变距中夹岩柱隧道振动信号研究

宋永威 单仁亮 黄鹏程 孟驰 张书鹏 赵伟 王梦楠

摘 要 以黑峪隧道改扩建为工程背景，采用小波包研究了爆破振动引起变距中夹岩柱振动信号的频率特性，结果表明：随着爆破次数的增加，各测点的爆心距逐渐增大，各测点三向振动能量逐渐向低频带过度，低频带能量百分比逐渐增大，但能量逐渐减小，3次爆破各测点三向0～93.75Hz范围内能量均高于90%，说明爆破振动信号的能量主要集中在0～93.75区间，其中0～62.5Hz区间最为集中。

关键词 爆破 小波包 能量 频率

中图分类号：U452.2 文献标识码：A

0前言

小波变换的频带划分不均匀，但具有高频和低频的特点，导致高频信号分辨率低。小波包作为多分辨率分析的进一步推广，可以为信号分析提供更精确的方法。它将带多层次划分，没有进一步分解多尺度分割的高频部分，根据自适应信号分析的特点是根据波段选择，它与信号的频谱，从而提高时频分辨率，因此具有广泛的应用价值。一般来说，多分辨分析只分解信号的近似部分。其细节部分保留作为分解结果，不再分解；而小波包分解则对两者同时分解，使得分解序列在整个时域内都具有较高的分辨率且有相同的带宽。

爆破振动信号的小波包分析，是通过Matlab内置小波包编程对信号进行频带多层次划分，小波包多分辨率分析的进一步分解为低频和高频，并根据自适应信号特点选择相应的频带，可以与信号频谱相匹配，从而实现对爆破振动信号的特征提取的目的。

本文以黑峪隧道改扩建为工程背景，研究了中夹岩柱原隧道侧的振动信号的特征规律。

1监测方案

研究对象为K17+718～K17+808段黑峪隧道原隧道，净宽约4.3～6.3m，边墙高约3.4～5.3m。由于原隧道1.5m高处与新建隧道爆破断面中心为同一高程，属等效药量最大处，因此主要监测此高程的爆破振动特征，将振速传感器布置在既有隧道靠近开挖侧的直墙上高1.5m，每隔5m布置一侧点，同时由于原隧道顶部常年风化，因此也对其进行了监测，详见图1，爆破振动测振仪自动存储数据，经处理后对爆破振动信号进行分析。传感器x方向沿隧道进深方向（轴向），传感器y方向垂直于隧道轴线沿水平方向，传感器z方向垂直隧道轴线竖直向上（切向）。由于原隧道已经填埋至K17+760断面，因此不再随着施工进度的进展继续在原隧道内继续布点。

采用爆破测振仪M20对爆破过程实时监测，运用Matlab软件对监测的数据进行小波包分析，得出各测点振动能量，推导振动频率的衰减特性。

2监测结果分析

由图2可知：第1次爆破0～15.625 Hz、15.625～31.25 Hz、31.25～46.875 Hz、46.875～62.5 Hz、62.5～78.125 Hz、78.125～93.75 Hz、93.75～109.375 Hz、109.375～125 Hz、125～140.635 Hz、140.635～500 Hz能量百分比最大值分別为10.77%、58.72%、54.78%、40.52%、32.04%、9.01%、4.2%、1.24%、1%、0.14%，说明爆破振动信号的能量主要集中在0～93.75区间，而0～15.625区间只有6%左右，第2次爆破0～15.625 Hz区间能量百分比最大高达40.63%最小为5.1%，绝大多数都高于10%，第3次爆破0～15.625 Hz区间能量百分比最低为1号测点的4.17%，其他测点最低为12.6%，第4、5、6、7次爆破0～15.625 Hz区间能量百分比主次增加，最大值分别为44.63%、82.85%、60.82%、73.71%，由此可以发现，随着爆破次数的增加，低频段的能量百分比逐渐增大，虽有个别点出现了减小的现象，但总体趋势为逐渐增大。

第1、2、3次爆破1号测点x方向在0～46.875 Hz范围内的爆破能量百分比分别为43.25%、84.25%、89.48%，在0～62.5 Hz范围内的爆破能量百分比分别为68.84%、96.97%、98.91%、，在0～93.75 Hz范围内的爆破能量百分比分别为95.46%、99.09%、99.98%，由此可知第1、2、3次爆破1号测点x方向主要集中在93.75Hz以下，大于100Hz的能量微乎其微，甚至不足1%，只有极个别点能量大于1%，但也没有超过5%。同理可得其他各测点振动能量也在100Hz以下。且主要集中在0～62.5 Hz区间。

3结语

随着爆破次数的增加（掘进深度增加），各测点与爆源的距离（爆心距）增加，各测点的振动频率逐渐降低，主振频带逐渐向低频带过度，低频带的能量百分比逐渐增大，3次爆破各测点三向0～93.75Hz范围内能量均高于90%，说明爆破振动信号的能量主要集中在0～93.75区间，其中0～62.5Hz区间最为集中。

作者简介；宋永威 （1991-） 男，河南省许昌市人，博士研究生，岩土工程。

参考文献

[1] 陆菜平，窦林名，吴兴荣等.岩体微震监测的频谱分析与信号识别[J].岩土工程学报， 2005， 27（07）：772-775.

[2] 言志信，王后裕.爆破地震效应及安全[M].科学出版社，2011：46-48.

[3] 张德丰. MATLAB小波分析[M].北京：机械工业出版社，2009.