施建俊 苗晓鹏 陈慧 孟海利 郭云龙

（1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；2.城市地下空间工程北京市重点实验室，北京 100083；3.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

爆破技术在施工开挖中有着广泛的应用，爆破引发的振动会对爆区内建（构）筑物产生危害。曹孝君等[1]对爆破地震波特性等进行了研究，提出应使爆破优势频带的谐波频率和主频远离且高于建筑物固有频率。米中阳等[2]对矿山爆破动荷载下框架结构的动力响应进行了分析，得出振动响应加速度随着楼层增加而增大。凌同华等[3]分析发现双正交小波基构造法在延期时间识别方面具有更高的分辨率，能提高爆破振动信号的小波分析效果。张胜等[4]采用模式自适应连续小波能量谱分析方法分析发现，多段爆破振动信号主要分布在低频段，在时域上具有多个能量峰值。单仁亮、郭云龙等[5-6]采用小波包能量谱分析方法分析得出，能量集中频带随着距爆源距离增加而逐渐变窄。马海越等[7]通过有限元分析发现，单层砖混房屋框架柱顶端位移最大，底部与顶部位移较大，门窗与框架柱之间容易出现超过安全允许振速的情况。韩亮等[8]采用小波包分析方法对比了深孔台阶爆破近远区的振动特征和能量分布规律。

本文在渝怀二线漾头越行站站改工程爆源附近火车站站房进行爆破振动试验，并对实测爆破振动信号进行频谱和能量分析，为类似工程爆破振动安全性评价以及降低爆破振动危害提供参考。

1 现场爆破试验

漾头火车站站房为单层钢筋混凝土结构，距爆源最近距离仅30 m。现场施工采用中深孔台阶控制爆破。在站房上布置监测点（图1），沿垂向每隔1 m放置TC‐4850或TC‐6850爆破测振仪。3次监测数据见表1。

图1 火车站站房测点布置

为研究爆破振动作用下单层钢筋混凝土结构3个方向峰值振速的变化规律，绘制出各炮次的垂向与水平径向峰值振速之比、垂向与水平切向峰值振速之比随高度（距地面距离）变化曲线，见图2。可见：15组有效信号（3个炮次，每炮次5组）的垂向与水平径向峰值振速之比均大于1，且均值高达2.08；垂向与水平切向峰值振速之比也大于1。说明单层框架结构垂向峰值振速明显大于水平径向、水平切向。这是因为：框架结构长轴方向（水平切向）刚度较短轴方向（水平径向）刚度大，垂向刚度比水平刚度大。结构刚度越大其自振频率越大[9]，所以建筑物垂向自振频率最大，垂向自振频率与爆破地震波的主振频率更接近，更容易发生共振现象。

表1 各炮次中监测点峰值振速及主频监测数据

图2 各炮次垂向与水平径向、水平切向峰值振速之比随高度变化曲线

通过MATLAB编制程序对爆破振动信号进行快速傅里叶变换。在同一炮次爆破振动作用下监测点垂向主频明显大于水平向，且随着高度增加各优势频带的宽度逐渐减小。最低处监测点（高为0）在3个方向上优势频带宽度均最宽，最高处监测点（高4 m）在3个方向上优势频带宽度均最窄。这是因为随着高度增加爆破地震波高频部分逐渐被过滤掉。

2 爆破振动信号的反应谱分析

对爆破振动信号进行频谱和能量谱分析，是研究爆破振动效应的常用方法之一。选择db8小波基函数[10]，所需分解的层数根据爆破测振仪的工作频带以及实测信号确定。根据采样定理，由于各炮次采样频率为 4 000 Hz，故 Nyquist频率为 4 000/2=2 000 Hz。通过MATLAB编制程序对监测点3个方向的爆破振动信号进行小波包分解，共分解7层，得到128个节点。每一节点对应1个子频带，每一个子频带宽15.625 Hz，最低子频带为0～15.625 Hz，第2个子频带为15.625～31.250 Hz，以此类推，直至第128个节点。

重构后各节点的波形曲线表现出相似特征，因此这里仅列出01炮次高3 m处监测点水平径向重构后节点（7，0）—节点（7，2）（对应的子频带为1～3）的振动波形，见图3。可见：经过7层小波包分解后，每个节点的波形分段现象愈发明显，不同波段雷管爆炸引起的峰值振速愈发清晰。节点（7，1）可明显看出MS1（起爆时间为 0），MS3（50 ms），MS4（75 ms），MS5（110 ms）4种段别以及每段的峰值振速。

