城市地铁钻爆法修建过程中,由于岩体开挖的位置距地面较近,对爆破振动控制严格。电子雷管的使用使精确微差延期成为现实。越来越多的地铁爆破施工采用电子雷管起爆技术,电子雷管爆破在改善岩石破碎效果、减小爆破振动强度方面有着无可比拟的优势。目前爆破工程界还未建立微差延期间隔与岩石破碎和振动控制效果间的理论关系,现场施工更多依靠经验和多次试验确定电子雷管延期时间,对地铁隧道精确延时的爆破振动控制进行深入研究已迫在眉睫。本文依托国家自然科学基金“围压环境爆破荷载作用下地下结构累积损伤动力响应特性研究(51374212)”,以北京地铁、深圳地铁等地铁隧道钻爆法施工为工程背景,对地铁隧道精确延时爆破振动控制进行了深入研究分析。采用理论计算、现场试验和数值计算等方法,从改善岩石破碎效果、减小爆破振动强度两方面探讨了精确延时的合理孔间延期和段间延期时间,分析了地铁隧道爆破对邻近隧道结构和地面建筑的影响,研究内容主要有以下几个方面:(1)基于已有的HHT方法在爆破信号分析方面的不足,提出了相应的改进措施。通过计算分解时间、不同迭代次数的过度极值和对不同分解次数得到的各IMF分量与原始分量的相关系数的计算结果,得到了CEEMD的合理的集总平均次数为200—300次。提出了数据内部端点极值点的确定、数据外部非平稳信号向平稳信号过渡阶段的数据扩展和过渡段向平稳信号延拓的数据延拓“过渡段—平稳段”的信号端点处理方法。将提出的端点处理方法嵌入CEEMD中,对仿真信号和实际信号的分解结果表明,该方法保留了原始信号在端点处的延伸趋势,减小了迭代次数和由高频间歇噪声等造成的信号突变形成的包络线“欠冲”和“过冲”,剔除延拓的数据能保证原始数据不受到端点波动的影响。(2)将解相关算法嵌入CEEMD分解中,采用本文提出的端点处理方法、解相关算法和CEEMD方法的信号联合处理方式,能有效的抑制信号模态混叠现象,避免虚假分量带来的能量损失。仿真信号的计算结果表明,该方法分解精度比EMD和CEEMD高,处理信号内模态混叠和虚假分量的效果较好,通过多次迭代计算可以得到较好的分解效果;同时基本保证了实际信号中每个IMF内非主频率信号的能量比例较低。(3)现场试验结果表明:隧道埋深较大时,由于高频波被大量吸收,信号主频较低,主频随距离的变化改变量较小,很难通过设置电子雷管的微差间隔提高爆破主频。此时需通过降低单孔及最大单段药量来控制爆破振动强度。采用三排掏槽孔进行爆破施工,从减振效果和提高掘进速率两方面均较双排掏槽有着明显的提升。孔间微差的设置要综合考虑降低爆破振动和提高爆破效果两方面因素。选择掏槽孔延期间隔为2ms,其它类型炮孔微差间隔为4ms,在保证爆破振速不超标的前提下,加强了围岩的破碎效果,减少了机械二次破碎岩石几率。邻近隧道迎爆侧振动强度远大于背爆侧,由于上台阶开挖出的临空面效应,使下台阶整体上爆破振动速度小于上台阶爆破。隧道迎爆侧在掌子面前后1d范围内振动强度较大,隧道内爆破主频分布在30—90hz之间,不会引起邻近隧道结构的共振,结构的损伤主要受振动速度的影响。提出了“速度—频率—能量”的安全判定标准,将信号中小于20hz的能量比例加入原有安全允许标准中,新提出的标准较以往的安全标准更全面。(4)从爆破振动三要素和能量的角度分析了电子雷管和非电子雷管在爆破振动控制和改善爆破效果的差异,在隧道截面面积、炮孔布置形式和炮孔数量整体上基本相同的情况下,电子雷管可以实现逐孔起爆,爆破振动强度较普通毫秒延期雷管有大幅度的下降,并能增加单次爆破进尺。采用线性叠加法构造不同延期时间下的爆破叠加应力波形,当延期时间在波形主振半周期范围内,叠加峰值振速明显减小,振动主频有不同程度的提升,0—20hz内的能量比例同时会有较大程度的降低。