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爆破工程在邊坡開挖施工中的應(yīng)用越來越普遍，邊坡巖體由于結(jié)構(gòu)面的存在導(dǎo)致爆破地震波的傳播受到顯著影響。本文依托仁遵9標(biāo)高速公路建設(shè)中的含結(jié)構(gòu)面邊坡爆破開挖工程，探究邊坡爆破開挖時巖體結(jié)構(gòu)面對爆破地震波傳播規(guī)律和爆破振動信號頻譜特征的影響。爆破地震波在傳播到不同介質(zhì)的邊界面時就會發(fā)生透射和反射，導(dǎo)致爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的傳播特性和頻譜特征發(fā)生改變。根據(jù)爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的傳播特征，分析相關(guān)的振動控制標(biāo)準(zhǔn)。本文研究結(jié)果為仁遵9標(biāo)工程建設(shè)提供相關(guān)理論依據(jù)，保障施工的安全性以及提高施工效率。爆破工程的應(yīng)用范圍十分廣泛，在交通行業(yè)建設(shè)過程中，爆破工程的占比越來越重，特別是邊坡開挖時采用爆破工程是十分常見的開挖方式。仁懷至遵義高速RZTJ-9標(biāo)段（簡稱：仁遵9標(biāo)）建設(shè)項目屬于國家高速公路建設(shè)，連通成都和貴州遵義兩個城市，仁遵9標(biāo)高速公路建設(shè)過程中邊坡開挖大多數(shù)采用爆破的方式進行，且邊坡巖體含有大量結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的存在對爆破地震波的傳播規(guī)律存在顯著影響。因此，探究巖體結(jié)構(gòu)面對邊坡爆破的影響對工程建設(shè)起到關(guān)鍵性的指導(dǎo)作用。邊坡巖體中結(jié)構(gòu)面的存在首先會導(dǎo)致巖體力學(xué)強度大幅降低，其次在爆破過程中結(jié)構(gòu)面的存在會阻礙爆破地震波的傳播，加劇爆破地震波在巖體中的傳播衰減速率，同時還造成爆破地震波能量的大幅衰減。爆破地震波在巖體中的傳播遇到結(jié)構(gòu)面后會發(fā)生透射和反射，其中影響爆破地震波的透射和反射特性的主要因素是巖體和結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)面的幾何尺寸以及爆破地震波的波長等因素也會影響地震波的透射和反射性能。爆破地震波在穿越巖體結(jié)構(gòu)面時，巖體受到的沖擊能量會被大幅衰減，巖體受到的爆破振動信號頻譜特性也會隨之改變。孫鵬昌等人結(jié)合實際邊坡工程爆破開挖案例，對實際監(jiān)測得到的爆破振動數(shù)據(jù)進行分析，并采用有限元軟件進行模擬驗證，從振動信號的幅值和頻率兩個方面對爆破開挖振動響應(yīng)進行研究。王子明等人采用小波變換和希爾伯特-黃變換（HHT）的方法對洞室爆破振動信號中行業(yè)曲線可替代度影響力可實現(xiàn)度行業(yè)關(guān)聯(lián)度真實度攜帶的能量分布及爆破段數(shù)對能量分布的影響進行研究。許紅濤等人研究了爆破地震波和邊坡巖體結(jié)構(gòu)面之間的相互關(guān)系，主要采用Kelvin黏彈性計算模型，得到了爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的透射和反射表達式，對結(jié)構(gòu)面處爆破能量的衰減和耗散規(guī)律進行了分析。宋全杰等人研究爆破監(jiān)測點的位置與巖層層理走向的相對位置關(guān)系對爆破地震波傳播的影響規(guī)律，主要考慮爆破監(jiān)測點連線與巖層層理走向的夾角大小，研究結(jié)果表明：垂直于巖層走向的爆破地震波傳播衰減最塊，斜交于巖層走向的衰減次之，平行于巖層走向的爆破地震波傳播衰減最小。邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的存在不僅會造成爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處傳播規(guī)律的急劇變化，還會導(dǎo)致爆破振動信號頻譜特性的改變。本文依托仁遵9標(biāo)高速公路建設(shè)項目，探究邊坡爆破開挖時巖體結(jié)構(gòu)面對爆破地震波傳播規(guī)律和爆破振動信號頻譜特征的影響。

