爆破地震波能量分布研究

徐振洋，楊 軍，陳占揚(yáng)，劉燕燕

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

爆破地震效應(yīng)是復(fù)雜環(huán)境控制爆破工程中的主要危害，電子雷管延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)、精度高，已廣泛應(yīng)用于各類爆破工程中［1］。現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合預(yù)裂爆破，嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)并對(duì)爆破區(qū)域周邊建筑物進(jìn)行振動(dòng)安全分析。使用EEMD(集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解)方法，對(duì)各測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)信號(hào)振速、頻率與能量分布主頻帶及其變化規(guī)律進(jìn)行分析［2］。將爆破振動(dòng)信號(hào)能量分布主頻帶概念引入建筑物保護(hù)研究，為深入探討爆破振動(dòng)安全問(wèn)題提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 爆破現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Blasting areas

1.1 工程概況

工程位于赤城縣西側(cè)湯泉河北岸。場(chǎng)地向北側(cè)和東西兩側(cè)山體開(kāi)挖擴(kuò)展，表面覆蓋層開(kāi)挖后，下部巖體需要進(jìn)行爆破開(kāi)挖，區(qū)域面積約13 500 m2，平均下挖深度7～8 m，爆破方量約6 000 m3。圖1為爆破現(xiàn)場(chǎng)，圖2為監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Places of monitoring points

1.2 爆破及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案

采用精確延時(shí)逐孔起爆方案，所用雷管均為電子雷管，為確保臨近建筑物的安全，在主爆區(qū)和保留區(qū)之間利用預(yù)裂爆破形成一條預(yù)裂縫，達(dá)到減震的目的［3］。本次爆破總藥量約3 600 kg，預(yù)裂孔單孔最大藥量10 kg，孔內(nèi)不耦合裝藥，預(yù)裂孔孔距0.8 m，排距 2.3 m。預(yù)裂孔先于主爆孔70 ms起爆，孔數(shù)為33個(gè)，三個(gè)孔一組，每組之間延期時(shí)間同為3 ms。主爆孔單孔最大藥量約為21 kg，孔距3 m，排距2.5 m，采取孔內(nèi)延期與孔外延期結(jié)合。具體延期時(shí)間設(shè)定如圖3所示，所標(biāo)注時(shí)間為炮孔雷管引爆時(shí)刻。

圖3 爆破延時(shí)時(shí)間Fig.3 Blasting delay time

表1 爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表Tab.1 Table of blasting vibration monitoring results

1.3 爆破振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形及周邊建筑物受保護(hù)需要，共布置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，均使用三向傳感器進(jìn)行爆破振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)，表1為爆破振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表。

測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3位于爆區(qū)側(cè)面，高程相同，三個(gè)方向質(zhì)點(diǎn)峰值振速均在安全標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。測(cè)點(diǎn)4～10位于爆區(qū)后方，高程相同，與爆破拋擲方向相反，一般爆區(qū)后方振動(dòng)速度較大［4］。測(cè)點(diǎn)4距離磚砌民房只有15 m，三個(gè)方向地表峰值振速在10個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)中均為最大，水平切向振速為4.18 cm/s，明顯大于水平徑向與垂直向振速。在高程相同條件下，質(zhì)點(diǎn)峰值振速大小隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爆源中心距離增大遞減，除測(cè)點(diǎn)8與測(cè)點(diǎn)10外，余下8個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)水平切向振速均大于其余兩個(gè)方向振速。考慮高程差的影響，測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)7、測(cè)點(diǎn)8距爆心距離相同，爆破振動(dòng)信號(hào)主頻隨高程增大而增大。

10個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)主頻在20 Hz左右波動(dòng)，并未有明顯變化規(guī)律，說(shuō)明使用電子雷管精確延時(shí)逐孔起爆，可以較好的控制爆破振動(dòng)主頻。依據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)［5］，該類房屋最大振速不得超過(guò) 2.8 cm/s，測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5峰值振速已經(jīng)超出安全標(biāo)準(zhǔn)，但爆破后檢查發(fā)現(xiàn)民房并未受到破壞，需結(jié)合多因素綜合分析［6］。

由于建(構(gòu))筑物的自振頻率一般都比較低，所以降低低頻振動(dòng)能量與提高信號(hào)能量分布主頻帶是很重要的［7］，使用電子雷管精確延時(shí)主控起爆可以減少振動(dòng)疊加，避免峰值振速過(guò)大并使振動(dòng)信號(hào)主頻提高［8］。爆破振動(dòng)是時(shí)間、頻率、振速三者共同作用的，爆破振動(dòng)能量即為三個(gè)參數(shù)綜合表現(xiàn)［9-10］，使用EEMD方法對(duì)信號(hào)能量特征進(jìn)行分析。

2 信號(hào)能量分布

2.1(EEMD)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

在EEMD方法中附加的白噪聲均勻分布在整個(gè)時(shí)頻空間，不同尺度的信號(hào)區(qū)域?qū)⒆詣?dòng)映射到與背景白噪聲建立的相應(yīng)尺度上。EEMD分解通過(guò)加上有限的噪聲，IMF分量均值保持在正常的動(dòng)態(tài)濾波器窗口范圍內(nèi)，自動(dòng)排除了模態(tài)混疊［11-12］。

