1、隧道周边孔爆破振动信号分析 赵铁军 姜殿科 周明 高蔚 闫鸿浩 大连理工大学工程力学系 国家电网公司辽宁省电力有限公司大连供电公司 摘 要： 为了解周边孔爆破对控制爆破振动速度的影响, 以大连玉华 220kV 线路新建工程 2#大里程隧道为例, 分析周边孔爆破振动信号。2#大里程隧道临近商业建筑, 通过掏槽孔、周边孔两次起爆, 达到了控制爆破振速的目的。因此, 在爆破断面垂直的商铺附近, 距离爆破断面约 6m 处布置测试点进行监测。采用 FFT 法、小波包分析法、加速度功率谱密度法对爆破的振动速度、持续时间、主频、能量-频率分布等进行了分析。结果发现:周边孔爆破中距爆破断面水平距离 6m 处的
2、最大单向振动速度为 1.122 4cm/s, 频率较高, 80Hz 以上, 在爆破安全规程规定的振动速度范围之内。同时分析了 3 种方法的异同点, FFT 法的速度谱与小波包分析的能量-频谱图波形相似, 主频与小波包分析法相差不大, 与加速度功率谱密度计算的主频非常接近, 可用 FFT 法初步分析爆破振动信号的能量分布比例。小波包分析法在主频确定方面有更高的分辨率, 在精细分析时应采用小波包分析法进行爆破振动信号的分析。该爆破振动信号分析对有效地控制振动速度, 降低爆破对周边建筑物的损害和爆破网路设计有着很好的指导意义。关键词： 爆破振动; 小波包分析; 加速度功率谱密度; 周边孔; 作者简介
3、：赵铁军 (1990-) , 男, 在读博士, 从事工程爆破、爆炸加工方面的研究。E-mail:Tiejun_ZHAO作者简介：闫鸿浩 (1974-) , 男, 博士, 副研究员, 从事工程爆破、爆炸加工、爆炸理论方面的研究。E-mail:收稿日期：2017-05-10基金：国家自然科学基金资助项目 (11672068;11672067;10872044;10902023) Vibration signal analysis of tunnel periphery hole blastingZHAO Tie-jun JIANG Dian-ke ZHOU Ming GAO Wei YAN Hon
4、g-hao Department of Engineering Mechanics, Dalian University of Technology; State Grid Liaoning Electric Power Supply Co., Ltd., Dalian Power Supply Company; Abstract： In order to find out the influence of periphery hole blasting on controling blasting vibration velocity, the blasting signal of peri
5、phery hole was analysized, which was based on the New Construction of Dalian Yuhua 220 kV transmission line.The section of 2# shaft is closed to commercial building, the blasting vibration velocity was controlled effectively by initiation of cutting hole and periphery hole orderly.The blasting signa
6、l was measured at the commercial building which is about 6 maway from blasting section.The vibration velocity, duration, dominant frequency, energy-frequency distribution in the blasting vibration signal were analyzed by FFT method, wavelet packet analysis method and acceleration power spectrum dens
7、ity method.The results indicated that the maximum single direction velocity of the measure point was 1.122 4 cm/s, where is 6 mhorizontal distance from blasting section in periphery hole blast.The frequency was high, higher than 80 Hz, and the velocity was satisfied with the standard of “Safety Regu
