高铁长城站小净距隧道爆破振动效应研究.pdf

第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.019 高铁长城站小净距隧道爆破振动效应研究* 梁书锋我天龙2,李I1 1.中国矿业大学北京力学与建筑工程学院，北京100083； 2.泰山学院机械与建筑工程学院，泰安271000 摘要小净距隧道开挖工程中，隧道爆破对中隔墙的稳定性彩响极大，横通道的施工则会进一步加剧中 隔墙的振动破坏。为研究爆破作用下中隔墙的振动响应特征，以新建京张高铁长城站小净距隧道工程为背 景，分析非电雷管爆破地震波在中隔墙中的振动特征和衰减规律，同时开展电子雷管降振试验，对隧道爆破 炮眼的合理延时进行研究。研究结果表明受纵、横隧道分割的影响，中隔墙末端振动存在明显的放大效应； 掌子面后方中隔墙受爆破振动的影响大于掌子面前方岩体，应用萨道夫斯基公式对爆破数据进行回归分析 时，心,a费石；采用HHT方法对爆破振动信号进行时频分析，小净距隧道的波动能量集中分布在 50-200 Hz范围内，掏槽孔和崩落孔爆破均能在掌子面后方中隔墙产生较多的振动能量;在数码电子雷管 逐孔起爆试验中，掏槽孔孔间延时15 ms,崩落孔孔间延时20 ms时，可以使爆破振动信号能量分布更均匀， 振速峰值降低50 70。 关键词小净距隧道；振动测试；时频分析；降低振动 中图分类号TD235.1 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101 -0116 - 08 Blasting Vibration Effect of Small-Spaced Tunnel at Great Wall Hig h Railway Station LIANG Shu-f sng1 ,LING Tian-lo ng1 ,LI Chen1 1. Chin a Sc ho o l o f Mec ha n ic s 2运用数值模拟技术，研究小净距隧道的 爆破振动特性,探讨爆破振动对既有临近隧道及中 隔墙的影响，分析小净距隧道爆破振动效应的影响 因素两。 以新建京张高铁长城站为工程背景,通过对现 场爆破实测振动数据的分析,研究爆破地震波在中 隔墙中的传播规律,讨论小净距隧道中隔墙的振动 特性以及相关减振技术措施,为类似工程的爆破施 工提供指导建议。 1工程概况 新建京张高铁丿达岭长城站位于八达岭滚天沟 停车场下方新八达岭隧道内，是国内首座采用矿山 法施工的深埋高铁地下车站。车站中心处埋深 102.55 m,主体长度450 m,分为三连拱区段和三洞 分离标准段。标准段为三心圆拱形断面，隧洞净空 为11.38 mx 9.9 m宽x高，中隔墙厚度为2〜 5.7 m。根据本隧道工程地质钻探资料揭露，八达岭 长城站所处区域地层岩性主要为八达岭花岗杂岩, 岩脉极为发育,围岩级别为IV级。八达岭长城站剖 透图如图1所示。 长城站小净距隧道采用新奥法施工，侧洞先行, 中洞跟进施工。为减小爆破对中隔墙整体性和稳定 收稿日期 2020-10-28 作者简介梁书锋1982 -，男，汉族，山东省德州人，工程师、博士， 主要从事岩石破碎与爆破测试技术研究,E-mail liang sf204 163. com0 通讯作者凌天龙 1985 -，男，满族，辽宁省丹东市人，讲师、博士， 主要从事工程爆破与岩体破碎等方面研究，E-mail ling tianlong tsu. edu. cno 基金项目中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 2010QW5 ;泰山学院引进人才科研启动基金 Y012019010 性的影响,采用上下台阶法钻爆施工。上台阶采用 楔形掏槽爆破，下台阶采用水平孔拉槽爆破。上台 阶掏槽孔孔口间距5.5 5.8 m,崩落孔间距0.8〜 1 m,排距1 m,周边眼间距40 50 c mo炮孔直径为 42 mm,炮眼深度为3〜3. 5 m,药卷选用2岩石乳 化炸药，直径为Q 32 mm,密度1.0 g/c m3 o雷管选 用1〜13段塑料导爆管雷管,采用毫秒延期爆破技 术控制爆破振动。上台阶炮孔布置如图2所示。 图1长城站立体图 Fig. 1 Graphic model of the great wall high speed railway station 图2炮孔布置图 Fig. 2 Layout of blasting holes 2爆破振动测试 2.1测试方案 在长城站三洞分离段施工过程中,为增加工作面 数量,加快施工进度,侧洞施工一定距离后，在中隔墙 开挖横向通道，然后施工后行中洞。