半周期叠加振速可能并非合成波的最小振速峰值,当t/2<t<t时,叠加振速出现增大的情况;微差爆破的总能量基本小于炮孔同时起爆时的总能量,波形半周期及较近时间范围内总能量有最小值,并出现叠加能量大于单孔能量的情况,证明了实际应用中采用半周期起爆进行爆破振动控制较难。(5)提出了改善岩石破碎效果的合理孔间和段间爆破延期计算公式。计算方法综合考虑了单孔装药量、炮孔与掌子面夹角、装药长度、不耦合系数、岩体性质、抛掷岩体的质量和体积、炸药属性、进尺深度等诸多因素。使用电子雷管进行精确延期爆破控制确定的延期时间必须不小于形成新的自由面需要的时间。根据计算结果,最终确定掏槽孔的孔间延期设置为3—4ms;内圈孔、二圈孔等辅助孔延期设置为3—5ms。进尺为1.0m时,设置各段别延期间隔为30ms;进尺1.5m时,掏槽段采用45ms延期,非掏槽段采用40ms延期间隔;进尺在2m时,掏槽段采用50ms大延期间隔,非掏槽段采用45ms延期间隔。(6)邻近隧道爆破数值模拟结果表明:爆破参数相同时,圆形隧道的结构形式受爆破振动时的响应较小,马蹄形隧道的抗振性相对较差。上台阶爆破时圆形隧道和马蹄形隧道在迎爆侧拱肩至帮部范围受到的振动强度最大。随着隧道间距的增大,迎爆侧质点振速出现“断层”式衰减。间距为2.0d时,迎爆侧各部位受到的爆破振动强度趋于一致。段药量相同时,掏槽孔为6炮孔起爆有效的分散爆破能量,并减小了爆破进尺,引起的爆破振动强度小于4炮孔爆破。隧道间距小于1.0d时,单孔药量为1.8kg和2.6kg的爆破施工对结构影响较大,容易造成隧道破坏。三个方向的最大振动速度并非严格出现在与掌子面平行的垂直平面上,振动速度在隧道纵向前后5m范围内呈振荡变化。(7)提出了考虑相邻炮孔间距的隧道迎爆侧孔间延期的计算公式。合理的延期时间主要与相邻炮孔到监测点的距离差、单孔药量、爆心距和岩体性质有关。在一定距离内,相邻炮孔到监测点的距离差对延期时间的影响最大、爆心距次之、单孔药量对延期时间的影响最小。迎爆侧不同位置,得到的孔间最佳延期时间存在差异。计算结果同时要符合形成新的自由面的最短延期时间的要求,即不小于3ms。选取圆形隧道相同爆破参数在不同延期时间下的振动波形分析。结果表明合理的延期时间下,信号相邻应力波的波峰和波谷相遇的比例较大,减小了峰值振速,并能提高振动主频。随着延期时间的增加,爆炸应力波施加于同一位置的荷载逐渐分散,减少了相邻波形峰峰叠加概率,峰值能量得到有效控制。数值模拟的结果和理论计算结果基本一致,提出的计算公式切实可行。隧道不同的部位,应力波的减振效果不同。迎爆侧拱肩和帮部在微差爆破时的振动速度远小于炮孔同时起爆的振速。延期时间较小时,迎爆侧甚至出现小延期爆破振动强度大于炮孔同时起爆的情形。综合考虑炮孔间距的差异对叠加振速的影响,形成新的自由面的最小延期时间和实际监测到的不同延期下隧道迎爆侧最大振速的变化情况,在相邻隧道不同间距下,给出不同隧道间距下掏槽孔为4炮孔,单孔药量2.6kg时孔间延期为5—6ms;单孔药量1.2kg时,孔间延期为3—5ms;掏槽孔为6炮孔,单孔药量1.8kg时,孔间延期为4—6ms。(8)对不同延期时间下的掏槽孔爆破实测波形的反应谱和CEEMD分析可知,输入信号的振动强度是影响反应谱面积最主要因素,归一化反应谱面积和能量集中程度呈正比,即能量越集中,归一化谱面积越大,能量分布的越分散,归一化谱面积越小。速度反应效应的变化趋势和速度谱面积相同,二者对于建筑安全的评估具有等效性。微差间隔时间的选择应综合信号的振动强度、能量在各频带的分布、反应谱面积和速度反应效应,从能量的角度分析爆破振动特征与建筑结构对外部激励响应的综合特性。