基于小波分析的黑岱沟露天煤矿爆破振动对邻近桥涵的影响研究

颜 杰

（准能集团黑岱沟露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

黑岱沟露天煤矿目前采用抛掷爆破技术进行开采，爆破抛掷区附近有1 座新建桥涵，桥涵上部为运土车道，下部2 个涵洞的主要作用是供车辆横穿桥涵。桥涵的洞身由钢筋混凝土材质的箱形管节修建，桥涵距离北区爆源的最近仅100 m 左右，爆区在推进过程中距离桥涵越来越近，故每次抛掷爆破形成的爆破震动对桥涵产生一定的影响。

针对爆破振动对建筑物结构的影响，许多专家学者展开大量研究。叶海旺[1-2]等人根据大量的实测数据，分析了爆破振动主频与结构动力响应的关系；夏详[3]对国内外相关安全判据做了大量研究，指出要同时考虑爆破振速峰值和振动主频；李的林[4-5]等人在分析爆破振动安全时，发现有必要同时考虑峰值振速和振动主频2 个指标；周传波[6-7]等研究了在爆破地震害中振动频率的作用及其影响因素，研究表明频率在爆破震害中起重要作用，爆炸能量、起爆段数、距离以及传播介质对爆破振动频率皆有影响，当传播介质越松散，并且监测点距离爆源越远的情况下，监测位置的振动频率越低，由于建筑物的固有频率也比较低，则振动频率与固有频率比较相近，在很大程度上会使建筑物发生共振。

因此，为了确保该桥涵在爆破振动中的安全性，对该桥涵进行振动监测[8]，研究抛掷爆破地震波对桥涵结构影响规律，为安全爆破作业提供依据，进而达到对桥涵爆破震害的有效控制。

1 工程概况

黑岱沟露天煤矿是我国自行设计、自行施工的特大型露天煤矿，隶属于神华准能集团。位于准格尔煤田中部，上部黄土层的厚度平均为49 m，下部煤层的平均厚度为28.8 m，矿区面积大概为30 km2，主要采用深孔台阶爆破。上层覆盖黄土的厚度约为10～40 m，主要成分为砂岩、页岩等，上覆层发育的结理与裂隙，丘陵山区地貌。

爆破抛掷区的南面为空旷场地，目前尚未进行抛掷爆破，为天然地貌；北面为新建3#、4#破碎站桥涵，即本文所研究建筑物，该桥涵主体结构为钢筋混凝土结构，左右两侧挡墙根据高度不同采用钢筋混凝土扶壁式及悬臂式挡墙；基础垫层采用C15 混凝土，基础及上部结构采用C40 混凝土；东面为待开采的空旷场地；西面为已抛掷爆破矿区，在西面的矿区里有轮斗挖掘系统、电铲、吊斗铲、型胶轮式推土机、履带式推土机、装载机等设备。

2 测点区爆破振动对桥涵影响研究

2.1 抛掷爆破参数和现场测试方案及监测数据

爆破振动测试主要针对北2 次、北4 次、北6次、北8 次4 次抛掷爆破，爆破设计参数见表1。

表1 爆破设计参数

为研究爆破振动对桥涵的影响，在桥涵周围布设振动监测点，每个测点的x 方向均指向爆源，y方向指向测点与爆源的垂直方向，z 向为竖直方向，爆破监测测点布置图如图1。

图1 抛掷爆破测点布置图

2018 年3 月— 2018 年12 月在黑岱沟露天煤矿北区共进行了4 次抛掷爆破，除去一些测点由于各方面的原因造成的数据误差较大无法使用外，共测得有效数据32 组，北区部分抛掷爆破振速监测数据见表2。

表2 北区部分抛掷爆破振速监测数据

2.2 桥涵基础三分量振动分析

在北区进行的4 次爆破振动监测中，共获取共16 组桥涵底部数据（测点1～测点4），对16 组进行分析，以研究桥涵基础振动规律，分别为北2 次、北4 次、北6 次、北8 次爆破桥涵底部测点3 分量振速折线图如图2～图5。

图2 北2 次爆破桥涵底部3 分量振速图

图3 北4 次爆破桥涵底部3 分量振速图

图4 北6 次爆破桥涵底部3 分量振速图

图5 北8 次爆破桥涵底部3 分量振速图

为准确分析得到单段最大药量对3 分量振速的影响，选取爆心距相同的测点进行对比分析，所选测点为北2 次、北4 次、北6 次3 次爆破的1#测点及北8 次的2#测点，北区爆破爆心距相同4 组测点3分量振速折线图如图6。

