基于壓電信號的水下鉆孔爆破損傷監測試驗

司劍峰 錢 博 鐘冬望 何 理 陳江偉

(1.江漢大學爆破工程湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430056;2.武漢科技大學理學院,湖北 武漢 430065;3.中國建筑第七工程局有限公司,河南 鄭州 450000)

炸藥在單一的無限介質中爆炸形成以炮孔為中心的近似球形波或柱面波向外傳播[1]。然而，爆破開挖工程中一方面要求待開挖區域的巖體在爆破荷載作用下能得到充分破碎，另一方面則希望保留巖體盡可能不受損傷或減少損傷，這就要求炸藥在介質中爆炸形成的高密度能量能夠具有一定的“方向性”。有效控制爆破損傷及對爆破損傷進行監測評價具有重要意義，國內外學者在此方面做了大量研究和應用工作。目前常用的爆破損傷控制方法有4種:第1種是通過減小單次爆破規模，通過分層或者微差[2-4]的方式減小保留巖體的損傷;第2種是以預裂爆破為代表的空氣隔斷型控制方法[5-6]，該方法主要是在爆破區和保留區之間通過裂縫、空孔等對爆炸能量進行衰減反射等以減少到達保留區的沖擊波能量，從而減少爆炸對保留巖體的損傷;第3種是以光面爆破為代表的能量引導法[7-8]，該方法通過改變或者減小某方向的抵抗線，以引導能量向“薄弱”方向進行傳播和卸能;第4種方法是通過改變裝藥結構，在孔底安裝高阻抗介質對爆破沖擊波產生反射作用，從而減少孔底以下區域的巖體損傷[9]。

隨著我國基礎建設及海洋資源開發利用的不斷推進和發展，深水水下爆破是水下爆破工程發展的必然趨勢[10]。水下(特別是水深大于30 m的深水環境下)基巖損傷的控制能夠提高基巖承載力，對水下建(構)筑物及水下工事建設具有重要意義。上述巖體爆破損傷控制方法中的第1種方法在水下爆破作業中面臨鉆孔困難的問題，第2種和第3種方法在水下基巖的損傷控制中很難實施，主要原因在于水下鉆孔爆破很難實現水平方向鉆孔作業。因此，本研究結合第4種方法對深水條件下爆破作業對基巖的損傷控制進行試驗，并基于壓電信號的分析對其損傷情況進行監測。

1 水下ERB巖體損傷控制方法

消能爆破(Energy Relief Blasting，ERB)技術在鉆孔爆破中的應用原理是，通過在炮孔底部裝入直徑略小于炮孔直徑的高阻抗材料，上方炸藥爆炸后形成高強度入射波在向下傳播過程中遇到高阻抗材料形成反射波。該技術一方面能夠減少進入基巖的應力波，減少底部基巖的破壞;另一方面通過高阻抗材料的反射作用，反射應力波能夠加強孔底以上區域的破碎，提高爆破效果[11-13]。

在采用復合消能結構的炮孔中，炸藥爆炸產生的沖擊波能量經過水介質傳播至高阻抗消能球上的反射和透射過程如圖1所示。炮孔內炸藥爆炸產生的爆轟波在炸藥與炮孔間隙水介質的交界面發生反射和折射(透射)作用。水介質中的沖擊波一部分直接作用于孔壁，產生巖體上部的破裂和損傷，另一部分傳遞至孔底，作用于ERB復合消能結構。其中，復合消能結構由高聲阻抗球體和粗砂墊層組成，并且將墊層(粗砂)置于爆破孔的底部。爆炸沖擊波通過Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ界面作用后，剩余的能量作用在炮孔底部的基礎巖石上。

圖1 采用復合消能結構炮孔中的沖擊波能量傳遞示意Fig.1 Schematic of shock wave energy transfer in the blasting hole with composite energy dissipation structure

經過高阻抗球消能透射出的透射波強度可表示為

式中，ρw和(cp)w分別為水的密度和水中P波的傳播速度;ρs和(cp)s分別為高阻抗消能球的密度和高阻抗消能球中P波的傳播速度;ρc和(cp)c分別為飽和粗砂密度和飽和粗砂中P波的傳播速度;Pw、Tc分別代表水下鉆孔爆破不耦合裝藥炮孔中水介質的初始壓力及透射進入粗砂層的強度。

