變距中夾巖柱隧道振動信號研究

宋永威 單仁亮 黃鵬程 孟馳 張書鵬 趙偉 王夢楠

摘 要 以黑峪隧道改擴建為工程背景，采用小波包研究了爆破振動引起變距中夾巖柱振動信號的頻率特性，結果表明：隨著爆破次數的增加，各測點的爆心距逐漸增大，各測點三向振動能量逐漸向低頻帶過度，低頻帶能量百分比逐漸增大，但能量逐漸減小，3次爆破各測點三向0～93.75Hz范圍內能量均高于90%，說明爆破振動信號的能量主要集中在0～93.75區間，其中0～62.5Hz區間最為集中。

關鍵詞 爆破 小波包 能量 頻率

中圖分類號：U452.2 文獻標識碼：A

0前言

小波變換的頻帶劃分不均勻，但具有高頻和低頻的特點，導致高頻信號分辨率低。小波包作為多分辨率分析的進一步推廣，可以為信號分析提供更精確的方法。它將帶多層次劃分，沒有進一步分解多尺度分割的高頻部分，根據自適應信號分析的特點是根據波段選擇，它與信號的頻譜，從而提高時頻分辨率，因此具有廣泛的應用價值。一般來說，多分辨分析只分解信號的近似部分。其細節部分保留作為分解結果，不再分解；而小波包分解則對兩者同時分解，使得分解序列在整個時域內都具有較高的分辨率且有相同的帶寬。

爆破振動信號的小波包分析，是通過Matlab內置小波包編程對信號進行頻帶多層次劃分，小波包多分辨率分析的進一步分解為低頻和高頻，并根據自適應信號特點選擇相應的頻帶，可以與信號頻譜相匹配，從而實現對爆破振動信號的特征提取的目的。

本文以黑峪隧道改擴建為工程背景，研究了中夾巖柱原隧道側的振動信號的特征規律。

1監測方案

研究對象為K17+718～K17+808段黑峪隧道原隧道，凈寬約4.3～6.3m，邊墻高約3.4～5.3m。由于原隧道1.5m高處與新建隧道爆破斷面中心為同一高程，屬等效藥量最大處，因此主要監測此高程的爆破振動特征，將振速傳感器布置在既有隧道靠近開挖側的直墻上高1.5m，每隔5m布置一側點，同時由于原隧道頂部常年風化，因此也對其進行了監測，詳見圖1，爆破振動測振儀自動存儲數據，經處理后對爆破振動信號進行分析。傳感器x方向沿隧道進深方向（軸向），傳感器y方向垂直于隧道軸線沿水平方向，傳感器z方向垂直隧道軸線豎直向上（切向）。由于原隧道已經填埋至K17+760斷面，因此不再隨著施工進度的進展繼續在原隧道內繼續布點。

采用爆破測振儀M20對爆破過程實時監測，運用Matlab軟件對監測的數據進行小波包分析，得出各測點振動能量，推導振動頻率的衰減特性。

2監測結果分析

由圖2可知：第1次爆破0～15.625 Hz、15.625～31.25 Hz、31.25～46.875 Hz、46.875～62.5 Hz、62.5～78.125 Hz、78.125～93.75 Hz、93.75～109.375 Hz、109.375～125 Hz、125～140.635 Hz、140.635～500 Hz能量百分比最大值分別為10.77%、58.72%、54.78%、40.52%、32.04%、9.01%、4.2%、1.24%、1%、0.14%，說明爆破振動信號的能量主要集中在0～93.75區間，而0～15.625區間只有6%左右，第2次爆破0～15.625 Hz區間能量百分比最大高達40.63%最小為5.1%，絕大多數都高于10%，第3次爆破0～15.625 Hz區間能量百分比最低為1號測點的4.17%，其他測點最低為12.6%，第4、5、6、7次爆破0～15.625 Hz區間能量百分比主次增加，最大值分別為44.63%、82.85%、60.82%、73.71%，由此可以發現，隨著爆破次數的增加，低頻段的能量百分比逐漸增大，雖有個別點出現了減小的現象，但總體趨勢為逐漸增大。

第1、2、3次爆破1號測點x方向在0～46.875 Hz范圍內的爆破能量百分比分別為43.25%、84.25%、89.48%，在0～62.5 Hz范圍內的爆破能量百分比分別為68.84%、96.97%、98.91%、，在0～93.75 Hz范圍內的爆破能量百分比分別為95.46%、99.09%、99.98%，由此可知第1、2、3次爆破1號測點x方向主要集中在93.75Hz以下，大于100Hz的能量微乎其微，甚至不足1%，只有極個別點能量大于1%，但也沒有超過5%。同理可得其他各測點振動能量也在100Hz以下。且主要集中在0～62.5 Hz區間。

3結語

隨著爆破次數的增加（掘進深度增加），各測點與爆源的距離（爆心距）增加，各測點的振動頻率逐漸降低，主振頻帶逐漸向低頻帶過度，低頻帶的能量百分比逐漸增大，3次爆破各測點三向0～93.75Hz范圍內能量均高于90%，說明爆破振動信號的能量主要集中在0～93.75區間，其中0～62.5Hz區間最為集中。

作者簡介；宋永威 （1991-） 男，河南省許昌市人，博士研究生，巖土工程。

參考文獻

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