临近隧道爆破振动的能量分布特征研究.pdf

2 0 1 3 年6 月 临近隧道爆破振动的能量分布特征研究徐振洋等 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 3 ．0 3 ．0 0 2 临近隧道爆破振动的能量分布特征研究 徐振洋杨军陈占扬 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室 北京，1 0 0 0 8 1 [ 摘要]为避免公路隧道爆破施工影响邻近铁路隧道的结构稳定性，在铁路隧道内部安置爆破振动测试仪对爆 破振动信号进行检测。使用H H T 希尔伯特黄变换 方法对爆破振动信号的希尔伯特谱、三维能量谱、瞬时能量谱 进行分析。结果表明爆破振动信号频谱特征受多因素综合影响，结合场地岩石性质、起爆药量、距爆源距离等参 数进行研究，爆破振动信号主要能量分布频带在1 0 6 0 H z 之间，避开了铁路隧道自振频率，可以有效地降低爆破 振动对铁路隧道的不利影响。H H T 方法能够很好地分析隧道爆破对临近建 构 筑物振动安全影响的大小，利于 指导施工。 [ 关键词]隧道掘进爆破振动H H T 希尔伯特黄变换能量频率 [ 分类号] T D 2 3 5 ．1 T D 2 3 5 ．3 7 引言 某条正在掘进的公路隧道临近一条建成于7 0 年代的铁路隧道，因年代久远以及修建时的工艺条 件，铁路隧道内壁已出现多条裂缝。正在修建的公 路隧道采用双侧壁导坑法开挖施工，使用钻爆法掘 进。公路隧道与铁路隧道距离最近的部位只有 8 5 m ，而且公路隧道开口一端下部有一条通行公路， 与村庄相邻。通过分析铁路隧道内部收集的爆破振 动信号的频谱与能量特征，可以更好地了解公路隧 道开挖时爆破作业产生的爆破地震波规律，尽量降 低爆破振动对邻近的铁路隧道产生的不良影响。 H H T 希尔伯特黄变换 方法对非平稳信号的 时频局域化特征变换分析更为合理，利用其自适应 多分辨率分析，随机信号的时间一频率一能量变化 特征可以清晰地反映出来。mJ 。文中应用H H T 方法 对不同爆心距和不同装药量的实测信号进行了分 析，求出信号的希尔伯特谱和三维能量谱，通过对现 场爆破振动信号波形研究分析以及对铁路隧道的长 期监测，得出了公路隧道爆破对铁路隧道无破坏性 影响的结论，对公路隧道爆破施工安全提供了理论 支撑。 1 隧道钻爆方案设计 1 ．1 工程概况 公路隧道起点位于昆明市西山区海口镇附近， 起点里程为K 2 0 3 0 0 ，止点位于晋宁县友谊村附 近，止点里程为K 2 2 4 4 0 ，设计为左右幅分离的单 洞三车道隧道，左幅隧道净长6 8 8 ．O m ，右幅隧道净 长6 7 5 ．5 m 。隧道围岩为灰色、灰白色中厚层块状白 云岩，围岩级别为Ⅲ、Ⅳ、V 级。 1 ．2 公路隧道钻爆方案 为减少爆破振动波对周边围岩的扰动，根据公 路隧道的围岩级别，设计对相对完整的Ⅲ、Ⅳ级围岩 段采用微震光面爆破方案，对洞口浅埋段、围岩破碎 段及V 级围岩段则采用“震松法”爆破，药量的使用 量按松动爆破要求计算。本文使用的现场采集的爆 破振动信号数据均为单段电雷管起爆爆破，药量数 据在施工前均做过理论安全分析。 1 ．3 爆破振动监测 选取隧道爆破时现场监测的2 组典型爆破振动 信号进行分析，s 1 一s 3 为装药量相同但爆心距不同 的3 个信号，S 4 一S 6 是爆心距相同装药量不同的3 个信号，应用H H T 法对爆破振动信号的频谱和能量 特征进行分析，从而找出施工中爆破振动的一些规 律。本文只对爆破振动的垂直分量进行分析，以下 是两隧道位置示意及爆破振动仪器布置 图1 ，爆 破振动信号参数 表1 、表2 和爆破振动信号波形 图2 。 2 振动能量的分布特征 2 ．1 振动信号的希尔伯特谱和三维能量谱 振动信号的希尔伯特谱是时间和频率的变化规 收稿日期2 0 1 3 - 0 1 - 2 2 作者简介徐振洋 1 9 8 2 ～ ，男，博士，主要从事爆破工程理论的研究。E m a i l x u z l l e n y a n g l O f o x m a i l ．C O l D 通信作者杨军 1 9 6 0 ，男，博士后，教授，博导，主要从事爆破理论及爆破技术方面的研究。E - m a i l y a n g j b i t ．e d u ．c n 万方数据 6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 2 卷第3 期 铁路隧道起点 图1 两隧道位置示意及爆破振动仪器布置 单位m F i g ．