董承全，孟軍濤，顏勝才

DONG Chengquan，MENG Juntao，YAN Shengcai

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

在高速鐵路及高速公路修建過(guò)程中，常會(huì)遇到路塹開(kāi)挖爆破。盡管施工人員盡量采用控制爆破方法以期減小振動(dòng)產(chǎn)生的不利影響。但振動(dòng)造成建筑物損壞的現(xiàn)象仍有發(fā)生。根據(jù)有關(guān)爆破安全規(guī)程［1］，需對(duì)臨近建筑物進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，使其振動(dòng)速度控制在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。爆破振動(dòng)傳播衰減過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。其振動(dòng)速度、頻率、持續(xù)時(shí)間，以及波在傳播過(guò)程中因地質(zhì)地貌特征變化引起波的反射、折射疊加造成的波形奇異特征等參量，與傳播距離、傳遞介質(zhì)、藥量大小、爆破方式有關(guān)。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者在這方面做了大量工作，如程康等［2］對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，提出了不同堅(jiān)硬程度巖石的衰減特性;趙竹占等［3］研究了爆破振動(dòng)引起的震害現(xiàn)象;婁建武［4］研究了爆破地震信號(hào)的分形盒維數(shù)值分析，從理論上推演了爆破地震波振動(dòng)強(qiáng)度衰減系數(shù)與分形盒維數(shù)D 的關(guān)系。龍?jiān)吹龋?-6］還進(jìn)行其他爆破振動(dòng)研究。筆者［7-8］在幾個(gè)爆破振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)分析基礎(chǔ)上，提出一種基于模糊數(shù)學(xué)的圖像識(shí)別技術(shù)，采用方格矩陣法計(jì)算出振動(dòng)波形的波形特征值Fzi。該值不僅反應(yīng)了振動(dòng)速度大小，同時(shí)包含了振動(dòng)頻率變化及持續(xù)時(shí)間大小以及波形奇異性等諸參量，比采用單一的振速值更能反映振動(dòng)衰減特性。通過(guò)實(shí)例計(jì)算，波形特征值Fzi與振速值有較好的相關(guān)性。

1 測(cè)試方法及爆源條件

路塹開(kāi)挖主要為石英砂巖巖體，呈風(fēng)化或中風(fēng)化程度。地貌為山體下有一小型水庫(kù)、河流及農(nóng)田。地面上散布民宅和小型企業(yè)。為避免爆破振動(dòng)對(duì)民宅及企業(yè)的影響，分別在水庫(kù)邊靠近爆源一側(cè)、水庫(kù)對(duì)岸、民宅及企業(yè)處布置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每點(diǎn)同時(shí)布有垂直、徑向、切向傳感器，測(cè)距分別為120、230、340、450 m。布孔42 個(gè)，齊發(fā)爆破。

2 振速測(cè)試結(jié)果分析

圖1 為實(shí)測(cè)典型波形。對(duì)每道波形讀取最大振幅值，計(jì)算振速，采用薩道夫斯基公式:

圖1 實(shí)測(cè)典型波形

式(1)中:V±m(xù)ax—振速(cm/s);

Q—單孔裝藥量(kg);

R—測(cè)點(diǎn)到爆源距離(m);

K—與巖石性質(zhì)、地質(zhì)條件、爆破方式有關(guān)的系數(shù);

α—衰減系數(shù)。獲得的各測(cè)點(diǎn)不同振動(dòng)方向的衰減關(guān)系見(jiàn)圖2。從圖2 可以看出，振速最大值為1.3 cm/s，而民宅及企業(yè)處振速值小于0.1 cm/s，低于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，建筑物是安全的。由于水庫(kù)的存在，使得水庫(kù)對(duì)岸的振速衰減較快，其衰減指數(shù)及衰減系數(shù)均大于文獻(xiàn)［2］中的數(shù)值。其徑向速度峰值高于垂直向和切向速度，但衰減較快，切向速度衰減相對(duì)慢一些。隨距離增大(比例距離減小)，不同方向的振速值非常接近。