8、lations for Blasting”.At the same time, the similarities and differences of the three methods were analyzed.The FFT spectrum of velocity and energy spectrum of blasting vibration signal calculated by wavelet packet analysis were similar, and it had little difference in calculation of dominant freque
9、ncy with wavellet packet analysis and very closed to that of acceleration power spectral density.The FFT method can be used to calculated the dominant frequency and evaluated the proportion of energy distribution of vibration signal roughly and rapidly.The wavelet packet analysis method had a high a
10、ccuracy in calculating dominant frequency, and wavelet packet analysis method was a best choice to precess signal in the case of high precision.The blasting vibration signal analysis has a good guiding significance for the blasting network design, which can effectively control the vibration speed an
11、d reduce the damage to the surrounding buildings by blasting.Keyword： blasting vibration; wavelet packet analysis; acceleration power spectral density; periphery hole; Received： 2017-05-10爆破振动信号分析对有效地控制振动速度, 降低爆破对周边建筑物的损害和爆破网路设计有很好的指导意义。与爆破振动有关的参数主要有振动速度、频率、持续时长等, 可通过一些常见的处理方法获得, 也可以获知速度的频谱范围、能量的分布规
12、律1-3。李洪涛等4以振动能计算原理与速度功率谱密度相结合, 导出了爆破振动频度与能量的计算法, 该法与小波包分析原理一致, 但基于功率谱密度的能量分析物理意义明确且操作简单, 可作为振动信号分析的能量分析方法。小波包分析法是目前常用的爆破振动信号分析法, 从简单的爆破振动信号分析开始, 研究单段药量、多段延时、能量主频率分布等问题5-8。另外, 加速度功率谱密度方法 (APSD) 是对精密设备监测的重要考察指标9, 闫鸿浩等10,11, 在 Intel 光刻机附近场地爆破平整时, 利用加速度功率谱密度作为控制指标设计了爆破方案, 有效地控制了爆破能量, 达到了预期目标。然而, 关于周边眼单独
13、爆破的信号分析研究较少, 对其信号所在的主频以及能量分布情况没有较为清晰认识。本文以大连玉华 220kV 线路新建工程 2#井大里程爆破作业为例, 分析周边眼爆破振动信号, 了解其振动速度、持续时间、主频、能量-频率分布等情况, 同时分析了傅里叶分析、小波包分析法和 APSD 之间的异同点。1 爆破振动信号处理原理1.1 加速度功率谱密度及其计算常用功率谱来分析随机信号的能量或功率的分布, 并确定其主频率。计算功率谱密度的方法有 2 种, 即标准方法 (Blackman-Tukey) 法与直接傅里叶变换法 (Cooley-Tukey) , 前者是通过信号的自相关函数来计算功率谱密度;后者则对信
14、号直接进行傅里叶变换计算谱密度12-13。本文采用直接傅里叶变换法求解振动信号的加速度功率谱密度。设 a (t) 可进行傅里叶变换的函数, 定义 a (t) 为 a (t) 的瞬时功率, 若如下极限存在, 即则 Q 为函数 a (t) 的广义功率。函数 a (t) 在时间 (-T, T) 上的傅里叶变换式为相应的傅里叶逆变换为由式 (1) 式 (3) 整理可得因为 a (t) 为 t 的实值偶函数, 并满足 Parseval 公式14-15根据式 (1) 、式 (45) 可得则称为函数 a (t) 的双边功率谱密度函数, 为角频率。因为 为偶函数, 则式 (6) 可化为令G () 称为函数 a
15、 (t) 的单边功率谱密度。由式 (7) 与式 (9) 可知, G () 与 S () 满足以下关系:设 a (t) 为爆破振动信号, 采集时间为 (0, T) , 则其功率谱密度可近似表示为将数据离散化, 采样时间间隔为 t, T=Nt, (k=0, 1, 2, , N/2) , 观测值为 ai=ait (i=0, 1, 2, , N) 。于是有用式 (12) 即可计算爆破振动信号的功率谱密度, 爆破振动测试仪采样时间 2 s, 采样率为 2 000Hz。1.2 小波包分析小波包分析法可将信号的低频与高频分别进行分解, 提高信号的分辨率16。用小波包的能量频谱分析方法来分析振动信号 a (t