2 40 m水下模型試驗及測試

2.1 爆破及監測方案

本研究借助水介質爆炸容器，開展水下40 m水深環境下的混凝土爆破試驗(圖2)?；炷猎嚇映叽鐬?50 mm×250 mm×300 mm(長×寬×高)，水泥標號為C30，250 mm×250 mm面上垂直預留φ12 mm×100 mm空孔作為裝藥孔。采用對比分析法，試驗組(S1試樣)炮孔內依次填入10 mm厚粗砂、φ10 mm的鋼球、藥包和填塞物;對照組(S2試樣)炮孔依次填入10 mm厚粗砂、藥包和填塞物。其中，藥包采用1發導爆管雷管+2 g PDNT炸藥，填塞物為黃泥。在試樣四周采用鋼板進行夾持以減少邊界效應對試驗結果的影響。

圖2 試驗流程Fig.2 Experimental flow

分別將S1和S2試樣置于水介質爆炸容器，并將壓力容器充滿水后進行密封，然后通過試壓泵對水介質容器加壓至0.4 MPa后起爆。

為定量分析復合消能結構對基巖損傷的防護作用，構建了基于PZT壓電陶瓷的主動監測系統[14-15]。如圖3所示，選定混凝土試樣兩個相對的側面分別作為信號激發平面和信號接收平面，在信號接收面沿炮孔軸線方向布置一列監測點(1#～28#點)，在相對的信號激發面布置相同位置的信號激勵點(1′#～28′#點)，同一水平高度的一個信號激勵點和一個監測點構成一個測試組。根據傳感器尺寸和混凝土試樣的高度，本試驗中共設計28個測試組，即相鄰的兩測試組之間高度間隔為10 mm。以固定形式的電壓信號作為激發源激勵壓電傳感器，壓電傳感器在電壓信號的激勵下發生振動，并通過混凝土傳遞至監測點，監測點傳感器接收振動信號并轉化為電壓信號通過采集儀記錄。為對比分析爆破前后差異，在試樣爆破前和爆破后分別進行監測并記錄。

圖3 損傷監測原理及測點布置Fig.3 Principle of damage monitoring and layout of monitoring points

2.2 監測結果

本研究以4#、14#、24#點位為例進行監測分析，該類點位監測數據如圖4所示。

圖4 S1、S2試樣損傷前與損傷后的測點測試信號Fig.4 Test signals of monitoring points before and after damage of S1 and S2 samples

由圖4可知:監測點從上至下接收到的信號幅值逐漸增強，在4#點，爆破之后信號基本衰減為一條水平線，表明該處混凝土已經完全裂開，等強度的激發波無法通過該區域進行傳播;在14#點，爆破之后接收到的信號較4#點有略微增強，有明顯的波形出現，表明該區域混凝土已形成大量裂縫，吸收了傳播的激發波部分能量，但仍有少部分能量到達接收面;在24#點，爆破之后傳感器接收到的信號與爆破前接收到的信號相差不大，重合部分較大，表明爆前爆后該區域混凝土變化不明顯。

與此同時，漢昌公安分局盧局長召集案情分析會，他的面前就擺著江城早報。他看起來有些生氣，但是就算是生氣也是笑瞇瞇的。他說：“現在的媒體真是無孔不入??？我看他們都比得上我們的偵察員了。這個叫邊峰的記者還真是神通廣大，他竟然把一些只有我們才知道的內幕給報了，同志們，我們畢竟是警察，不要為了一點名就破壞紀律啊?！?/p>

2.3 試驗結果分析

2.3.1 信號峰值及總能量統計分析

爆后對S1和S2試樣進行了測試結果峰值統計，結果如圖5所示。由圖5可知:試樣監測點從上端炮孔孔口開始至炮孔底部，爆破后測得信號的峰值較小，基本趨于0;炮孔孔底至試樣底部，信號峰值逐步增大，至某一特定值后具有上下波動的特點。信號峰值趨于0，表明炮孔孔底以上部分產生較明顯的裂縫，極少甚至沒有信號能夠穿越試樣被采集;隨后為峰值逐步增加階段，表明該區域已經沒有明顯裂縫，部分發射信號能夠透過裂隙透射到采集面;最后的上下波動階段，表明該部分混凝土材料基本完好，基本未發生損傷。由以上分析可以看出，2個試樣所測得爆后峰值曲線基本呈現出3個階段，即貼近0線階段、增長階段、穩定波動階段。

