许振速K 3 ．5c m ／s o 2 爆破振动强度模型回归分析根据隧道爆破 过程中测得的数据，应用基于M a t l a b 的最小二乘法 进行拟合求得相应爆破振动强度的衰减方程，得到 K 9 0 ．7 ，d 1 ．3 2 。 3 采用F F T 分析法能够求出爆破振动的频谱 分布特征，得到爆破振动主频为1 8H z ，得到的结果 能够满足国家安全爆破规程的规定。 参考文献 [ 1 ] 左清军，周斌，邹振．野山河隧道爆破开挖设计方 案[ R ] ．武汉中国地质大学 武汉 野山河隧道项目 部，2 0 0 8 6 - 1 0 ． [ 2 ] 林大超，白春华．爆炸地震效应[ M ] ．北京地质出版 社，2 0 0 7 3 5 ．3 8 ． [ 3 ] 刘先林，周传波，张国生．隧洞开挖爆破振动监测与振 速预测分析[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，2 5 3 9 6 ．1 0 6 ． [ 4 ] 吴立，闰天俊，周传波．凿岩爆破工程[ M ] ．武汉中 国地质大学出版社，2 0 0 5 1 2 5 ．1 3 4 ． [ 5 ] 葛哲学，陈仲生．M a t l a b 时频分析技术及其应用[ M ] ． 北京人民邮电出版社，2 0 0 6 1 4 0 ．1 5 2 ． [ 6 ]G B 6 7 2 2 喇3 爆破安全规程[ s ] ．北京中国标准 - 出版社，2 0 0 4 ． 上接第2 5 页 G O L DVM ．V R A D I SGC 。P E A R S O NJC ．C o n c r e t e P e n e t r 砒i o nb yE r o d i n gP r o j e c t i l e sE x p e r i m e n t sa n dA n a l y s i s [ J ] ．A S C EJE n gM e c h ，1 9 9 6 ，1 2 2 2 1 4 5 - 1 5 2 ． F O R R E S T A LMJ ，T Z O UDY 。A S K A R IE ，e ta 1 ．P e n e ． t r a t i o ni n t oD u c t i l eM e t a lT a r g e t sw i t hR i g i dS p h e r i c a l - n 0 6 eR o d s [ J ] ．I n tJ I m p a c tE n g ，1 9 9 5 ，1 6 6 9 9 - 7 1 0 ． C H E N ，XW ，L IQM ．D e e pP e n e t r a t i o no faN o n - d e f o r m - a b l eP r o j e c t i l ew i t I lD i f f e r e n tG e o m e t r i c a lC h a r a c t e r i s t i c s [ J ] ．I n tJI m p a c tE n g ，2 0 0 2 ，2 7 6 1 9 - 6 3 7 ． UQM ，C H E NXW ．D i m e n s i o n l e s sF o r m u l a ef o rP e n e t r a - l i o nD e p t ho fC o n c r e t eT a r g e tI m p a c t e db yaN o n d e f o r m - a b l eP r o j e c t i l e [ J ] ．I n tJI m p a c tE n g ，2 0 0 3 ，2 8 9 3 - 1 1 6 ． [ 1 4 ] W A R R E NTL ，F O R R E S T A LMJ ．E l e c t so fS t r a i nH a r d - e n i n ga n dS t r a i n r a t eS e n s i t i v i t yo nt h eP e n e t r a t i o no fA l u m i n u mT a r g e t sw i t hS p h e r i c a l ．n o s e dR o d s [ J ] ．h a tJ S o l i d sS t r u c t ，1 9 9 8 ，3 5 37 3 7 - 37 5 3 ． [ 1 5 ] A N D E R S O NCE ，M O R R I SBL ，L I T F L E F I E L DDL ．A P e n e t r a t i o nM e c h a n i c sD a t a b a s e [ J ] ．A D A 2 4 6 3 51 ， 1 9 9 2 ． [ 1 6 ] R O S E N B E R GZ ，D E K E LE ．AN u m e r i c a lS t u d yo ft h e C a v i t yE x p a n s i o nP r o c e s sa n di t sA p p l i c a t i o nt oL o I l g - r o dP e n e t r a t i o nM e c h a n i c s [ J ] ．I n tJI m p a c tE n g ．2 0 0 8 ， 3 5 ，1 4 7 ．1 5 4 ． 1 J 1 j 1 J 1 J m n 坨 B r L r L r L r L 万方数据