由于中洞爆破时 中隔墙端部的振动效应未有先行经验可借鉴,这将作 为现场振动监测内容之一;此外,爆破地震波在中隔 墙中的衰减规律也作为监测内容的一部分。 通常在小净距隧道施工时,爆破振动对相邻隧道 产生的最大振动速度出现在迎爆侧的边墙部位⑴。按 118爆破2021年3月 照上述的监测内容并结合工程实际，本工程的爆破振 动测试主要在先行侧洞中隔墙迎爆侧边墙部位进行。 采集系统采用成都中科测控有限公司研制的TC-4850 爆破测振仪。传感器采用U形卡和膨胀螺栓固定在初 衬结构上,并在传感器和初衬之间使用石膏进行有效 固定。此次振动监测分为两种工况1中洞施工初 期，以1〜5 m不等间距在侧洞迎爆侧中隔墙边墙上布 设5个速度传感器，如图3a 所示;2后行中洞施工 一定距离后，以10 m间距在侧洞迎爆侧中隔墙边墙上 布设7个速度传感器，如图3b所示。现场监测时，测 点固定，根据掌子面的位置变化,监测并分析爆破地震 波在中隔墙中的分布和传播规律。 订1匸纭匸5 .匸5 f传感器 左洞 ///////////////////, a工况一 b工况二 a First working condition b Second working condition 图3爆破振动监测点布置图单位m Fig. 3 Layout of blasting vibration monitoring pointunitm 2.2爆破振动数据预处理 由于测试环境及测试系统的原因，在振动时程 曲线上，波形偏离基线中心，存在明显的趋势项。通 过信号的频谱分析可以发现，低于1 Hz的低频带幅 值出现大幅度增高。趋势项的存在将严重影响峰值 振速的判读和频谱分析的精度,误导对低频信息的 把握，必须予以消除。 经验模态分解EMD技术是近年来被应用到 非平稳信号趋势项去除的有效方法，具有较强的自 适应性［⑶。但在对本次试验数据的处理过程发现, 该方法存在明显的“端部效应”。为此，本文应用文 献［14］提出的EEMD分解技术，按照以下步骤去除 爆破振动信号中的趋势项 1先对原始信号循环添加多次正态分布噪声 信号并逐次进行EMD分解,得到各I MF分量的“总 和”，然后取其均值即为真实的I MF分量。 2将取均值后的各I MF分量进行频谱分析，得 到其在频域内的尺度信息，最后根据测试系统的性能 指标和爆破地震波信号特点，去除部分低频分量，将剩 余分量重构即可得到去除趋势项后的真实振动信号。 图4为某次爆破施工中监测到的丫方向典型振 动信号。从图中可以看出，趋势项对原始信号的影 响极大，已经无法判断出峰值振动速度。应用EE- MD分解后重构的振动信号,趋势项完全消除,波形 重新回到基线中心位置，表明EEMD分解技术去除 爆破地震波信号趋势项是可行的。将监测得到爆破 振动信号按上述方法进行处理，并以此作为后续工 作的研究基础。 厂s m碰黒粤 5 0 -5 5 0 -5 原始信号 时间/s 00.20.40.6 时间/s 0.81.01.2 重构信号 『 b------------IF--------------秤------------------------------------------ 00.20.40.60.81.01.2 图4原始信号及重构信号对比 Fig. 4 Comparison of Original signal and reconfiguration signal 第38卷第1期梁书锋，凌天龙，李 晨 高铁长城站小净距隧道爆破振动效应研究119 3长城站爆破振动效应 3.1中隔墙末端“鞭梢效应” 由于本工程中监测位置夹岩厚度仅有5. 8 m, 隧洞又较高，中隔墙形成“类墙体”结构。横向通道 的开挖改变了中隔墙的整体结构,使得中隔墙末端 的“刚度”降低,同时新增的自由面为爆破地震波的 反射提供条件。图5给出了工况一中监测的2组振 动速度峰值的分布规律，图中距离正值表示掌子面 前方测点,负值表示掌子面后方测点。 由图5可以看出 1在爆破地震波作用下，中隔墙末端1和2 测试点X和丫方向的振动速度较大,产生较大的位 移,呈现明显的“鞭梢效应”。特别是在后行中洞开 挖初期，测点1振动速度甚至超过爆源附近的测点 3见图 5a o 2 随着中洞掌子面的推进，中隔墙末端的“放 大效应”有所减弱,但测点1的振动速度仍能达到 测点3的2〜3倍，说明爆破振动对中隔墙末端岩体 以及支护结构的仍有较大影响。在中洞施工过程 中，测点1附近的混凝土初衬结构已出现明显的开 裂现象O 3 从图5b可以看出，中隔墙末端的“鞭梢 效应”仅存在较小的范围内，当距离超过5m时3 测点，该效应则不复存在。