1 T h el a y o u to ft h et w ot u n n e l ss i g n a l e d a n db l a s t i n gv i b r a t i o ni n s t r u m e n t 表1不同爆心距爆破振动测试参数 T a b ．1 T h eb l a s t i n gv i b r a t i o nt e s tp a r a m e t e r so f d i f f e r e n tb l a s t i n gc e n t e rd i s t a n c e 表2 不同装药量爆破振动测试参数 T a b ．2T h eb l a s t i n gv i b r a t i o nt e s tp a r a m e t e r s o fd i f f e r e n tc h a r g ea m o u n t f 寸 吕 ≤ ， 粤 g ≤ 一O O 一； O0 ．20 ．40 ．60 ．81 ．O1 ．21 ．4 t ／s b ， h 暑 j f 9 昌 ≤ ， 曲 妄 3 飞 f 驴 g ≤ c d e f 。 a 信号S t ； b 信号S 2 ； c 信号S 3 ； d 信号s o , ； e 信号s 5 ； f 信号s 6 图2 爆破振动信号波形图 F i g ．2B l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a lw a v e f o r m 律的反映，在三维能量谱中可以直观地看到爆破振 动信号时间一频率一能量的分布”J ，图3 是振动信 号s 1 ～S 6 的希尔伯特谱和三维能量谱。 在希尔伯特谱中，横轴是时间的分布，纵轴是频 万方数据 2 0 1 3 年6 月 缶近隧道爆破振动的能量分布特征研究徐振洋等 7 2 0 4 0 拦 6 0 气 8 0 7 2 0 拦3 0 ≮ 4 0 5 0 6 0 1 0 2 0 型3 0 ≮ 4 0 5 0 6 0 “ l I ．40 ．6O ．8 t ／s ．20 ．4O ．60 ．8 t ／s O ．2O ．4O ．6O ．81 ．0 ，／S 2 0 4 0 N 王 气6 0 8 0 1 0 0 0 ．20 ．40 ．6O ．8 t | S 0 ．20 ．4 0 ．6 0 ．81 ．0 t ／s a e 搿 0 0 0 ．4 0 ．3 岫0 ．2 0 ．1 0 ．1 2 O0 8 【 ．0 4 01 6 0 ．1 2 岫O ．0 8 0 ．0 4 O 0 O ．0 8 0 ．0 4 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 2 卷第3 期 2 0 4 0 N 工 ≮6 0 8 0 1 0 0 0 ．4 0 ．3 岫0 ．2 0 ．1 0 f a S 1 ； b S 2 ； C S 3 ； d S 4 ； e s 5 ； f S 6 图3 希尔伯特谱和三维能量谱 F i g ．3 H i l b e r ts p e c t r u ma n dt h r e e - d i m e n s i o n a le n e r g ys p e c t r u m 率的分布，不同的子频带表现出不同层次的带状特 征，每一层的带状即表示相对的I M F 分量在频率上 的分布。每个子频带都有一个子中心，子频带的频 率围绕这个中心出现了很细小的波动H ] 。在三维 能量谱中，观察频率与能量的关系，可以看出s 1 能 量最大值出现在2 0 H z ，衰减到接近横轴时为8 0 H z ； s 2 能量最大值出现在2 0 H z ，在图中明显地衰减接 近横轴是9 0 H z ；S 3 能量最大和衰减到接近横轴为 3 0 H z 、9 0 H z ；S 4 三维谱出现这两个特征的频率为 3 0 H z 、5 0 H z ；S 5 三维谱出现这两个特征的频率为 2 0 H z 、5 0 H z ；S 6 三维谱出现这两个特征的频率为 2 0 H z 、8 0 H z 。每个信号的大部分频带基本上都是集 中在6 0 H z 以下的区间内，超过1 0 0 H z 的非常少。 在三维能量谱中也可以看出信号主要能量都是集中 分布在0 ．3 一O ．5 s 及8 0 H z 以下的区间内，由此可 见，爆破振动信号主要的能量都分布在低频段，且在 1 0 6 0 H z 区间内较为集中。希尔伯特谱中颜色不 同的谱线代表不同频率值大小，与三维能量谱中的 数值实际是一一对应的，只是用不同的表现方法只 给出了时间与频率的关系，在进行H H T 变换后的图 谱中很直观地就可以看出频率和能量间的关系。 