图3 01炮次高3 m处监测点水平径向振动信号重构后节点波形

对各节点的爆破振动信号进行快速傅里叶变换，可以得到各节点的频谱和主频，见图4。由此体现出小波包分析非平稳信号的优势。各个节点的振速和频率均不相同，表明爆破振动信号是由若干不同主频率的信号叠加而成。

图4 01炮次高3 m处监测点水平径向振动信号重构后节点频谱

对爆破振动信号进行能量谱分析时保留能量占比最大的前10个频带，得到各频带的能量占比和爆破峰值振速。01炮次高3 m处监测点3个方向信号各节点主频、峰值振速及能量占比见表2。

表2 01炮次高3 m处质点3个方向信号各节点主频、峰值振速及能量占比

由表2可知：①重构后各节点信号主频均集中在对应的频带范围内。②爆破振动信号能量在各频带上分布很不均匀，各频带主频随着节点编号增大而逐渐增大，峰值振速和能量占比大致呈先增大后减少的趋势同步变化，原始信号的主频（水平径向36.6 Hz，作水平切向43.0 Hz，垂向30.5 Hz）位于振速或能量最大的频带范围内。③能量几乎全部集中在前8个频带上。如01炮次高3 m处监测点经过小波包分解重构后，水平径向、水平切向、垂向前8个频带（0～125 Hz）能量占比分别为98.531%，99.857%，99.350%，表明爆破振动信号的能量主要集中在低频带上。

为研究各频带能量与框架结构高度、传播距离之间的关系，现统计01炮次不同高度监测点3个方向爆破振动信号在前3个子频带的能量占比，见表3。

表3 01炮次不同高度监测点3个方向爆破振动信号在前3个子频带的能量占比

由表3可知：随着高度增加，水平径向前3个子频带（0～46.875 Hz）能量占比由 77.347% 增加到85.769%，水平切向前3个子频带能量占比由86.993%增加到97.363%，垂向前3个子频带能量占比由86.234%增加到92.783%。说明在台阶爆破振动作用下随着建筑物高度增加低频带能量占比上升，高频带能量占比下降。这是由于钢筋混凝土框架结构阻尼对爆破振动信号中高频部分的衰减作用尤为显著。优势频带有向低频移动的趋势，越来越接近建筑物自振频率（建筑物自振频率通常小于10 Hz），所以在爆破振动作用下建筑结构损伤更容易发生在比较高的位置。

01炮次监测点距爆源34.94 m，02炮次监测点距爆源41.64 m。统计不同炮次高3 m处监测点3个方向爆破振动信号在前3个子频带的能量占比，见表4。

表4 不同炮次高3 m处监测点3个方向爆破振动信号在前3个子频带的能量占比

由表4可知：随着传播距离增大，水平径向、水平切向、垂向前3个子频带总能量占比增大。低频带能量占比增大，意味着高频带能量占比减小，优势频带逐渐向低频移动。这是因为岩石阻尼对爆破振动信号中高频部分的衰减作用比低频部分明显。实际工程中可采用高精度雷管精准控制炮孔延期时间，减小爆破产生的低频振动叠加效应，分散能量在低频带的分布，从而降低爆破振动对爆区建筑结构的损伤。

3 结论

本文通过中深孔台阶爆破作用下建筑结构振动监测试验和小波包频谱、能量分析，得出结论如下：

1）单层钢筋混凝土框架结构垂向峰值振速明显大于水平方向；结构质点在同一炮次垂向振速明显大于水平方向，且由于爆破地震波在传播过程中高频部分被过滤掉，优势频带宽度随着高度增加逐渐减小。

2）重构后信号各节点主频均集中在对应的频带范围内，爆破振动信号能量在各频带分布很不均匀。随着节点编号的增大，峰值振速和能量占比均呈先增大后减少的趋势同步变化，原始信号的主频位于优势频带范围内。爆破振动信号的能量主要集中在低频带。

3）钢筋混凝土框架结构阻尼对爆破振动信号中高频部分的衰减作用比低频部分明显，所以随着建筑物高度的增加，低频带能量占比逐渐增大，高频带能量占比逐渐减小，建筑结构高处更易出现共振现象，损伤也更易发生。岩石阻尼也存在相同规律，随着传播距离增加优势频带逐渐向低频移动。实际工程中可采用高精度雷管精准控制炮孔延期时间，减轻爆破产生的低频振动叠加效应，从而降低爆破振动对爆区建筑结构的损伤。