水下爆破軟土地基遠區振動效應預測

王 璞，劉 桐，楊 帆，侯 猛，蔣躍飛

(浙江省高能爆破工程有限公司，杭州 310030)

隨著我國交通運輸基礎建設蓬勃發展、高速鐵路的快速布局與建設，跨越江河的特大橋需求不斷增加，鑒于高鐵設計標準與要求，橋墩基礎均需嵌入基巖以為穩定承載提供保障，爆破開挖深水承臺基坑因其效率高、成本低等優勢逐漸得到推廣應用[1]。然而水下爆破與陸地爆破具有較大的不同，從安全角度而言，水體作為覆蓋層雖可以對噪音、揚塵、飛石、空氣沖擊波等危害效應起到顯著的削減作用，但由于爆區與河床兩岸保護對象之間的地質條件往往非常復雜，介質種類多、性質差異大，軟巖軟土地基分布廣，再加上水中沖擊波疊加作用，保護對象所受爆破振動成為了安全控制的主要目標[2-6]。以新建金建高鐵蘭江特大橋基礎水下爆破開挖工程為背景，研究分析全過程振動監測數據，探討總結軟土地基條件下遠區保護對象受到的水下爆破振動效應影響及規律具有重要的實踐意義。

一般而言，爆破振動預測主要通過對既有爆破振動數據進行回歸擬合，獲取與地質條件相關的K值與振動衰減系數α值，利用薩道夫斯基公式進行計算[7]。邵蔚等[8]針對某核電站水下爆破實驗，分析了水下鉆孔爆破時地面質點振動特征以及水下爆破地震波的衰減規律，通過傅里葉變換發現水下爆破具有明顯的濾頻效應，特點為主頻小、頻帶窄、能量??；費鴻祿等[9]為提高水下爆破質點振速的預測精度，基于量綱分析理論，結合了監測點與爆源之間的地形影響因素的同時引入了海水深度影響因子，重新構建了水下深埋巖石爆破質點峰值振動速度公式，發現當水深變化不明顯時，重新構建的振速公式與高程振速公式對質點峰值振動速度預測精度基本一致；此外，多位學者針對不同施工條件下鉆孔爆破產生的爆破振動進行頻譜分析，獲取了峰值振動、振動頻率以及能量相互之間的關系[10-13]。

1 實例背景

1.1 實例概況

蘭江特大橋為新建金建高鐵I標控制性工程，橋位處蘭江寬度約1 km，水深6～8 m，93#～101#橋墩自南向北排列。其中，96#、97#和99#墩位處基巖采用爆破開挖，挖深4.9～6.2 m。蘭江兩岸環境十分復雜，有堤壩、密集民房、文物建筑、電力水利設施等保護對象分布在距爆區225～750 m范圍內(見圖1)，堤壩及建(構)筑物地基以軟土軟巖為主。

圖1 爆區與保護對象分布Fig.1 Blast zones and protected objects

1.2 爆破方案與測點布置

1)總體方案。垂直方向一次爆破至設計標高不再分層，水平方向分區多次爆破成型，孔網參數2.5 m×2.5 m，炸藥單耗1～1.5 kg/m3。

2)試爆方案。施工初期進行10次試爆并采集爆破振動數據對地質條件相關系數K、α進行回歸擬合；起爆網路采取“孔外分段、單孔單響”，最大單響藥量為54～84 kg?？紤]到兩岸保護對象分布密集且范圍廣，為了使數據盡可能有代表性，測點布置遵循兩點原則：①爆心距能夠覆蓋各距離區間；②測線方向自爆區向岸邊延伸穿過保護對象分布區域中線。

3)實施方案。依據試爆結果，為進一步降低爆破振動危害效應，將起爆網路調整為“孔內外分段、一孔兩響”，最大單響藥量控制為24 kg。測點布置在各保護對象處。

2 振動衰減規律擬合

2.1 試爆數據回歸擬合

由于在爆破振動傳播中R波起主導作用且作用于垂直方向[14]，因此采用垂向峰值振速對爆區所在地質條件相關系數及衰減規律進行回歸擬合，試爆振動數據如表1所示。

表1 試爆爆破振動監測數據

(1)

圖2 振動衰減規律非線性擬合Fig.2 Burst vibration nonlinear fitting

2.2 振動預測與實測分析

試爆期間各測點振動速度雖未有超標數據，但考慮到軟土地基條件下保護對象對振動的響應較為敏感，因此在后續工程實施中將起爆網路調整為“孔內外分段、一孔兩響”，最大單響藥量控制為24 kg。依據擬合公式給出優化方案的保護對象振動預測數據(見表2)，結果顯示均處于安全控制標準范圍內。然而在全部44次爆破施工過程中發現：部分測點實測數據不符合預測規律，且同一方案下同一測點不同爆次的峰值振速存在一定離散性。以探討振動整體趨勢變化為目的，將各測點實測數據進行均值化處理后與預測數據進行對比(見表2、圖3)。

