中交三航局交建工程分公司
摘要：松木桥隧道采用钻孔爆破方式进行隧道掘进，单次循环最高炸药量可达336.96Kg，且岩层地质复杂多变，所以为了确保作业施工的安全，采用爆破振动监测。通过对监测数据的回归分析得到爆破振动波的传播规律 ；同时应用FFT算法对时域进行频谱分析，获得水平切向、水平径向和垂直方向振动的的频率分别集中在50～100HZ、60～150HZ和100～250HZ之间。
关键词：钻爆施工；爆破振动监测；传播规律；频谱分析
1 引言
在隧道爆破工程中，工程所处的地质条件和周围环境比较复杂，导致地震波的传播情况更加复杂。由结构动力学可知：在相同振速作用下，振动频率的高低以及振动时间持续长短都决定了不同效果的动力响应[1-4]，例如在实际工程中，监测点的振速超过规范要求，但因实际振动频率较大，致使建筑物并未被破坏。同理，监测点振速符合规范要求、振动频率也比较高，但因振动影响的累积效应，也会导致结构被严重损坏。因此，在松木隧道施工时为了确保安全施工，依据现场建立爆破振动监测体系以实时监测施工过程中振动波的速度时程，充分考虑振动频率、振动幅值以及振动时间长短作为参考因素。对监测数据进行最小二乘法回归分析爆破震动波的衰减规律，估计最大单循环炸药量，同时采用FFT变换法对监测数据进行频谱分析，作为以后科学理论研究和工程实际应用提供参考依据。
2 爆破震动监测
2.1 工程地质
松木桥隧道位于华容县，为单洞双线隧道，里程范围为DK1375+565~DK1376+845，里程长度共1280m。从DK1375+565至DK1376+845分别为4.8‰/735m、4.0‰/545m，坡度一直为连续上坡。隧道包括明洞6m，暗洞1274m。洞内Ⅴ级围岩71m，Ⅳ级围岩189m，Ⅲ级围岩424m，Ⅱ级围岩590m。隧道进口采用挡墙式明洞口，洞口里程位于DK1375+565处；据勘察揭露显示，隧址区地层按其成因分类，为第四系中更新统坡残积层，下伏燕山晚期花岗岩；现将岩土各层由上至下分述如下：①Q2粉质粘土：褐黄色，硬塑，主要分布于隧道出口附近，厚度3~7m，c=25KPa，ψ=14°。②1燕山晚期全风华花岗岩（γ53)：黄褐色，呈土状，全风化层厚度2~8m，c=18KPa，ψ=25°。②2燕山晚期强风化花岗岩（γ53)，中粗粒结构，块状构造，节理裂隙发育，岩石多呈块状，强风化层厚度5~20m。③燕山晚期弱风化花岗岩（γ53)，中粗粒、块状构造，节理、裂隙稳定，钻孔揭示RQD=90%，岩石饱和抗压强度为42.72KPa，属硬质岩。
2.2监测仪器与监测点布置
针对研究对象特有特点，本文选用三大爆破影响因素：质点振动速度、振动频率和持续时间来描述爆破振动强度地标准。在利用质点振动速度时，并不采用质点运动三方向矢量和的方法，而是选择其中最大的一个作为衡量标准。通过监测数据的对比方向，Z轴方向速度普遍大于水平方向速度，所以本文选择Z轴方向速度作分析。
通过估计被测信号的幅值和频率分布，选择由UBOX-516爆破智能监测仪和计算机组成的观测系统作为本次隧道爆破掘进振动速度观测系统，传感器的布置见图1。X轴传感器指向爆源位置（径向），Y轴传感器垂直于X轴方向（切向），Z轴传感器与X轴平行指向爆源（垂直方向），传感器底端用干净卫生纸擦拭干净，然后用石膏涂抹在其底部固定在地面上。
为了更好地研究爆破振动波的传播规律和其衰减规律，对比前期的对构筑物的监测转变为对隧道内部的爆破振动进行监测，采用3台测振仪按一定的距离线性布置。
图1 设备布置方向
Fig.1 Equipment layout direction
3 监测结果与分析
3.1 监测结果
开挖断面设计周边眼和辅助眼采用空气间隔装药结构，其中周边眼为导爆索连接传爆，其它炮眼采用底部放置非电毫秒延时雷管反向起爆装药结构，导爆管传爆。炮孔装药完毕后，炮泥堵塞长度不小于20cm。由于Ⅱ级围岩段开挖时设计所用药量最多，所以本文选用Ⅱ级监测的爆破振动监测数据进行安全分析。Ⅱ级围岩每循环进尺为3.0m，每一循环用药量369.96Kg。周边眼、底板眼及辅助眼炮眼深度为3.0m，掏槽眼深度为3.2m。炮眼起爆采用非电毫秒延时雷管分段起爆，使用1、3、5…15段，其炮眼布置图见图2。