一、工程概況

仁懷至遵義高速RZTJ-9標(biāo)段屬于成都至遵義國家高速公路，對國家和地方的交通建設(shè)有較大的指導(dǎo)作用，土建起訖樁號為K37+800-YK45+020、K37+800-ZK45+017.741，路線長7.22km。土建施工屬地位于貴州省遵義市紅花崗區(qū)，起點為56m段路基接青杠山2號橋隸屬黃鐘村，沿印把山大橋、黃鐘村大橋、松林互通、穿殷家寨設(shè)置殷家寨大橋，金鼎山服務(wù)區(qū)，終點隸屬蓮池村村設(shè)龍?zhí)翜洗髽蚪?7m段路基與10標(biāo)相連。仁遵9標(biāo)建設(shè)項目區(qū)域?qū)儆谇治g低中山，相對高差100～530m，地形起伏較大，邊坡巖體較破碎，境內(nèi)發(fā)育河谷溪溝，對項目區(qū)的切割作用十分強烈，導(dǎo)致兩側(cè)邊坡坡度較陡，坡面巖體破碎，工程建設(shè)難度較大。

二、爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的傳播分析

1爆破地震波的傳播特性

邊坡爆破開挖過程中炸藥的作用主要是產(chǎn)生爆炸力并導(dǎo)致巖體周圍的介質(zhì)產(chǎn)生擾動，這種擾動作用在介質(zhì)中的傳播就形成了波。爆破作用產(chǎn)生的波稱為爆破地震波，其性質(zhì)屬于彈性波。爆破地震波在邊坡巖體中的傳播會產(chǎn)生爆破能量，主要是爆炸后質(zhì)點發(fā)生運動的動能以及質(zhì)點產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能。邊坡爆破產(chǎn)生的爆炸能少部分破碎巖體，大部分能量以爆破地震波的形式對邊坡巖體產(chǎn)生影響，爆破地震波攜帶能量的傳播方式主要依靠爆炸后質(zhì)點的運動進行的。巖體介質(zhì)都具有阻尼作用，由于阻尼作用的存在導(dǎo)致隨著爆源距離的增大，巖體介質(zhì)的阻尼作用更加明顯，爆破地震波的能量被衰減得越多。爆破地震波的產(chǎn)生和傳播本身就是一個極其復(fù)雜的過程，當(dāng)邊坡巖體存在結(jié)構(gòu)面時，這個過程變得更加復(fù)雜。首先，邊坡巖體是各向異性的，由于巖體的這個性質(zhì)便導(dǎo)致爆破地震波的傳播具有很大的差異性，不是一個完整、均勻的過程。其次，巖體結(jié)構(gòu)面的存在導(dǎo)致巖體介質(zhì)變得不均勻，有其他的填充物質(zhì)，爆破地震波在傳播到不同介質(zhì)的邊界面時就會發(fā)生透射和反射。邊坡爆破開挖時，主要考慮爆破振動速度來衡量邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，針對含結(jié)構(gòu)面的邊坡具體監(jiān)測點處的振動速度主要還是受到爆心距的影響。由于邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的存在，爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處會出現(xiàn)反射疊加作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面處的爆破振動速度出現(xiàn)獨特的變化，會產(chǎn)生突然上升然后減小的獨特現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)面的厚度也會影響邊坡的爆破振動速度，巖體結(jié)構(gòu)面的厚度越厚，邊坡在爆破作用下產(chǎn)生的振動速度也越大。結(jié)構(gòu)面的傾角和產(chǎn)狀也會影響爆破振動速度，這是由于結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀不同，會形成很多的不同介質(zhì)邊界面，導(dǎo)致爆破地震波在這幾個邊界面處不斷地被反射和折射，使得爆破地震波不斷被疊加，最終造成邊坡的爆破振動速度變大。結(jié)構(gòu)面的填充介質(zhì)不同也會造成邊坡振動速度有差異，結(jié)構(gòu)面填充介質(zhì)的材料參數(shù)性能越差，爆破地震波在傳播時受到的反射作用就越強烈，導(dǎo)致邊坡的振動速度峰值就越大，通過相關(guān)實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬驗證，得到巖體結(jié)構(gòu)面填充介質(zhì)對邊坡爆破振動速度的影響規(guī)律，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)面的振動峰值速度最大，其次的碎屑結(jié)構(gòu)面，膠結(jié)結(jié)構(gòu)面的振動峰值速度最小。