16、) 的能量频谱。爆破振动信号 a (t) 经小波包分解后, 第 i 层有 2 个子频带, 则 a (t) 可表示为式中:f i, j (tj) 为爆破振动信号小波包分解后第 i 层节点 (i, j) 上的重构信号。若信号 a (t) 最小频率为 0, 最高频率为 max, 则在第 i 层的每个子频带的频率宽度为 max/2。若设 Ei, j (tj) 为 fi, j (tj) 对应的能量, 则存在式中:x j, k (j=0, 1, 2, , 2;k=1, 2, , m) 为 fi, j (tj) 离散点的幅值;m为爆破信号采集点数。则由式 (14) 即可得到振动信号 a (t) 小波包分解后
17、第 i 层时, 各频带能量占信号总能量的比例17:图 1 爆破断面与测点位置 Fig.1 The blasting section and measuring point location 下载原图2 爆破方案与测点监测大连玉华 220kV 输电线路新建工程隧道全长约 2.76km, 起点在同泰广场附近, 沿同泰街至五一路与联合路交叉口, 转向北沿联合路至三春街交叉口, 向东沿三春街至工华街步入玉华 220kV 变电站。设计 6 个施工竖井, 起点与终点竖井采取明挖, 中部采用暗挖爆破作业。其中, 2#竖井大里程沿联合路向北掘进, 隧道靠近联合路东侧, 距附近商铺水平距离较近 (见图 1) 。
18、该处岩层以薄层状板岩为主, 局部有辉绿岩岩脉侵入, 围岩等级为 IV 级, 控制爆破振动速度尤为重要。为了减小振动造成的干扰, 爆破采用掏槽孔、周边孔两次起爆的方案 (见图 2) 。首先起爆掏槽孔, 产生两个自由面, 然后再起爆周边孔, 以达到控制爆破振速的目的。测振仪布置于爆破断面垂直的商铺附近, 距离爆破断面约 6m, 测点布置如图 1所示。图 2 周边孔爆破方案 Fig.2 The blasting program of periphery hole 下载原图3 周边孔振动信号分析总爆破振动时长约 0.4s (见图 3) , x、y、z 轴振动速度最大幅值分别为 0.526 8、0.74
19、9 8、1.122 4cm/s, 出现在 55.5、276.5、57ms 时刻。z 轴的振动速度分别是 x、y 轴振动速度的 2.13 倍和 1.50 倍, 表明周边孔爆破振动对竖向的作用高于径向与轴向。对爆破速度振动信号进行 FFT 分析 (见图 4) 发现, x 轴向与 z 轴向出现了两个相近的峰值, x 轴方向出现在 81 Hz 与 114 Hz 处, z 轴方向出现在 57.5Hz 与92 Hz 处;而 y 轴方向仅在 81 Hz 处有一个峰值。y 轴方向频率较为集中, 在60130 Hz 之间;x 与 z 轴方向频率分布范围较宽, 中低频至中高频皆有。对振动信号进行小波包分解后, 计
20、算了其能量-频谱关系 (见图 5) 。小波包分析后能量的频谱分布比例与速度的 FFT 图谱非常相似, 但存在一些差异之处, 如 x 与 z 轴向最大能量所对应的频率分别为 81.1Hz 和 91.8Hz, 占比分别为5.87J 与 5.93J。y 轴向的最大能量为 12.61J, 对应的频率为 81.1Hz。小波包分析法的分辨率比 FFT 法高, 更能较为清晰地表现主频位置。不过, 无论是振动速度的 FFT 图谱还是小波包分析的能量-频谱图, 均体现了周边孔爆破振动的频率处于较高频率 (80Hz 以上) 。图 3 爆破振动速度 Fig.3 Blasting vibration velocity
21、 下载原图图 4 速度的 FFT 图谱 Fig.4 FFT spectrum of velocity 下载原图图 5 振动信号的能量-频谱关系 Fig.5 The energy frequency relationship of vibration signal 下载原图对周边孔爆破振动信号进行加速度谱密度分析后, 三轴向的加速度功率谱密度如图 6 所示。x、y、z 轴向的最大 APSD 对应的频率分别为 114、81、92Hz, 不过在 100Hz 以内, x 轴向最大 APSD 对应的频率为 81Hz。图 6 加速度功率谱密度 Fig.6 Acceleration power spectr
22、al density 下载原图从图 6 中不难看出, x 轴向 81Hz 与 114Hz 处的峰值较为接近, 这与图 4 中 x 轴向极为相似, 其原因就是 FFT 法与加速度功率谱密度的核心算法为傅里叶变换, 所以结果中的主频会比较相似。然而, 加速度功率谱密度在处理中增加了对速度信号的微分步骤, 提高了误差, 出现概率, 进而出现图 4 与图 6 中 x 轴向主频不一致的现象。综合 FFT 法、小波包分析法与加速度功率谱密度对周边孔爆破振动信号的分析来看, 周边孔的振动主频处于较高的频率, 在 80 Hz 以上, 因此, 在爆破振动中所允许的振动速度相对较高。一般情况下, 可以采用 FFT