2 ．2 瞬时能量谱 时间和能量的对应关系从瞬时能量谱中可以反 映出来 图4 ，一般在起始时刻0 ．3 0 ．6 s 范围内能 量曲线出现起伏，能量变化总体趋势是从某一时刻 开始增长，并在很短的时间内达到峰值，然后在短时 间内迅速衰退。在信号振动速度最大的时刻一般并 不是瞬时能量最大的时刻，而是经过一定时间的增 长才达到最大值，所以使用多段延时时间爆破与控 制单段最大药量是很有效的防止信号叠加的方法。 信号S 1 ～s 3 振动持续时间是逐渐增大的，可见随爆 心距增大，爆破振动波持续时间也在增大。 3 铁路隧道受爆破振动影响的分析 能量在传播过程中，到达爆破远区的地震波主 振频率通常较低，是由于爆破地震波的低频波传播 距离较远，高频波传播距离较短。通过对用药量相 同的3 个爆破振动信号s 1 一s 3 分析发现，信号的低 0 0 L 百02 』础0 4 赢060而810 121J 4 。 t ／s o ．18r ，r ，r ，r _ - 0 ．0 6 0 ．0 2 l ‘ ＼ U n 一 一一 4 3 2 l O 吣 蛇 叭 。 吣 万方数据 2 0 1 3 年6 月 临近隧道爆破振动的能量分布特征研究徐振洋等 0 ．1 8 0 ．1 4 O ．0 6 0 ．0 2 。’ j f 。 00 ．20 ．40 ．60 ．81 ．01 ．21 ．4 t ／s d ● ● L 。 0 ．9 0 ．7 岫O ．5 0 ．3 O ．1 n ． 4 OO ．20 ．4O ．6O ．81 ．O1 ．21 ．4 t ／s f a S l ； b S 2 ；； c S 3 ； d s 4 ； e s 5 ； f S 6 图4 瞬时能量谱 F i g ．4 I n s t a n t a n e o u se n e r g ys p e c t r u m 频所占比例在爆破远区总体上呈现增加的趋势。爆 破远区的爆破振动主频与建筑物的固有频率一致或 接近，建筑物的自振频率一般都为低频 2 5 H z 。 在爆破远区，共振作用是建筑物受损的主要方式，当 爆破振动能量强度到达一定大小时，共振作用非常 有可能造成建筑物的破坏。因此，在距爆破中心较 远的区域内，避免爆破地震波低频成分对周围建 构 筑物的破坏更加重要剖。 对s 4 一S 6 信号的频谱与能量特征分析发现，在 爆心距相同的情况下，爆破地震波的能量与炸药用 量紧密关联，当炸药使用量增大时，信号的最大振速 和能量峰值也随之增大。信号S 6 虽然高频部分增 多了，但质点振速和振动能量也都在增大，所以对隧 道稳定性的影响也是在增大的。如果结构损伤的临 界值较大程度地大于单次爆破瞬时输入能量值，此 时爆破振动基本不可能使建 构 筑物出现直接损 伤，可以认为爆破振动是安全的剖。假如爆破瞬时 输入能量值虽然超过了建 构 筑物弹性变形范围， 但是还未达到结构损伤的临界值，单次爆破振动对 建 构 筑物的稳定性仍是有影响的归。0 l 。随着爆破 次数增多，累积损伤效应使结构参数不断弱化，也导 致结构损伤破坏的最大值随之降低。信号s 1 ～S 3 随着距离增大，质点最大振速、瞬时能量最大值呈现 递减趋势，其中信号s 2 的瞬时能量峰值比信号S 1 的瞬时能量峰值大，但是瞬时能量最大值出现的时 间和频率都是不同的。信号S 4 一s 6 随着炸药使用 量的增大，质点振速峰值与瞬时能量峰值都在增大， 由此可以看出炸药使用量是影响爆破振动的一个重 要参数。1 1 I 。通过对爆破振动信号s 1 一S 6 希尔伯特 谱的频率特征分析，可以看出振动信号的主频都高 于1 0 H z 。 爆破区域场地较松软情况下，爆破地震波透过 薄弱面时，对能量有吸收作用，高频地震波的衰减幅 度大于低频地震波。由于爆破地震波的叠加效应， 减小单次起爆药量，有利于降低爆破地震波的峰值 振动速度。距离爆破震源越近，测得爆破地震波总 能量也越大。爆破地震波的瞬时能量在大多数情况 下决定了构 建 筑物的最大位移，且与构 建 筑物 的初次损伤有关。 为了确保铁路隧道的安全性以及检验爆破振动 信号分析的合理性，在公路隧道每次爆破施工后都 会对铁路隧道两侧墙的裂缝长度和宽度进行监测。 在隧道全长上均衡布置3 0 段裂缝进行裂缝观测，分 别有水平裂缝、垂直裂缝、倾斜裂缝和不规则裂缝。 在长期进行的监控中，并未发现裂缝长度和宽度出 现变化。 