2數(shù)值模擬分析

羅聰依托白鶴灘邊坡爆破開挖工程案例，利用LS-DYNA有限元軟件建立了含結(jié)構(gòu)面邊坡數(shù)值模型，主要研究了不同結(jié)構(gòu)面傾角對邊坡爆破開挖的影響。邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)和完整巖體的力學(xué)參數(shù)差異很大，當(dāng)爆破地震波傳播到巖體結(jié)構(gòu)面處時，爆破地震波會產(chǎn)生多次的折射和反射拉伸效應(yīng)，最終在巖體結(jié)構(gòu)面處產(chǎn)生層裂效應(yīng)，層裂效應(yīng)的存在就導(dǎo)致了巖體結(jié)構(gòu)面的損傷發(fā)生。根據(jù)軟件得到的損傷云圖，在相同的監(jiān)測點位置處即離爆源位置的距離相同處，結(jié)構(gòu)面已經(jīng)產(chǎn)生了損傷，其余完整巖體位置還沒有產(chǎn)生損傷，這就印證了結(jié)構(gòu)面的存在會在該位置產(chǎn)生累積的拉伸作用，從而形成層裂效應(yīng)。由損傷云圖可以看出在相同部位，在距離爆源相同距離的位置處，結(jié)構(gòu)面發(fā)生了損傷，而非結(jié)構(gòu)面處沒有發(fā)生損傷，說明結(jié)構(gòu)面處由于反復(fù)拉伸作用，發(fā)生了層裂效應(yīng)。根據(jù)LS-DYNA軟件得到的巖體結(jié)構(gòu)面損傷云圖可以知道，爆破地震波在邊坡巖體中傳播時遇到巖體結(jié)構(gòu)面會發(fā)生衰減，其衰減和損傷程度的影響因素較多，主要受到爆源距離和結(jié)構(gòu)面本身性質(zhì)的顯著影響。結(jié)構(gòu)面的傾角大小對結(jié)構(gòu)面的損傷程度也有影響，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角越來越緩時，明顯看出結(jié)構(gòu)面的損傷程度逐漸增大。同時，結(jié)構(gòu)面傾角還會影響結(jié)構(gòu)面發(fā)生損傷的位置，結(jié)構(gòu)面傾角越緩時結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生損傷的位置一般處于離爆源較近的位置，結(jié)構(gòu)面傾角越陡產(chǎn)生損傷的位置于爆源距離相關(guān)性不明顯。這是由于結(jié)構(gòu)面傾角越緩，結(jié)構(gòu)面發(fā)生損傷時損傷部位的最大拉應(yīng)力越大，導(dǎo)致其損傷程度越來越大。

