下穿隧道爆破荷载激励下边坡振动预测及能量分析*

2020-08-10钟东望司剑峰

爆炸与冲击 2020年7期

何理，钟东望，李鹏，宋琨，司剑峰

（1. 长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉 430010；2. 武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室，湖北武汉 430065；3. 三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002）

基于高效、安全、经济的原则，边坡与近接隧道通常采用协同爆破施工方案，即在隧道工作面向边坡面方向推进至最小安全距离时，暂停隧道爆破，爆破工作全部转移至边坡开挖，待隧道出口部位的坡面开挖并加固完毕，再由坡面向坡体内（或由掌子面向坡面）开挖隧道，即隧道保留部分的开挖，直至隧道贯通。协同爆破施工方案避免了边坡与隧道同时爆破，极大降低了彼此之间的不良影响。然而，由于爆破危害大，且工程质量要求高，在邻近部分各自实施爆破时，依然存在较大风险[1]。

目前对爆破振动下边坡稳定的相关研究都集中在对边坡开挖的研究上，爆破振动源处于边坡之中，针对下穿隧道爆破施工对边坡的动力响应与稳定性影响研究较为少见。在隧道开挖过程中，爆破位于掌子面前方，距隧道结构之上的边坡有一定距离，而边坡一般位于爆破直接破坏区以外，处于振动扰动区，这与边坡开挖的爆破振动影响具有本质区别。黄志强等[2]利用弹簧和阻尼约束替代顺层岩体层间作用，建立了隧道洞口顺层边坡振动激励下的动力响应模型，提出了用于顺层边坡在爆破振动作用下安全判定的计算方法。宋杰[3]、金华东等[4]、黄诗渊[5]均通过数值模拟揭示了隧道爆破振动沿坡面的传播规律及各向振速分布特征，同时徐金贵等[6]针对不同影响因素采用试验研究方法揭示了傍山隧道爆破振动沿不同类型坡面的传播规律，并得到了边坡形态、最终边坡角和台阶坡面角对振动传播的影响机制。贾党育[7]利用FLAC3D模拟研究得到隧道爆破施工产生的振动效应对邻近边坡稳定性的影响规律。兰明雄等[8]基于小净距隧道开挖爆破振动监测，通过对振动信号的小波包分析揭示了地震波沿既有隧道传播过程的频谱及能量变化规律。蒋丽丽等[9]应用小波包理论分析了岩石边坡开挖爆破振动沿坡面传播的能量演化机制，得到了爆破地震波沿边坡传播过程中主频与总能量变化规律及不同频带振速峰值和能量的变化规律。张声辉等[10]利用小波变换与反应谱分析方法，对露天台阶爆破不同高程的振动信号在各频带间的能量分布特征进行了研究。周建敏[11]综合利用小波包分析与数值模拟研究得到边坡结构面对爆破地震波峰值及信号能量的衰减规律。

然而，由于爆破振动响应及传播规律随工程地质、地形及结构形式特征等因素不同，现有的研究成果对下穿隧道爆破施工对上部边坡的振动响应特性认识并不一致，对于隧道开挖爆破条件下边坡振动能量演化机制的研究成果并不多，有待进一步研究；而露天边坡爆破开挖对下穿隧道稳定性影响的研究更是少见。本文结合国内某石油储备基地露天高陡边坡与下穿隧道协同爆破工程实践，针对下穿隧道掘进爆破荷载激励下上部边坡振动响应及其能量传递进行深入研究，通过理论分析、现场测试和信号分析相结合的方法，分析隧道爆破振动沿坡面传播衰减规律，揭示坡面振动的高程放大效应，构建爆破振动预测模型，并结合小波包分析技术研究振动信号能量沿坡面的衰减耗散机制，以期为露天边坡与下穿近接隧道协同爆破施工设计与优化提供理论依据。

1 工程概况

1.1 露天边坡与下穿隧道协同爆破施工环境

该石油储备基地扩建项目涉及山体爆破开挖与输油管线隧道开挖等爆破工程。山体开采区地形整体呈二脊一沟特征，原状山体高处坡度较陡，坡角35～45°，低处坡角较缓，为20～30°，最高开采标高为+130 m，最低标高为+4.0 m，边坡设计共分9 级放坡，各级平台宽度为3 m；山体表面多为黏土或粉质黏土，厚度不等，往下分别为全风化、强风化、中风化、微风化晶屑玻屑凝灰岩，大部岩体中等硬度，可爆性和可钻性都较好。