因此，采用纵、横交错 的隧洞对中隔墙进行切割时，应重点控制爆破振动 对中隔墙末端岩体以及支护结构的影响，不能忽视 中隔墙末端对爆破地震波的放大作用。 0 5 0 5 0 5 0 0 5 0 5 0 5 0 4 3 3 2 2 1 1 4 3 3 2 2 1 1 €€ E E 应 蚤 8 10 距离/m a第1组爆破振动速度 a The first set of blasting vibration velocity data 0 2 4 6 € u l g 於嗚 距离/m b第2组爆破振动速度 b The second set of blasting vibration velocity data 图5中隔墙振动速度特征曲线 Fig. 5 Characteristic curves of vibration velocity of the interlaid rock wall 3.2中隔墙爆破地震波传播规律 由于孔网参数和装药参数与岩层的水文地质条 件等因素有关,高铁长城站小净距隧道在施工过程 中，不同里程的各次爆破参数不尽相同。本工程以 前述第二种工况为基础，针对不同爆心距、不同装药 量进行了一系列振动测试工作，用以研究中隔墙爆 破地震波的传播规律。 目前，国内外多采用萨道夫斯基经验衰减公式 对爆破数据进行回归分析［⑸ Vma x 二 K紡 1 式中，Kn a x为质点振动速度峰值,c m/s；Q为与 振动速度峰值Kn a x相对应的单段最大起爆药量，炖; R为爆心距,m；K为与地质条件及岩石特性有关的 系数;Q为与地质条件有关的爆破地震波衰减指数。 分别选取掌子面前方和后方的爆破振动速度峰 值,采用式1对数据进行回归分析，回归曲线及参 数如图6和表1所示。 表1振动速度拟合结果 Ta bl e 1 Fit t in g r esu l t s o f vibr a t io n vel o c it y 参数 掌子面前方掌子面后方 X方向丫方向Z方向X方向丫方向Z方向 K13.718.711.636.835.729.7 a1.061.141.011.181.211.15 由图6和表1可以看出 过6以后,3个方向的振动速度峰值趋于一致。 1比例距离小于6时,Y方向振动速度峰值最 2掌子面前方振动速度衰减较慢，后方则相 大,X和Z方向的振动速度峰值相近;当比例距离超 对较快，说明在多次爆破荷载作用下,中隔墙岩体受 120爆破2021年3月 到破坏,形成不同扩展程度的裂纹,完整性降低，这 些裂纹可以吸收一部分地震波能量，加快其衰减速 度,故掌子面后方振动数据的衰减系数大于掌子 面前方;而掌子面后方振动速度峰值回归曲线的K 值大于掌子面前方，这是因为掌子面后方中隔墙两 侧均为临空面，中隔墙的约束条件降低，在一定比例 距离范围内，掌子面后方的振动速度大于掌子面前 方相同距离测点的振动速度，因此，施工中宜加强该 部位的监测和相关支护。 25 20 25 20 5 0 5 5 0 5 1 1 1 1 ■兀方向样本 回归曲线 maxi3.7 e/j 0 5 0 5 0 5 0 0 5 0 5 0 5 0 4 3 3 2 2 1 1 4 3 3 2 2 1 1 € 日磐悝 廉 ■ y方向样本 回归曲线 max18-71 205 205 O O 5 5 € 盘碰 W W 蚤 ■ 5 0 1--------1--------1--------1--------厂 I , 2 4 6 8 10 12 比例距离/m b掌子面前方丫方向 b Y direction in front of the tunnel face 0 1--------1--------1--------1--------1--------1-------- 2 4 6 8 10 12 比例距离/m a掌子面前方X方向 a Xdirection in front of the tunnel face d掌子面后方X方向 d Xdirection behind the tunnel face e掌子面后方y方向 e Ydirection behind the tunnel face ■ z方向样本 回归曲线 Kmax11.62/7101 O --------1--------1--------1--------1--------1--------1 2 4 6 8 10 12 比例距离/m c掌子面前方Z方向 c Z direction in front of the tunnel face ⑴掌子面后方Z方向 f Z direction behind the tunnel face 图6振动速度样本数据及回归曲线 Fig. 6 Sample data and regression curve of vibration velocity 3.3中隔墙爆破振动时频分析 HHT方法把信号中不同时间频率范围的波动 或趋势逐层分解后，产生一组特征尺度不同的数据 列，信号的能量在频率或时间等不同尺度上的分布 规律能被真实反映［⑹。