三、爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的振動分析

1振動速度和振動頻譜分析

爆破地震波在傳播至巖體結(jié)構(gòu)面處時，其攜帶的能量衰減規(guī)律主要和結(jié)構(gòu)面填充介質(zhì)的阻尼和爆破地震波本身的頻譜成分相關(guān)。爆破地震波頻率主要分為高頻成分和低頻成分兩部分，其中高頻成分的爆破地震波受到結(jié)構(gòu)面填充介質(zhì)的阻尼效應(yīng)較明顯，導(dǎo)致高頻成分的爆破地震波的能量被結(jié)構(gòu)面填充介質(zhì)大幅吸收，最后使得高頻成分的爆破地震波衰減速率變慢。爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的振動主要分析振動速度和振動頻譜兩個方面。邊坡巖體是否含有結(jié)構(gòu)面其爆破振動速度主要受到爆心距的影響，并且都會隨著測點高程的變化，各個方向的爆破振動速度都呈現(xiàn)衰減的趨勢。但是，在含有巖體結(jié)構(gòu)面的邊坡中，爆破地震波的傳播在結(jié)構(gòu)面處會出現(xiàn)特殊現(xiàn)象，這是由于結(jié)構(gòu)面處爆破地震波被多次反復(fù)反射，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)面位置處爆破振動速度出現(xiàn)突然上升然后減小的現(xiàn)象。多條巖體結(jié)構(gòu)面的傾角不同，導(dǎo)致爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的反射和折射現(xiàn)象被加強，使得邊坡爆破振動速度更加顯著。結(jié)構(gòu)面的充填介質(zhì)材料的性能越差，也會導(dǎo)致爆破地震波的反射和吸收作用變得越劇烈，導(dǎo)致邊坡爆破振動越明顯。根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析和相關(guān)數(shù)值模擬驗證得到不同的結(jié)構(gòu)面填充介質(zhì)材料類型對邊坡振動速度的影響效果有一定規(guī)律，含泥質(zhì)結(jié)構(gòu)面的邊坡其爆破振動速度最大，含碎屑結(jié)構(gòu)面邊坡次之，含膠結(jié)結(jié)構(gòu)面邊坡的爆破振動速度最小。爆破振動信號的頻譜特征主要分析爆破信號的視主頻，視主頻是指爆破振動過程中振動幅值的峰值對應(yīng)的半波頻率。在含結(jié)構(gòu)面邊坡爆破過程中，視主頻隨水平爆心距和高程的變化而變化，總體呈現(xiàn)衰減的趨勢。視主頻主要反映了爆破信號的頻率特征，與爆破時間沒有太大聯(lián)系，導(dǎo)致不能反映出爆破信號的時頻特征，僅考慮視主頻來反映爆破信號的頻譜特征較不合理。因此，采用希爾伯特-黃變換（HHT）的方法對爆破信號進行時頻分析，能夠彌補只考慮視主頻單一因素的不足。HHT方法主要分為兩個部分：一是進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD），二是進行希爾伯特變換。EMD是將輸入的爆破信號進行提取固有模態(tài)函數(shù)（IMF），先求解每個IMF分量的頻譜特征，再將每一個IMF分量進行希爾伯特變換，得到每一段IMF最終的信號特征，最后綜合各個IMF的頻譜特征就得到了整段爆破信號的頻譜特性，從而獲得輸入爆破信號的時頻特征，這樣就可以彌補視主頻不能得到時頻信息的缺陷。

2爆破振動控制

爆破振動控制主要從以下兩個方面進行控制：控制爆破振動速度和控制爆破振動主振頻率。首先分析各個因素包括爆破本身因素和巖體性質(zhì)因素和爆破振動的聯(lián)系，得到各自的影響方式，然后再進行爆破控制標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)控制爆破振動速度時，主要考慮控制爆心距和最大段裝藥量兩個因素；在考慮控制爆破振動主振頻率時，主要從爆心距和巖石完整性系數(shù)兩個方面著手來控制?？傮w來說，爆破控制主要從產(chǎn)生爆破振動能量的源頭和爆破地震波的傳播兩個方面進行控制，才能有效降低爆破振動對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。

四、結(jié)語

本文依托仁懷至遵義高速第RZTJ-9合同段（貴州段）含結(jié)構(gòu)面邊坡爆破開挖工程，主要探究邊坡爆破開挖時巖體結(jié)構(gòu)面對爆破地震波傳播規(guī)律和爆破振動信號頻譜特征的影響。由于巖體結(jié)構(gòu)面的存在爆破地震波的傳播受到顯著影響，導(dǎo)致爆破振動速度和振動頻譜發(fā)生顯著改變。爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的透射和發(fā)射是導(dǎo)致其產(chǎn)生層裂效應(yīng)的主要原因，結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)和物質(zhì)組成導(dǎo)致了爆破地震波的頻譜特征存在顯著差異。本文的研究對仁遵9標(biāo)含結(jié)構(gòu)面邊坡爆破施工具有實際指導(dǎo)意義，能夠為實際工程施工提供參考。

作者:畢鵬飛 申寶穩(wěn) 單位:中交路橋建設(shè)有限公司