4 结论 在分析公路隧道掘进爆破地震效应对周边临近 建 构 筑物的影响时，只考虑建 构 筑物接受的单 次爆破输入能量是不够合理的，介质裂隙在长期的 爆破振动累积作用下不仅会出现扩展，而且建 构 筑物结构强度也会逐渐弱化，稳定性与抗震性也会 大幅度降低，所以对爆破振动进行能量分布的分析 具有重要意义。 1 爆破振动信号频率的变化与场地性质、使用 的炸药量和其与爆源的距离等爆破参数都紧密相 关，瞬时输入的能量综合地体现了爆破振动信号的 时间与能量之间相互联系的特性，所以在判断爆破 万方数据 1 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 2 卷第3 期 地震波的影响时，应该综合考虑各个因素。 2 使用H H T 方法对隧道掘进爆破施工产生的 爆破振动信号分析是一种合理有效的方法，可以很 好地分析隧道爆破对临近建 构 筑物振动安全影 响的程度，便于指导施工。 3 公路隧道开挖时所采用的爆破施工，对临近 的铁路隧道无直接明显破坏性影响，爆破振动信号 主要能量分布频带在1 0 6 0 H z 之间，避开了铁路 隧道自振频率，能够有效地降低爆破振动对铁路隧 道的不利影响。 参考文献 [ 1 ] 李夕兵，凌同华，张义平．爆破震动信号分析理论与技 术[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 9 1 1 4 1 2 8 ． L iX i b i n g ，L i n gT o n g h u a ，Z h a n gY i p i n g ．A n a l y s i so f b l a s tv i b r a t i o ns i g n a l st h e o r i e sa n dm e t h o d s [ M ] ．B e i j i n g S c i e n c eP r e s s ，2 0 0 9 1 1 4 1 2 8 ． [ 2 ] 公茂盛，谢礼立．H H T 方法在地震工程中的应用之初 步探讨[ J ] ．世界地震工程，2 0 0 3 ，1 9 3 3 9 4 3 ． G o n gM a o s h e n g ，X i eL i l i ．D i s c u s s i o no nt h ea p p l i c a t i o n o fH H Tm e t h o dt oe a r t h q u a k ee n g i n e e r i n g [ J ] ．W o r l d E a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，1 9 3 3 9 4 3 ． [ 3 ] B a t t i s t aBM ，K n a p pC ，M c G e eT ，e ta 1 ．A p p l i c a t i o no f t h ee m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o na n d H i l b e r t H u a n g t r a n s f o r mt os e i s m i cr e f l e c t i o nd a t a [ J ] ．G e o p h y s i c s ， 2 0 0 7 ，7 2 2 H 2 9 一H 3 7 ． [ 4 ] 邓拥军，王伟，钱成春，等．E M D 方法及H i l b e r t 变换中 边界问题的处理[ J ] ．科学通报，2 0 0 1 ，4 6 3 2 5 5 ． 2 6 3 ． [ 5 ]罗奇峰，石春香．H H T 变换理论及其计算中的问题 [ J ] ．同济大学学报自然科学版，2 0 0 3 ，3 1 6 6 3 7 ． 6 4 0 ． L u oQ i f o n g ，S h i C h u n x i a n g ．H i l b e r t - H u a n gT r a n s f o r m a n ds e v e r a lp r o b l e m si ni t sc a l c u l a t i o nm e t h o d 『J ] ．J o u r - n a lo fT o n N iU n i v e r s i t y N a t u r a lS c i e n c e ，2 0 0 3 ，3 1 6 6 3 7 - 6 4 0 ． [ 6 ]钟佑明，秦树入．希尔伯特一黄变换的统一理论依据 研究[ J ] ．振动与冲击，2 0 0 6 ，2 5 3 4 0 4 3 ． Z h o n gY o u m i n g ，Q i nS h u r e n ．