因此,在掌子面前方和后方 选取与掌子面的距离均为25 m的两个测点的振动 信号为研究对象，在第2节的基础上,将低频的趋势 项分量去除后，对剩余I MF分量进行Hil ber t -Hu a n g 变换,将每个分量所包含的能量与总能量的比值绘 制成柱状图，如图7所示。 由图7可以看出,3个方向的振动速度信号中， 前4个分量所含能量的比例较大，高频成分在振动 信号中占据主导地位。随着分量频率的减小，能量 逐渐减弱。需要指出的是，掌子面后方X和Z方向 低频分量的能量出现不同程度的“反弹”现象，通过 多组数据的计算分析发现，这种现象是普遍存在的， 说明掌子面后方形成“类墙体”结构后,在中隔墙两 侧隧洞波动场的影响下,动力响应变得十分复杂,而 这些能量占比相对较大的低频分量有可能对中隔墙 的稳定性不利，其影响不可忽视。 图8为3个方向上2组振动速度信号的Hil ber t 能量谱，它具有时间■频率■能量三维特性，能够精确 地表明信号的能量分布情况。从图中可以看出，3 个方向振动速度Hil ber t能量谱的整体形式基本相 同，信号的波动能量基本处在时间段0 0.6 s内, 频率成分则相对复杂,0〜400 Hz均有分布，在50〜 200 Hz范围内具有较大的振动能量。与X方向相 比,丫方向拥有较高能量的频率范围更广,造成这种 现象的原因是丫轴方向的振动信号是由勒夫波和 瑞利波叠加产生的。特别地,Z方向信号的频率成 分及其在时间上的能量分布均比X方向和Y方向 复杂，这可能是因为车站隧洞将岩体切割成“类墙 体”结构,中隔墙需承受上覆岩层传递的压力，使得 该结构在Z方向的动力响应极为复杂。 对比掌子面前方和后方的Hil ber t能量谱可以 发现,掌子面前方振动信号X和丫方向的振动能量 第38卷第1期梁书锋，凌天龙，李 晨 高铁长城站小净距隧道爆破振动效应研究121 主要集中在0 0.1 s范围内，这部分振动能量是由 掏槽孔引起的，由崩落孔和周边孔引起的振动能量 与掏槽孔相比均较小;而掌子面后方振动信号X方 向和匕方向的能量在0.2 s和0.3 s处出现次能量 峰值，甚至出现崩落孔引起的振动能量与掏槽孔相 当的现象，这是因为崩落孔的单段药量较大以及掌 子面后方“类墙体”结构动力响应的特殊性引起的。 因此，在进行爆破设计时不仅应重点控制掏槽孔的 装药量，还应重视崩落孔的单段最大装药量。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 IMF分量 a掌子面前方X方向 a /direction in front of the tunnel face 0 1 2 3 4 5 6 7 8 IMF分量 b掌子面前方y方向 b Y direction in front of the tunnel face 0 1 2 3 4 5 6 7 8 IMF分量 c掌子面前方Z方向 c Z direction in front of the tunnel face 0 1 2 3 4 5 6 7 IMF分量 d掌子面后方X方向 d Xdirection behind the tunnel face 0 1 2 3 4 5 6 7 IMF分量 e掌子面后方Y方向 e Ydirection behind the tunnel face 、蛋垃 * 盎 ⑴掌子面后方Z方向 f Z direction behind the tunnel face 图7不同IMF分量能量分布图 Fig. 7 Energy distribution map of different IMF components a掌子面前方X方向 a Xdirection in front of the tunnel face b掌子面后方X方向 b Xdirection behind the tunnel face c掌子面前方y方向 c Ydirection in front of the tunnel face d掌子面后方Y方向 d Y direction behind the tunnel face e掌子面前方Z方向 e Z direction in front of the tunnel facef Z direction behind the tunnel face 图8不同振动信号三维时频谱 Fig. 8 Three-dimensional energy spectrum of different vibration signal 122爆破2021年3月 4电子雷管降振技术研究 为最大限度保护隧道围岩，长城站采用台阶法 施工，以避免隧道围岩在多次爆破荷载作用下破坏 失稳。