EEMD 分解步驟如下［13］:

(1)將均值為零、幅值標(biāo)準(zhǔn)差為常數(shù)的白噪聲ni(t)多次加入原始信號(hào)y(t)，即

式中，yi(t)為含有第i次白噪聲的信號(hào)。

(2)將包含白噪聲的信號(hào)yi(t)分別進(jìn)行EMD分解，將各個(gè)IMF分量記為cij(t)，余項(xiàng)記為ri(t)。

(3)將之前得到的IMF分量進(jìn)行總體平均運(yùn)算，得到EEMD分解后最終的IMF分量，即

2.2 爆破振動(dòng)信號(hào)分析

建(構(gòu))筑物水平向抗震能力相對(duì)薄弱，建(構(gòu))筑物受相同強(qiáng)度水平荷載的剪切破壞更為強(qiáng)烈［14］，且建(構(gòu))筑物高度對(duì)水平振動(dòng)具有明顯放大作用［15］。測(cè)點(diǎn)4與測(cè)點(diǎn)5信號(hào)水平切向振速均大于其余兩個(gè)方向振速，超出安全振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，為討論建筑物振動(dòng)安全，選擇測(cè)點(diǎn)4信號(hào)水平切向分量作為分析對(duì)象。圖4為監(jiān)測(cè)點(diǎn)4爆破振動(dòng)信號(hào)水平切向分量波形圖，圖5為邊際能量譜。

由于電子雷管精確延期，圖4中可以看出，信號(hào)出現(xiàn)多個(gè)峰值，除0.29 s處開(kāi)始的2個(gè)峰值明顯較大以外，其余峰值大小相當(dāng)，分析峰值出現(xiàn)時(shí)間，考慮由于預(yù)裂孔距離測(cè)點(diǎn)4更為接近，信號(hào)最大峰值為預(yù)裂爆破振動(dòng)信號(hào)。在預(yù)裂爆破之后，主爆區(qū)信號(hào)表現(xiàn)出精確延時(shí)逐孔起爆控制爆破振動(dòng)速度的優(yōu)勢(shì)，且避免了信號(hào)疊加形成的峰值過(guò)大。圖5中看出，信號(hào)能量分布主頻帶為17.6～38.2 Hz，10 Hz以下的低頻能量較少，可以有效地減小共振危害。圖6為監(jiān)測(cè)點(diǎn)4三維能量譜，圖7為能量分布圖。

圖4 波形圖Fig.4 Blasting vibration signal waveform

圖5 邊際能量譜Fig.5 Marginal energy spectrum

圖6 三維能量譜Fig.6 Three-dimensional energy spectrum

圖7 能量分布圖Fig.7 Energy scale plan

對(duì)三維能量譜進(jìn)行分析，可以看出能量在低頻帶分布較少，且較為均勻。爆破振動(dòng)能量在整個(gè)頻域內(nèi)較為分散，這就很好的避免了某個(gè)窄小的頻帶內(nèi)能量過(guò)于集中，尤其是降低了與建筑物自振頻率接近的低頻帶上的能量分布。

使用邊際能量譜進(jìn)行能量分布計(jì)算，用柱狀圖來(lái)表示振動(dòng)能量的分布比例。可以得出能量從17.6 Hz開(kāi)始明顯增大，超過(guò)40 Hz的分布極少，10 Hz以下頻帶振動(dòng)能量分布非常少，只占信號(hào)總能量的3.3%。

2.3 能量分布主頻帶

爆破振動(dòng)頻譜一般以寬帶頻譜與窄帶頻譜相結(jié)合的形式表現(xiàn)，圖6中這種形式明顯的表現(xiàn)出來(lái)，較寬的頻帶內(nèi)，不同的頻率上出現(xiàn)能量較為接近的多個(gè)峰值，此種表現(xiàn)正是寬帶頻譜的特點(diǎn);在振動(dòng)主頻率較窄的范圍內(nèi)，振動(dòng)主頻能量峰值明顯較大［16-17］。分析信號(hào)特征是，由于各諧波頻率的能量都比較大，僅以主頻率能量分析爆破振動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物的破壞作用是不全面的，使用能量分布主頻帶作為評(píng)價(jià)特征參數(shù)更為合理［18］。

在此做探索性研究，根據(jù)此次電子雷管逐孔起爆振動(dòng)信號(hào)能量計(jì)算結(jié)果，如圖7，能量分布圖擬合后較為接近正態(tài)分布函數(shù)曲線，延時(shí)間坐標(biāo)軸，在分布曲線最大值兩側(cè)存在兩點(diǎn)導(dǎo)數(shù)值突然增大和減小，將此兩點(diǎn)稱為能量分布主頻帶上下限，將上限點(diǎn)與下限點(diǎn)之間具有一定寬度的頻帶定義為能量分布主頻帶。表2為爆破振動(dòng)能量分布主頻帶。

表2 爆破振動(dòng)能量分布主頻帶Tab.2 Energy distribution of blasting vibration frequency band