R e s e r c h o nt h eu n i f o r m t h e o r e t i c a lb a s i sf o rH i l b e r t - H u n gt r a n s f o n n H H T [ J ] ． J o u r n a lo fV i b r a t i o na n dS h o c k ，2 0 0 6 ．2 5 3 4 0 ～4 3 ． [ 7 ] 朱继梅．非稳态振动信号分析[ J ] ．振动与冲击，2 0 0 0 ， 1 9 1 8 6 ．8 7 ． [ 8 ]凌同华，李夕兵，王桂尧．爆破震动灾害主动控制方法 研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 7 ，2 8 7 1 4 3 9 1 4 4 2 ． L i n gT o n g h u a ，L iX i b i n g ，W a n gG u i y a o ．As t u d y o n i n i t i a t i v ec o n t r o lo fb l a s tv i b r a t i o nd a m a g e s [ J ] ．R o c k a n dS o i lM e c h a n i c s ，2 0 0 7 ，2 8 7 1 4 3 9 - 1 4 4 2 ． [ 9 ]王振宇，梁旭，陈银鲁，等．基于输入能量的爆破震动 安全评价方法研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 1 0 ， 2 9 1 2 2 4 9 2 - 2 4 9 9 ． W a n gZ h e n y u ，L i a n gX u ，C h e nY i n l u ，e ta 1 ．S t u d yo f s a f e t ye v a l u a t i o nm e t h o do fb l a s t i n gv i b r a t i o nb a s e do ni n p u te n e r g y [ J ] ．C h i n e s eJ o u m a lo fR o c kM e c h a n i c sa n d E n g i n e e r i n g ，2 0 1 0 ，2 9 1 2 2 4 9 2 - 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d i n gt h er o c kc h a r a c t e r s ，t h ei n i t i a t i a lc h a r g ea m o u n ta n dt h ed i s t a n c et ot h eb l a s t i n gr e s o u r c e ，b l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a le n e r g yd i s t r i b u t i o ni sc o n f i r m e di nt h ef r e q u e n c yr a n g eo f1 0 H z - 6 0 H z ，w h i c hi so u to ft h ei n h e r e n tf r e q u e n c yo ft h er a i l w a y t u n n e la n dm a ye f f e c t i v e l yr e d u c et h ea d v e r s ei m p a c tO i lt h er a i l w a yt u n n e l ．H H Tc a na n a l y s ew h e t h e rt h eb l a s tw i l ld e s t r o y t h er a i l w a yt u n n e l ，w h i c hC a np r o v i d ea p p r o p r i a t eg u i d a n c et ot h ec o n s t r u c t i o nw o r k ． [ K E YW O R D S ] t u n n e lb o r i n g ，b l a s t i n gv i b r a t i o n ，H i l b e r t H u a n gt r a n s f o r m ，e n e r g y ，f r e q u e n c y 万方数据