图2 Ⅱ级围岩全断面法开挖炮眼布置图
Fig.2 Full-section method of excavation blastholes for Grade
各段毫秒微差雷管脚线集束于掌子面中央悬挂，用煤矿许用瞬发电雷管起爆。孔内低段雷管一般跳段使用（即1、3、5、7、9等）。另外，为了确保周边眼能够同时起爆，保证光面爆破效果，还将各孔内的导爆索延长至孔外，用一长主干导爆索顺拱部周边眼进行串联，使每个周边眼孔内有二套独立的起爆系统，确保同时起爆。其中周边眼采用空气间隔装药使药量沿炮眼全长均匀分布，其装药结构及起爆方式见图3：其余各炮眼均采用连续装药结构。由于受篇幅所限现选择几组比较有代表性数据进行分析。现场所测数据如表1及典型的Z轴方向速度时程曲线见图4。
（c）Z轴方向的速度时程曲线
图4 监测点距震源79m处的震动速度时程曲线
Fig. 4 Time history of vibration velocity at 79m from the source
3.2 爆破地震波衰减规律的回归分析
爆破产生的振动波对周围的岩层、相关设施等造成不可避免的影响，施工过程中应该充分考虑其影响，这样就需要对爆破产生的危害进行评估和预测并采用积极有效的预防措施。在施工过程中，爆破基本采用M.A.萨道夫斯基公式计算：
图5 线性回归分析拟合线
Fig.5 Linear regression analysis line
3.3 爆破振动信号频谱分析
隧道岩石爆破掘进产生的地震波是由多种频率波叠加组成，且各频率所占比例差异较大。在相同振速作用下，振动频率的高低以及振动时间持续长短都决定了不同效果的动力响应，当爆破施工产生的地震波的主要频率与结构物自有的振动频率接近时，结构物容易因共振效应导致破坏。因此通过对爆破振动的频谱分析，可以得到各种信号中不同的频率成分和频幅值的分布以及对应的能量分散范围。本文采用FFT算法对实测的时域波进行频谱分析，部分的频谱分析结果见图6。
（a）水平切向(H=70m)
（c）垂直方向(H=70m)
图6 H=70m处水平切向、水平径向和垂直方向频谱图
从图6可以看出，隧道爆破时振动波的水平切向、水平径向和垂直方向各自振动的主频率相对应的为88HZ、96HZ和173HZ，各方向的频率分别集中在50～100HZ、60～150HZ和100～250HZ之间，而一般混凝土建筑物的自身频率仅几赫兹左右，属于低频带，可见项目施工不会造成附近民房共振。
4 结论
通过以上的分析，获得以下2点结论：
（1）基于最小二乘法对监测数据进行拟合，得到垂直方向质点爆破振动速度衰减规律；
（2）基于快速傅立叶变换原理，对质点振动的三方向进行频谱分析，得到爆破振动主频大部集中在50～250HZ，大于一般混凝土建筑物的自身频率5～2HZ，故爆破振动不会引起周围建（筑）物的共振效应。
参考文献(References)
[1]邹玉君，严鹏，刘琳，等.白鹤滩水电站坝肩边坡爆破振动对周边民房影响评价及控制[J].振动与冲击，2018，37(01)：248－258.
[2]孙金山，李正川，陈明，卢文波，等.《爆破安全规程》(GB 6722—2014)边坡岩体爆破振动速度安全允许值的理论探讨[J].岩石力学与工程学报，2017，36(12)：2971－2980.
[3]周俊汝，卢文波，张乐，等.爆破地震波传播过程的振动频率衰减规律研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33(11)：2171－2178.
[4]卢文波，张乐，周俊汝，等.爆破振动频率衰减机制和衰减规律的理论分析[C]//中国力学学会工程爆破专业委员会2013年年度工作会议暨学术交流会论文集.2013:1-6.
[5]张义平.爆破震动信号的HHT分析与应用研究[D].中南大学, 2006.
论文作者:贺亮,师岩
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/25
标签：频率论文; 隧道论文; 炮眼论文; 方向论文; 围岩论文; 频谱论文; 速度论文; 《防护工程》2018年第2期论文;