为确保隧道围岩稳定，下穿隧道开挖掌子面距离设计洞口一定距离时停止向前掘进，转而进行上部露天边坡开挖爆破。当上部坡体爆破开挖区域移至隧道进洞口15 m 范围内时，为确保隧道围岩稳定与安全，采用台阶分层、分块的爆破开挖方案，即台阶高度不大于8 m、单次爆破开挖宽度不大于10 m；待爆破施工区域移至隧道进洞口15 m 范围外时，可恢复正常台阶爆破施工方案（台阶爆破参数为：孔径115 mm，孔深14.3～16.9 m，孔距6 m，排距4 m），待隧道出口部位的坡面开挖并加固完毕，再由坡面向坡体内（或由掌子面向坡面）开挖隧道，即隧道保留部分的开挖，直至隧道贯通。

下穿隧道在距离进洞口分别为94 m 与294 m 处扩挖有长度均为14 m 的隧道扩大段[12]。本文针对隧道掘进爆破至距离坡面进口处17m 时，上部边坡的爆破振动响应特性及能量衰减耗散机制进行深入分析研究。边坡与隧道的空间布局见图1 所示。

图1 边坡与隧道的空间布局Fig. 1 Spatial Distribution of slope and tunnel

1.2 隧道爆破参数

隧道断面分布炮孔共86 个，其中周边孔深3.0 m，孔距0.45 m，掏槽孔深3.2 m，孔距2.0 m，辅助孔深3.0 m，孔距0.6 m，最大单响药量19.8 kg，每个循环炸药量共计105 kg。雷管段别1～15 段，共计86 发。孔内微差，联网采用“一把抓”方式，每簇雷管不超过20 发。周边孔用导爆索连线进行光面爆破，分拱顶和两帮两组连接起爆。下穿隧道炮孔布置及爆破网路如图2所示。

1.3 现场实验方案

在坡面各级台阶测点处清除表面碎石，使用水泥砂浆抹平，水平楔入预制有螺纹孔的钢板，振动速度传感器通过螺丝与钢板连接，从而实现传感器与坡面刚性联接。在边坡各级台阶边沿及内侧坡脚处布置监测点，振动传感器安装基座如图3 所示。

图2 隧道炮孔布置及爆破网路Fig. 2 Blasthole layout and blasting network of tunnel

1.4 爆破振动监测数据

实测得到坡面各台阶处垂直向质点振动速度峰值见表1。

2 爆破振动速度预测及其能量的小波包分析理论

2.1 爆破振动速度的量纲分析

爆破振动波是一种高度复杂的瞬态、非平稳随机信号，在正高差地形中的传播衰减规律受爆破方式、传播介质特性、传播距离及高程差等因素的影响。爆破振动是岩石介质弹性和惯性综合作用的结果，其弹性可通过泊松比µ和弹性模量E 表征，惯性用密度ρ 表征[12]。由此，选取最大单响药量Q、水平爆心距D、岩体纵波速度cP、高程差（垂直爆心距）H、岩体弹模E、泊松比µ、密度ρ 及振动频率f 作为影响速度v 的主要因素[13]，各变量量纲见表2。

