岩土工程开挖爆破振动监测分析新方法

董承全，孟军涛，颜胜才

DONG Chengquan，MENG Juntao，YAN Shengcai

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

在高速铁路及高速公路修建过程中，常会遇到路堑开挖爆破。尽管施工人员尽量采用控制爆破方法以期减小振动产生的不利影响。但振动造成建筑物损坏的现象仍有发生。根据有关爆破安全规程［1］，需对临近建筑物进行振动监测，使其振动速度控制在安全标准范围内。爆破振动传播衰减过程是一个十分复杂的过程。其振动速度、频率、持续时间，以及波在传播过程中因地质地貌特征变化引起波的反射、折射叠加造成的波形奇异特征等参量，与传播距离、传递介质、药量大小、爆破方式有关。国内一些学者在这方面做了大量工作，如程康等［2］对爆破振动进行了详细研究，提出了不同坚硬程度岩石的衰减特性;赵竹占等［3］研究了爆破振动引起的震害现象;娄建武［4］研究了爆破地震信号的分形盒维数值分析，从理论上推演了爆破地震波振动强度衰减系数与分形盒维数D 的关系。龙源等［5-6］还进行其他爆破振动研究。笔者［7-8］在几个爆破振动信号监测分析基础上，提出一种基于模糊数学的图像识别技术，采用方格矩阵法计算出振动波形的波形特征值Fzi。该值不仅反应了振动速度大小，同时包含了振动频率变化及持续时间大小以及波形奇异性等诸参量，比采用单一的振速值更能反映振动衰减特性。通过实例计算，波形特征值Fzi与振速值有较好的相关性。

1 测试方法及爆源条件

路堑开挖主要为石英砂岩岩体，呈风化或中风化程度。地貌为山体下有一小型水库、河流及农田。地面上散布民宅和小型企业。为避免爆破振动对民宅及企业的影响，分别在水库边靠近爆源一侧、水库对岸、民宅及企业处布置4 个测点，每点同时布有垂直、径向、切向传感器，测距分别为120、230、340、450 m。布孔42 个，齐发爆破。

2 振速测试结果分析

图1 为实测典型波形。对每道波形读取最大振幅值，计算振速，采用萨道夫斯基公式:

图1 实测典型波形

式(1)中:V±max—振速(cm/s);

Q—单孔装药量(kg);

R—测点到爆源距离(m);

K—与岩石性质、地质条件、爆破方式有关的系数;

α—衰减系数。获得的各测点不同振动方向的衰减关系见图2。从图2 可以看出，振速最大值为1.3 cm/s，而民宅及企业处振速值小于0.1 cm/s，低于规范标准，建筑物是安全的。由于水库的存在，使得水库对岸的振速衰减较快，其衰减指数及衰减系数均大于文献［2］中的数值。其径向速度峰值高于垂直向和切向速度，但衰减较快，切向速度衰减相对慢一些。随距离增大(比例距离减小)，不同方向的振速值非常接近。

图2 振速随比例距离衰减规律

3 采用图像识别技术对波形特征进行判定［9］

许多模式识别，常常归结为几何图像识别。声波波形实际上是一种几何图形。对于此类图形可采用方格矩阵法。首先将波形局限在一个框框内，然后将这个框框分成很多小方格，在每个小方格上按线条出现的清晰程度给予适当隶属度uij，而i、j 是该方格所在的行数和列数。这样构成一个模糊关系矩阵。约定:

uij= 1 表示这一格上线条清晰出现

uij= 0 表示这一格上线条不出现

如图3 所示将波形划分成m ×n 个方格，可得到对应的模糊关系矩阵(图4)，并计算波形特征值Fzi，Fzi表示沿波传播方向i 测点波形特征值。

图中Fzi由下式计算

式(2)中η 表示波形修正系数，由仪器放大系数决定。特征值经无量纲化处理后绘图见图5。由图5 可以看出，径向特征值最大，其次是垂直向，切向特征值最小。但随距离增大，切向值高于垂向和径向特征值。这可能是由于波的持续时间延长所致。

图3 振动波形方格图

图4 波形特征值模糊关系矩阵图

图6 为特征值与振速值相关关系，由图6 可知，其相关系数均在0.98 以上。说明利用波形特征值分析振动特性是可行的。

图5 特征值衰减规律

图6 特征值与振速值相关性

4 结 语

(1)对爆破振动实行监测，获得了振动衰减规律，对于工程施工爆破，保障临近建筑物安全，加快施工进度，保障人身安全取得了满意效果。

(2)通过现场测试分析，地貌特征对振动衰减产生一定影响，水库河流具有降振作用，振速衰减指数大于平整场地。径向和垂直向振动衰减大于切向振动衰减。

(3)采用图像识别技术对波形特征进行分析，所得波形特征值与振速值有较好的相关性，为振动分析提供了一种新方法。

［1]中国工程爆破协会.GB 6722—2011 爆破安全规程［S］.北京:中国标准出版社，2003.

［2]程康，祝文化，王清华. 岩土开挖工程爆破［M］. 武汉:武汉理工大学出版社，2008.

［3]赵竹占，冯治明，张洁. 测振技术在监测爆破震害中的应用［J］.浙江建筑，2005，22(5):70 -71.

［4]娄建武.爆破地震信号的分形盒维数值计算分析［J］. 爆炸与冲击，2004，24(4):363 -368.

［5]龙源，谢全民，钟明寿，等.爆破震动信号预处理分析中趋势项去除方法研究［J］.工程力学，2012，29(10):71 -76.

［6]王维玉，赵拓，孟艳杰.爆破地震作用下CFG 桩复合地基动力特性的数值分析［J］.工程力学，2012，29(增刊1):158 -163.

［7]董承全.应用ABC 工艺处理花山水电站爆破振动的监测与分析［J］.科技创新导报，2009(35):58 -59.

［8]董承全，陈辉，颜胜才. 爆破地震波对隧道影响的测试分析［J］.铁道建筑，2012(10):66 -68.

［9]杨纶标，高英仪.模糊数学原理与应用［M］.2 版.广州:华南理工大学出版社，2002.