图6 北区爆破爆心距相同4 组测点3 分量振速折线图

由图3～图5 可得，在同一爆次中，对于桥涵基础的各测点3 个方向的振速与测点的爆心距的大小成反比，随着爆心距的增大，3 个方向的振速变小，各个测点的方向振速V水平径向＞V垂向＞V水平切向。根据爆破振动安全规程[9]对交通隧洞安全允许标准规定，所测振动速度均小于12 cm/s，因此各次爆破作用下，新建桥涵是安全的。此外，由图6 可以得出，爆心距相同的前提下，随着单段药量的增大，3 分量振速都增大，且根据折线图可以看出振速3 分量增大的规律一致，即爆心距相同时，振动速度与单段最大药量成正比。

2.3 桥涵结构响应分析

为探究桥涵基础和顶部的质点峰值振速的规律，研究桥涵结构振动响应，引入速度放大率α，以α 作为评判基础和顶部峰值振速的参数指标。

式中：α 为同一爆次中，顶部质点相对于底部测点的放大程度；Vdy为同一爆次中，相同距离条件下，桥涵顶部的质点振速峰值，m/s；Vdi为同一爆次中，相同距离条件下，桥涵底部的质点振速峰值，m/s。

当北6 次和北8 次进行爆破时，分别对相同距离的测点进行3 分量的速度放大率计算，桥涵顶部和底部测点3 分量速度放大率见表3。

表3 桥涵顶部和底部测点3 分量速度放大率表

由表3，可得在高程对于3 分量振速的放大效应中，水平径向和水平切向的放大率要明显高于垂向振速放大率。在同一爆次中，对于桥涵底部的测点，测点3 个方向的振速与测点的爆心距的大小成反比，随着爆心距的增大，3 方向振速变小，在桥涵底部的各个测点的方向振速V水平径向＞V垂向＞V水平切向。高程差越大，测点的高程放大效应越明显。并且在高程对于三分量振速的放大效应中，水平径向和水平切向的放大率要明显高于垂向振速放大率。

2.4 桥涵振动信号频率及能量分析

为准确获悉爆破振动对桥涵的影响，以小波作为分析研究方法，从频率及能量2 个方面同时进行分析。同时，利用MATLAB 对具有相同爆心距的北2次爆破振动1#测点、北4 次爆破1#测点、北6 次爆破1#测点、北8 次爆破2#测点的振动监测数据进行分析，北2 次、北4 次、北6 次、北8 次各频带能量分布图如图7～图10。由图7～图10 计算结果，将4 测点信号频段与能量关系绘制成折线图，4#测点各频带能量折线图如图11。

图7 北2 次爆破各频带能量分布图

图8 北4 次爆破各频带能量分布图

图9 北6 次爆破各频带能量分布图

图10 北8 次爆破各频带能量分布图

图11 4#测点各频带能量折线图

根据图7～图11 可以得出，北2 次爆破、北8次、北6 次、北4 次爆破测点的最大能量分别出现在D2 频段、D3 频段、D4 频段，即随着最大单段药量的减小，最大能量所出现的频段逐渐从低频频段增大到高频频段。例如：北2 次爆破时，最大能量频段所占能量达到58.74%；北8 次爆破时，最大能量频段所占能量达到44.43%；北6 次爆破时，最大能量频段所占能量达到37.63%；北4 次爆破时，最大能量频段所占能量达到29.06%。

分析表明在测点离爆源的距离大致相同的前提下，频带能量最大值所占比例随着单段最大药量减小而减小，频带能量随着最大单段药量的减小而趋于平均化。由于桥涵的振动频率较低，因此在实际工程爆破中应严格控制单段药量，以减少低频段地震波的能量。

同理，为准确获悉相同药量不同爆心距监测振动信号频带能量变化规律，选取北6 次爆破振动1#测点、2#测点、3#测点、4#测点的振动监测信号绘制能量百分比折线图，最大段药量相同4 组信号各频段能量百分比折线图如图12。

图12 最大段药量相同4 组信号各频段能量百分比折线图

由数据分析可知：大部分优势能量大部分集中于4～30 Hz 频段，同时能量的最大值一般出现在主频率所在的频段。此外，从爆心距不同的质点的能量分布中可以看出，1#测点的爆心距最小，频率相对单一，最大能量出现在D2 频段，占比达到58.74%；4#测点的爆心距最大，频率相对分布均匀，最大能量出现在D2 频段，占比达到37.00%。

综上所述，随着爆心距的增大，最大能量占比变小，爆破振动能量频带分布趋于均匀。

4 结语

桥涵基础爆破振动速度与爆心距成反比，与单段药量成正比。基于相同平面位置的测点，桥涵上方测点振速高于桥涵基础振速，即存在高程放大效应，放大率与高程差成正比。黑岱沟露天煤矿爆破振动主频在3～30 Hz 之间，爆破地震波低频带所携带能量随着爆心距的增加而减少，随着单段药量的增加低频爆破地震波所占能量增加，因此爆破距离桥涵较近时应严格控制单段起爆药量。