圖5 S1及S2試樣各測點信號峰值Fig.5 Signal peaks of test points of S1 and S2 samples

對比S1試樣和S2試樣峰值曲線(圖5)可以看出，S2試樣的峰值增長階段較S1試樣提前3 cm，S2試樣大致在10#點后開始增長，出現在炮孔底部，S1試樣在13#點開始增長，出現在炮孔底部3 cm處。在16#點后，試樣S1和S2均基本無損傷。由圖6可知:各信號的能量分布規律和趨勢與峰值統計規律基本一致，但其對炮孔底部爆炸沖擊波的影響范圍表現得更明顯，用于對比分析S1試樣和S2試樣損傷深度更具有規律性。

圖6 S1及S2試樣各測點信號能量Fig.6 Signal energy of monitoring points of S1 and S2 samples

2.3.2 信號頻率分析

為進一步分析爆破后對信號頻率的影響，基于HHT方法對信號進行分析。圖7為S2試樣4#測點爆前測得信號進行EMD分解后的IMF分量和余項，圖8為IMF分量和余項的FFT頻譜圖。同理，對S2試樣4#測點爆后測得信號進行EMD分解，得到如圖9所示的IMF分量及余項和如圖10所示的FFT頻譜圖。

圖7 爆破前4#測點信號的EMD分解Fig.7 EMD decomposition of the signal at 4#measurement point before blasting

圖8 爆破前4#測點信號EMD分解后各分量的頻譜Fig.8 Spectrum of each component after EMD decomposition of the signals at 4#measurement point before blasting

圖10 爆破后4#測點信號EMD分解后各分量的頻譜Fig.10 Spectrum of each component after EMD decomposition of the signals at 4#measurement point after blasting

圖9 爆破后4#測點信號的EMD分解Fig.9 EMD decomposition of the signals at 4#measurement point after blasting

圖11 爆破前4#測點信號各分量與原始信號的關系Fig.11 Relationship between each component of 4#measurement point signal and original signal before blasting

圖12 爆破后4#測點信號各分量與原始信號的關系Fig.12 Relationship between each component of 4#measurement point signal and original signal after blasting

同理，分別對S1和S2試樣爆前爆后4#、14#、24#測點的壓電信號進行EMD分解，再對分量進行頻譜分析，可以得到如下規律:

(1)S1和S2試樣4#→14#→24#點整體從上到下，信號頻率中高頻噪聲信號占比逐漸減小，低頻成分信號增多，其原因為隨著試樣頂部到底部損傷破壞的減小，發射信號在傳播路徑上的能量損失減少，但高頻噪聲信號在測試中變化不大，因而低頻信號在整個采集信號中的能量占比會增加。

(2)S1試樣和S2試樣相同測點處的頻率規律表現得不明顯，結合信號峰值及總體能量統計分析，其原因在于EMD分解方法在頻段劃分過程中屬于自適應劃分，發射信號經損傷混凝土介質衰減后，信號頻率成分復雜，加之S1試樣和S2試樣在相同測點處的信號頻率變化較小，從而導致在頻率分析過程中很難精確區分。

3 結 論

(1)基于壓電陶瓷的主動監測方法可用于水下爆破巖體損傷分析，水下ERB技術可有效減弱水下鉆孔爆破中基巖的損傷深度。

(2)通過壓電信號分析可以看出，爆破前的壓電信號為關于X軸對稱的逐漸衰減曲線，爆破后隨著損傷程度的增加，測得信號的峰值和能量逐漸減小;且壓電信號的峰值在炮孔底部近區有明顯的突變，安裝有高阻抗球和粗砂的試樣，其突變點比正常對照組提前約3 cm。

(3)EMD方法對于壓電信號頻率分析具有較好效果，特別是對于爆破損傷嚴重區域測得信號與噪聲信號疊加嚴重的區域具有較好的分辨作用，然而該方法用于損傷深度的精確識別尚待進一步研究。