表2 爆破振動速度對比

圖3 預測振速與實測振速均值對比Fig.3 Comparison of predicted vibration velocity versus measured mean vibration speed

結合圖表分析：①相較預測曲線而言，200 m450 m時，v2普遍大于v1，預測失效。

3 遠區振動頻譜分析與放大效應

3.1 遠區振動頻譜分析

針對前述擬合公式對于遠區測點振動預測失效問題，選取文物(R=630 m)處典型振動數據，基于Matlab軟件，采用EMD-HHT分析方法，首先將原始數據進行EMD分解得到有限的、不同的IMF分量，對其進行去噪并重構，將主要IMF分量進行Hilbert-Huang變換，進而得到能量分布圖譜以及包含瞬時能量、頻率和時間的三維譜。

1)瞬時能量。IMF分量均為時間與振速的關系，隨著分解等級的提高單位時間內振動的頻率值也隨之下降，后期主要以低頻波為主。

EMD重構信號(見圖4)有助于還原爆破振動波的實際情況，結合Matlab計算得到時間、頻率以及瞬時能量的三維矢量矩陣表，導出各頻率指標在整個時間段中的最大瞬時能量值匯總形成瞬時能量譜(見圖5)。可以發現：對于文物處測點接收到的振動波，f<50 Hz所輸出的瞬時能量相對于f>50 Hz的更大、更密集；波的頻率越大，瞬時能量越低，f>100 Hz的振動波對文物幾乎無能量輸出。

圖4 EMD重構信號Fig.4 EMD reconstructs the signal

圖5 頻率與瞬時能量關系Fig.5 Relation ship between frequency and transient energy

2)能量占比。以圖5數據為基礎，計算得到測點受振動影響過程中能量隨頻率的分布特征(見圖6)。由圖6可知,近乎全部能量均輸出自f<50 Hz的振動波，超過50%的能量來自10～20 Hz頻段，0～30 Hz頻段能量呈正態分布，30～50 Hz之間能量占比隨著頻率的升高逐漸提升。由此推斷，低頻波對遠區保護對象受到的爆破振動影響起主導作用。

圖6 能量占比Fig.6 Energy ratio

由于區域地質具有軟土軟巖地基廣泛分布的特點，同時爆破振動波傳播路徑介質復雜多樣，高頻波在爆源近區快速衰減，對遠區保護對象作用較小；低頻波傳播至遠區時成為振動能量主要來源，衰減程度雖已趨于穩定，但仍未達到前文擬合預測規律的衰減程度，進而導致遠區峰值振速產生相對放大效應。

3.2 放大效應預測修正公式

考慮到薩道夫斯基公式難以將頻率因素結合至振動預測，同時工程實踐經驗表明在遠區各向廣泛分布軟土地基保護對象的水下爆破中，難以通過常規方法回歸擬合出能夠有效指導爆破設計施工的K、α值，此處采用統計學分析方法，引入放大系數N探討遠區振動預測，即保護對象爆心距R>450 m時，放大系數由式(2)計算，計算結果、非線性擬合分別如表3、圖7所示。

(2)

表3 遠區保護對象放大系數N

圖7 放大系數N非線性擬合Fig.7 Magnification coefficient N nonlinear fitting

計算所得放大系數N存在一定波動性，對其進行非線性曲線擬合得y=0.015x0.74，其相關性r2=0.53，具有一定的相關性。其中，y即放大系數N的取值，x為保護對象爆心距R，則有放大效應預測修正公式：

(3)

4 結論

1)通過試爆對工程區域K、α值進行非線性回歸擬合并預測后續施工中的爆破振動，將實測數據與回歸擬合預測數據規律進行比較發現：測點處于爆區450 m范圍內時，預測規律可以有效指導設計與施工，處于450 m以外時則預測失效。

2)針對遠區典型保護對象的原始振動數據進行頻譜分析，其振動能量主要源于f<50 Hz的低頻波，其中10～20 Hz頻段起主導作用。綜合地質條件與傳播介質因素，低頻波到達遠區時衰減程度雖已趨于穩定，但仍未達到擬合預測規律的衰減程度，進而導致遠區峰值振速產生相對放大效應。

3)利用統計學分析方法難以獲得有效K、α值時，對軟土地基廣泛分布條件下的遠區保護對象爆破振動放大效應引入放大系數，通過非線性回歸擬合給出預測修正公式。該公式的提出以特定工程背景為基礎，其思路與應用的普遍性、適用性有待后續進一步的工程實踐驗證與研究。