圖2 振速隨比例距離衰減規(guī)律

3 采用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)波形特征進(jìn)行判定［9］

許多模式識(shí)別，常常歸結(jié)為幾何圖像識(shí)別。聲波波形實(shí)際上是一種幾何圖形。對(duì)于此類圖形可采用方格矩陣法。首先將波形局限在一個(gè)框框內(nèi)，然后將這個(gè)框框分成很多小方格，在每個(gè)小方格上按線條出現(xiàn)的清晰程度給予適當(dāng)隸屬度uij，而i、j 是該方格所在的行數(shù)和列數(shù)。這樣構(gòu)成一個(gè)模糊關(guān)系矩陣。約定:

uij= 1 表示這一格上線條清晰出現(xiàn)

uij= 0 表示這一格上線條不出現(xiàn)

如圖3 所示將波形劃分成m ×n 個(gè)方格，可得到對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣(圖4)，并計(jì)算波形特征值Fzi，F(xiàn)zi表示沿波傳播方向i 測(cè)點(diǎn)波形特征值。

圖中Fzi由下式計(jì)算

式(2)中η 表示波形修正系數(shù)，由儀器放大系數(shù)決定。特征值經(jīng)無(wú)量綱化處理后繪圖見(jiàn)圖5。由圖5 可以看出，徑向特征值最大，其次是垂直向，切向特征值最小。但隨距離增大，切向值高于垂向和徑向特征值。這可能是由于波的持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)所致。

圖3 振動(dòng)波形方格圖

圖4 波形特征值模糊關(guān)系矩陣圖

圖6 為特征值與振速值相關(guān)關(guān)系，由圖6 可知，其相關(guān)系數(shù)均在0.98 以上。說(shuō)明利用波形特征值分析振動(dòng)特性是可行的。

圖5 特征值衰減規(guī)律

圖6 特征值與振速值相關(guān)性

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)對(duì)爆破振動(dòng)實(shí)行監(jiān)測(cè)，獲得了振動(dòng)衰減規(guī)律，對(duì)于工程施工爆破，保障臨近建筑物安全，加快施工進(jìn)度，保障人身安全取得了滿意效果。

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，地貌特征對(duì)振動(dòng)衰減產(chǎn)生一定影響，水庫(kù)河流具有降振作用，振速衰減指數(shù)大于平整場(chǎng)地。徑向和垂直向振動(dòng)衰減大于切向振動(dòng)衰減。

(3)采用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)波形特征進(jìn)行分析，所得波形特征值與振速值有較好的相關(guān)性，為振動(dòng)分析提供了一種新方法。

［1]中國(guó)工程爆破協(xié)會(huì).GB 6722—2011 爆破安全規(guī)程［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［2]程康，祝文化，王清華. 巖土開(kāi)挖工程爆破［M］. 武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2008.

［3]趙竹占，馮治明，張潔. 測(cè)振技術(shù)在監(jiān)測(cè)爆破震害中的應(yīng)用［J］.浙江建筑，2005，22(5):70 -71.

［4]婁建武.爆破地震信號(hào)的分形盒維數(shù)值計(jì)算分析［J］. 爆炸與沖擊，2004，24(4):363 -368.

［5]龍?jiān)?，謝全民，鐘明壽，等.爆破震動(dòng)信號(hào)預(yù)處理分析中趨勢(shì)項(xiàng)去除方法研究［J］.工程力學(xué)，2012，29(10):71 -76.

［6]王維玉，趙拓，孟艷杰.爆破地震作用下CFG 樁復(fù)合地基動(dòng)力特性的數(shù)值分析［J］.工程力學(xué)，2012，29(增刊1):158 -163.

［7]董承全.應(yīng)用ABC 工藝處理花山水電站爆破振動(dòng)的監(jiān)測(cè)與分析［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009(35):58 -59.

［8]董承全，陳輝，顏勝才. 爆破地震波對(duì)隧道影響的測(cè)試分析［J］.鐵道建筑，2012(10):66 -68.

［9]楊綸標(biāo)，高英儀.模糊數(shù)學(xué)原理與應(yīng)用［M］.2 版.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2002.