表2 中各变量的关系为：

图3 振动传感器安装基座Fig. 3 Mounting base of sensor

表1 坡面质点振动速度Table 1 Particle vibration velocity on slope surface

式中：K1为系数，与地质条件相关。

表2 各变量量纲Table 2 Dimension of variables

由于爆破振动频率主要受爆破规模、岩体性质及爆心距等因素影响，爆破规模及岩体性质确定情况下，距爆区一定距离处质点振动频率f 为[14-15]：

式中：kf为频率系数，kf=0.01～0.03；cS为横波速度，m·s−1；R 为振动监测点距爆源直线距离，m。

将式（4）代入式（3），可得：

式中：K′为与地质条件相关的系数，α′为衰减系数，β′为高程差系数，H/D 为相对坡度（振动监测点与爆源之间相对坡度），γ′为相对坡度影响因子。

2.2 爆破振动能量的小波包分析理论

式中：j=0，1, ···, 28−1。

3 数据分析与讨论

3.1 坡面振动速度传播衰减规律

将下穿隧道爆破开挖荷载激励下上部边坡坡面的振动速度分布示于图4，其中Tx表示第x 级台阶。

由图4 可以看出，边坡同台阶边沿处质点振动速度峰值要高于台阶内侧坡脚处质点振动速度峰值，存在显著的爆破振动速度放大效应，且在边坡T2、T3台阶处该效应异常明显，其局部放大系数达到1.66～1.69，在边坡其他台阶局部放大系数仅为1.04～1.25。爆破地震波沿坡面传播至T5台阶以前，质点速度峰值vmax随传播距离（台阶高程）的增加不断减小，但是传播到T6台阶时，出现了vmax不降反增的情况，此时T6台阶边沿处质点振动速度峰值0.68 cm/s，要高于T5台阶边沿处的0.67 cm/s 和坡脚处的0.64 cm/s，而后又逐渐减小，说明在边坡局部范围出现了爆破振动速度的高程放大效应[18]。总体上，边坡面上质点速度峰值vmax随着传播距离的增加，其衰减趋势逐渐变缓、衰减速度逐渐变慢。

图4 坡面不同高程振动速度分布Fig. 4 Vibration velocity distribution at different elevations on slope

3.2 爆破振动速度预测模型

研究与实践表明，在平整地形条件下式运用传统萨道夫斯基公式对质点速度峰值vmax进行预报具有较高精度。但对于地形起伏较大的情况下，地形地貌对爆破振动波的影响机制极为复杂，此时需要考虑高程因素影响[12,18-22]中提出了一系列能反应高程放大效应的爆破振动公式：

本文分别采用传统萨道夫斯基公式、式(5)、(9)～(11)对爆破振动实测数据进行多元线性回归分析，为了评价所建立预测模型的合理性和准确性，将各拟合曲线的拟合系数列于表3。

本文给出的爆破振动速度预测模型的拟合相关系数最高为0.958，表明式(5)对坡面振动速度预测精度高，通过在模型中引入相对坡度H/D 可真实反映爆破振动沿边坡面的传播衰减规律，而此相对坡度与高边坡坡度存在密切的关系。因此，在研究边坡爆破振动速度高程放大效应时需要考虑边坡坡度角这一重要影响因素。

3.3 爆破振动能量衰减耗散机制

表3 振动速度预测模型及拟合系数Table 3 Prediction model and correlation coefficient of vibration velocity

在对振动信号进行小波包分析时，所选小波基的匹配程度直接影响到最终的分析结果。Daubechies 小波系列凭借其良好的紧支撑性、光滑性以及近似对称性，近年被广泛的应用于爆破振动信号分析中。Daubechies 小波系列按正整数N 具有不同系列（dbN），目前db5 和db8 小波系列运用最为广泛，本文采用db8 对振动信号进行小波包分析[10,15]。基于式(6)～(8)，利用MATLAB 编制计算程序，分析计算得到各监测点爆破振动能量，见表4 所示。

表4 各振动信号总能量Table 4 Total energy of vibration signals

结合表1 及表4 对各信号峰值振速及能量分别进行归一化处理[23]，归一化峰值速度及能量随距离的变化关系见图5。

由图5 可以看出，各监测点处爆破振动信号峰值振速及总能量随爆心距的增加呈现出明显的衰减耗散趋势；爆破近区衰减快速，当水平距离达到60 m 以上时，振动速度峰值与信号能量衰减趋势均趋于平缓。对比图中的速度衰减曲线和能量衰减曲线可以得到，二者具有极强的相似性，尽管爆破振动能量大小主要取决于爆破振动速度、振动频率及振动持续时间三个影响因素[15]，但爆破振动速度峰值在三者中起主导作用。

图5 归一化速度和能量随距离的变化关系Fig. 5 Relation of normalized velocity and energy with distance

典型爆破振动信号在不同频带的能量分布见图6 所示。各信号的能量集中频带分布见表5。

由图6 及表5 可以看出，爆破振动信号的能量在频域内分布较为广泛，大都集中在0～300 Hz频带范围内，在此基础上，一般又可分为多个子振带；随着传播距离的增加，爆破振动信号高频部分能量衰减耗散快，低频能量衰减耗散慢，最终信号能量卓越频带向低频集中。当爆破地震波传播至第6 级台阶（垂直爆心距为80.5 m、水平爆心距为63 m）以后，振动信号能量卓越频带均集中在65 Hz 以下，尽管此时振动信号峰值振速与总能量值均较小，但其低频能量成分大，与边坡等构筑物自振频率更加接近，容易造成共振破坏[24]。因此实际施工过程中应注意加强远离隧道掘进中心的上部坡体及坡顶的振动监测与安全防护。