23、 法初步分析爆破振动信号的主频问题。4 结论通过对周边孔爆破振动信号进行 FFT 分析、小波包分析、加速度功率谱密度分析后, 可得出如下结论:1) 距爆破断面水平距离 6 m 处的最大单向振动速度为 1.122 4cm/s, 频率在 80 Hz 以上, 在爆破安全规程18规定的振动速度范围之内, 表明该爆破方案是可行的, 能够有效地控制振速。2) FFT 法的速度谱与小波包分析的能量-频谱图波形相似, 可用 FFT 法初步分析爆破振动信号的能量分布比例。FFT 法与加速度功率谱密度计算的主频非常接近, 但后者处理过程中的速度微分过程易增加计算误差。3) 小波包分析法在主频确定方面有更高的分辨率
24、, 在精细分析时应采用小波包分析法进行爆破振动信号的分析。参考文献1朱权洁, 姜福兴, 于正兴, 等.爆破震动与岩石破裂微震信号能量分布特征研究J.岩石力学与工程学报, 2012 (4) :723-730.ZHU Q J, JIANG F X, YU Z X, et al.Study on energy distribution characters about blasting vibration and rock fracture microseismic signalJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012 (4)
25、 :723-730. 2周俊汝, 卢文波, 张乐, 等.爆破地震波传播过程的振动频率衰减规律研究J.岩石力学与工程学报, 2014 (11) :2 171-2 178.ZHOU J R, LU W B, ZHANG L, et al.Attenuation of vibration frequency during propagation of blasting seismic waveJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014 (11) :2 171-2 178. 3傅洪贤, 赵勇, 谢晋水, 等.隧道爆破近区爆破振动测
26、试研究J.岩石力学与工程学报, 2011 (2) :335-340.FU H X, ZHAO Y, XIE J S, et al.Study on blasting vibration test of area near tunnel blasting sourceJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011 (2) :335-340. 4李洪涛, 卢文波, 舒大强, 等.基于功率谱的爆破地震能量分析方法J.爆炸与冲击, 2009 (5) :492-496.LI H T, LU W B, SHU D Q, et al.An
27、energy analysis method for blast-induced seismic based on power spectrumJ.Explosion and Shock Waves, 2009 (5) :492-496. 5闫长斌, 王贵军, 石守亮, 等.岩体爆破损伤声波测试信号频谱特征的小波 (包) 分析J.岩石力学与工程学报, 2010 (7) :1 496-1 502.YAN C B, WANG G J, SHI S L, et al.Analysis of acoustic wave frequency spectrum characters of rock mas
28、s under blasting damage based on wavelet (packet) transformationJChinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010 (7) :1 496-1 502. 6凌同华, 李夕兵.多段微差爆破振动信号频带能量分布特征的小波包分析J.岩石力学与工程学报, 2005 (7) :1 117-1 122.LING T H, LI X B.Analysis of energy distributions of millisecond blast vibration signals usi
29、ng the wavelet packet methodJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005 (7) :1 117-1 122. 7凌同华, 李夕兵.爆破振动信号不同频带的能量分布规律J.中南大学学报 (自然科学版) , 2004 (2) :310-315.LING T H, LI X B.Laws of energy distribution in different frequency bands for blast vibration signalsJ.J.Cent.South Univ. (Natural S
30、cience) , 2004 (2) :310-315. 8何理, 钟冬望, 刘建程, 等.微差爆破试验及爆破振动能量的小波包分析J.金属矿山, 2014 (6) :10-15.HE L, ZHONG D W, LIU J C, et al.Millisecond blasting tests and wavelet packet analysis of blasting vibration energyJ.Metal Mine, 2014 (6) :10-15. 9贾秋燕, 盛侃.航空产品运输模拟试验结果的测量不确定度评估J.航空精密制造技术, 2015 (1) :15-18.JIA Q Y