表2中可以看出，使用電子雷管精確延時(shí)控制爆破的振動(dòng)信號(hào)的能量主頻帶出現(xiàn)在15～45 Hz，能量分布主頻帶發(fā)展隨測(cè)點(diǎn)與爆心距離增大，主頻帶上下限有降低趨勢(shì)，分布區(qū)間大致相當(dāng)，頻帶寬度在20 Hz左右。同樣場(chǎng)地條件與測(cè)點(diǎn)還進(jìn)行過(guò)多次爆破，與使用普通毫秒延期雷管對(duì)比(同一工程進(jìn)行過(guò)3次爆破，在場(chǎng)地條件相同條件下使用普通毫秒延期雷管與電子雷管進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比)，使用電子雷管爆破振動(dòng)能量主頻帶明顯較高。在同樣爆心距條件下，高程增大可使能量分布主頻帶提高，有利于建筑物保護(hù)，但由于高程對(duì)振速存在放大作用，必需嚴(yán)格控制振速［19］。

根據(jù)計(jì)算各向分量能量分布主頻帶內(nèi)能量占此分量比例均在80%以上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4能量分布主頻帶內(nèi)能量占水平切向分量能量的92.7%，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4水平切向分量能量占信號(hào)總能量的均在47.2%。

3 能量分布規(guī)律

建筑物自振頻率一般在10 Hz以下，計(jì)算各信號(hào)的三向分量能量分布在10 Hz以下頻帶的大小占此分量信號(hào)總能量的比例。監(jiān)測(cè)點(diǎn)4～10高程相同，便于分析，圖8為監(jiān)測(cè)點(diǎn)4～10振動(dòng)信號(hào)在10 Hz以下低頻帶上能量分布比例。

圖8 低頻能量分布比例Fig.8 Low-frequency energy data

圖8中坐標(biāo)PR/%為低頻能量所占百分比，橫坐標(biāo)S/m為測(cè)點(diǎn)至爆源中心距離，藍(lán)色三角形數(shù)據(jù)點(diǎn)為水平切向分量能量比例數(shù)據(jù)，紅色方形數(shù)據(jù)點(diǎn)為水平徑向分量能量比例數(shù)據(jù)，綠色圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)為垂直向分量能量數(shù)據(jù)比例。將10Hz以下頻帶能量定義為低頻能量，由于建(構(gòu))筑物自振頻率較低，所以低頻能量越小且占信號(hào)能量比例越低對(duì)保護(hù)建(構(gòu))筑物越有利［20-21］。信號(hào)3個(gè)分量能量在10 Hz以下所占比例均在4.5%以下，分布比例距爆源最近處水平切向分量最大，垂直向最低;在距離爆源20～55 m，分布比例垂直向最大，水平切向最低;距離爆源60 m處，分布比例水平徑向最大，垂直向最低。將最近與最遠(yuǎn)處兩點(diǎn)去除后，可觀察出整體規(guī)律，電子雷管逐孔起爆使振動(dòng)能量?jī)H有小部分分布在低頻帶，有效分散了低頻能量的破壞性。圖8中數(shù)據(jù)大致有以下規(guī)律:

(1)同一高程，各方向分量上信號(hào)低頻能量比例隨距離增大而增大;

(2)整體上觀察，信號(hào)垂直方向低頻能量比例最大，水平徑向次之，水平切向最小。

此次爆破中，測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5的質(zhì)點(diǎn)峰值振速均超過(guò)安全允許值，但經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，并未發(fā)現(xiàn)建筑物受到破壞，根據(jù)爆破能量主頻帶計(jì)算結(jié)果，爆破振動(dòng)能量主頻帶區(qū)間大于建筑物自振頻率，且10 Hz以下的低頻帶能量不到總能量的4.5%，雖然振速超標(biāo)，但低頻能量較少，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間短，不會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生破壞。

4 結(jié)論

(1)電子雷管精確延時(shí)逐孔起爆可以使爆破頻率及能量分布有向高頻發(fā)展并且更加均勻化的分布趨勢(shì);

(2)爆破振動(dòng)信號(hào)能量分布主頻帶出現(xiàn)在15～45 Hz，高于建筑物自振頻率，可減小對(duì)振動(dòng)對(duì)建筑物的損害。主頻帶內(nèi)能量分布占此分量信號(hào)總能量的80%以上，主頻帶上下限頻率的大小對(duì)振動(dòng)安全至關(guān)重要;

(3)高程的增加，會(huì)提高爆破振動(dòng)信號(hào)能量分布主頻帶;同一高程，各方向分量上信號(hào)低頻能量比例隨距離增大而增大，10 Hz以下的低頻帶能量不到總能量的 4.5%;

(4)質(zhì)點(diǎn)振速并不是判斷建筑物受振動(dòng)是否破壞的唯一參數(shù)，建筑物受爆破振動(dòng)的安全性與爆破振動(dòng)累積效應(yīng)有關(guān)，以能量分布主頻帶及能量分布比例來(lái)研究振動(dòng)安全問(wèn)題更為合理。

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