然而，根据振速实测结果可知,采用非电导爆 管雷管爆破时,由于段位少,单段起爆药量较大,爆 破引起的与掌子面平齐位置中隔墙最大振动速度峰 值大于35 c m/s ,远超过规程标准［⑺。因此,采用电 子雷管起爆技术控制爆破振动。 电子雷管降振技术的关键在于时差的设定。炮 孔间延期时间的设置既要保证岩体的破碎，也要实 现错峰降振。通过多次试验，得出长城站小净距隧 道电子雷管单孔连续起爆相关技术参数掏槽孔间 延期时间设置为15 ms；崩落孔间延期时间设置为 20 ms；周边孔和底边孔间延期时间设置为6 mso同 一圈崩落孔和周边孔均采取远离中隔墙一侧先爆, 临近中隔墙一侧后爆的方式实施。在保持爆破进 尺，炮孔布置，装药量等参数不变的情况下,采用上 述孔间延期时间参数，对电子雷管起爆引起的振动 进行监测，与掌子面平齐的中隔墙振动速度如图9 图9电子雷管爆破振动信号 Fig. 9 Blasting vibration signal of digital detonator 由图9可以看出，数码电子雷管施工引起的振 动波形为分段式多峰波形，与普通导爆管雷管振动 波形不同，电子雷管的多个峰段持续时间长,振速分 布均匀;掏槽孔实现单孔连续爆破，产生振动的药量 为单孔药量,极大地降低了掏槽爆破振动速度;掏槽 孔崩落形成空腔,使得远离中隔墙一侧崩落孔诱发 的振动极小,而近中隔墙侧崩落孔装药量大,与中隔 墙距离较近，是影响中隔墙振动速度的主要因素;此 次监测结果中，最大峰值速度发生在靠近中隔墙一 侧的底角孔,这也与该炮孔的比例距离较小有关,可 在后续的施工优化施工参数加以控制。 图10为上述数码电子雷管振动信号的Hil ber t 能量谱。由图中可以看出，振动能量出现的时间与 振速多个峰段的时间相同，在整个振动过程中，振动 能量的波动较为平稳,并未出现过度集中的能量峰 值,振动峰值在频率轴上呈现均匀化分布趋势O 图10电子雷管Hilbert能量谱 Fig. 10 Hilbert energy spectrum of vibration velocity using digital electronic detonator 根据多次爆破振动测试的统计结果可知，与普 通导爆管雷管相比，与掌子面平齐的中隔墙振动速 度在使用数码电子雷管后降低50〜70 ,而且爆 破后岩石块度均匀，大块率降低，炮孔利用率达到 90以上。由此可见,采用上述数码电子雷管爆破 方案施工，可以降低振速,改善爆破块度，取得了较 好的爆破效果。 5结论 以高铁长城站为工程背景,研究爆破地震波在 小净距隧道中隔墙中的分布特征和传播规律，分析 中隔墙爆破振动的时频特性,探讨数码电子雷管降 振技术。得到如下结论 1 岩体受纵、横隧洞的分割，形成“类墙体”结 构，中隔墙末端振动速度大幅度提高，存在明显的 “鞭梢效应”，应加强该部位的监测和支护。 2 当比例距离小于6时,Y方向的振动速度最 大;当比例距离大于6时,3个方向的振动速度峰值 趋于一致。 3 采用萨道夫斯基公式对爆破振动数据进行 回归分析,结果表明对于参数K和a的值,K前＜ K后,a前后。产生这些差异的原因在于中隔墙受 爆破荷载作用产生裂隙,完整性降低,而且两侧形成 临空面,降低了中隔墙的约束条件。 4 对中隔墙振动信号进行希尔伯特变换，结 果表明心C4所含的能量比例较高，高频成分占据 主导地位。掌子面后方受双洞波动场影响,动力响 应复杂，低频分量的能量比例出现“反弹”现象，可 能对中隔墙的稳定性不利。 5 应用HHT方法进行时频分析，小净距隧道 爆破振动的波动能量集中在50 200 Hz范围内偉 子面前方岩体的波动能量集中在0 0. 1 s内，主要 由掏槽孔引起，而掌子面后方则在崩落孔起爆时产 第38卷第1期梁书锋，凌天龙，李晨高铁长城站小净距隧道爆破振动效应研究123 生多个次能量峰值,其影响不容忽视。 6使用数码电子雷管实现逐孔起爆，降低单 段最大装药量,振动波形呈多峰段均匀分布,振动能 量波动平稳,振动速度峰值比采用普通雷管施工时 降低50 70 ,降振技术方案有效可行。 参考文献References [1] 龚建伍，夏才初,郑志东，等.鹤上三车道小净距隧道 爆破振动测试与分析[J].岩石力学与工程学报, 2007,269 1882-1887. 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