31、, SHENG K.Evaluation of uncertainty about aviation product transport simulation test resultsJ.Aviation Precision Manufacturing Technology, 2015 (1) :15-18. 10闫鸿浩, 浑长宏, 李晓杰, 等.复杂爆破作业环境下的加速度功率谱密度分析J.振动与冲击, 2017 (3) :113-118.YAN H H, HUN C H, LI X J, et al.Blasting vibration acceleration power spectral
32、 density analysis under complex blasting operation environmentJ.Journal of Vibration and Shock, 2017 (3) :113-118. 11闫鸿浩, 浑长宏, 李晓杰, 等.加速度功率谱密度指标控制下的爆破研究J.岩石力学与工程学报, 2016 (S2) :4 180-4 186.YAN H H, HUN C H, LI X J, et al.Research on blasting under the controlled of acceleration power spetrum density
33、indexJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016 (S2) :4 180-4 186. 12范顺庭.用快速富里叶变换计算海浪的功率谱密度函数J.海洋湖沼通报, 1979 (2) :6-11.FAN S T.The evaluating method of wave power spectral density function with fast fourier transformJ.Transactions of Oceanology and Limnology, 1979 (2) :6-11. 13汪凤泉, 郑万泔
34、.试验振动分析M.南京:江苏科学技术出版社, 1988.WANG F Q, ZHENG W G.Test vibration analysisM.Nanjing:Jiangsu Science and Technology Press, 1988. 14闫鸿浩, 杨瑞, 李晓杰, 等.地铁隧道浅埋段下穿砖混结构房屋爆破振动控制研究J.施工技术, 2016 (S1) :422-427.YAN H H, YANG R, LI X J, et al.Control of blasting vibration in shallow depth tunnel construction under bri
35、ck and concrete residential buildingsJ.Construction Technology, 2016 (S1) :422-427. 15张蓉竹, 蔡邦维, 杨春林, 等.功率谱密度的数值计算方法J.强激光与粒子束, 2000 (6) :661-664.ZHANG R Z, CAI B W, YANG C L, et al.Numerical method of the power spectral densityJ.High Power Laser and Particle Beams, 2000 (6) :661-664. 16宁瑞峰, 张世平.小波包分析
36、在爆破震动信号能量衰减规律中的应用J.爆破, 2014 (1) :1-4, 37.NING R F, ZHANG S P.Application of wavelet packet analysis in blasting vibration signal energy attenuation lawJ.Blasting, 2014 (1) :1-4, 37. 17中国生, 房营光, 徐国元, 等.基于小波包分析的建 (构) 筑物爆破振动安全判据研究J.岩土工程学报, 2009 (2) :223-228.ZHONG G S, FANG Y G, XU G Y, et al.Safety cri
37、terion of blasting vibration for structure based on wavelet packet analysisJ.Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009 (2) :223-228. 18国家安全生产监督管理总局.爆破安全规程:GB 6722-2014S.北京:中国标准出版社, 2015.State Administration of Work Safety.Safety regulations for blasting:GB 6722-2014S.Beijing:China Standards Press, 2015.
