CN114739246B - 一种减小爆破振动的爆破方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种减小爆破振动的爆破方法及系统，涉及爆破领域，通过振动信号的最大主导频率和峰值粒子速度来选择爆破设计参数。首先，获取隧道爆破的振动信号；基于离散小波变换对所述振动信号去噪得到低频振动信号；提取所述低频振动信号的最大主导频率；并计算所述最大主导频率对应的峰值粒子速度；判断所述峰值粒子速度是否小于阈值范围；若是，则增大爆破药量与爆破延时的比值，继续爆破后返回所述获取隧道爆破的振动信号；否则，停止执行爆破。该方法不受现有方法中的区域影响或噪声相关问题的影响，可以最大化的减小爆破引发振动所产生的影响。

Description

一种减小爆破振动的爆破方法及系统

技术领域

本文涉及爆破领域，尤其涉及一种减小爆破振动的爆破方法、系统、介质及设备。

背景技术

隧道是公路、铁路等建设的重点和关键工程。随着铁路建设的发展和科技的进步，隧道开挖方法得到了迅猛发展。由于钻爆法对地质条件适应性强，开挖成本低，特别适用于坚硬岩石隧道、破碎岩石隧道及大量短隧道的施工，因此钻爆法仍是当前国内外常用的隧道开挖方法。

隧道爆破会产生巨大的能量，这与爆破药量、爆破延时密切相关。爆破药量过大或者爆破延时减小，会使爆破引发的能量骤增，地面会伴随激烈的振动。可能会对沿线铁路运营、周围民居的安全产生重要影响。因此，爆破施工时必须通过做好爆破设计实现精准地控制爆破，防范爆破可能导致的既有铁路隧道掉块等运营风险。因此，选择一个合适的爆破设计方案对隧道爆破至关重要。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明提供减小爆破振动的爆破方法、系统、介质及设备，通过振动信号的最大主导频率和峰值粒子速度来选择爆破设计参数；所提出的方法不受现有方法中的区域影响或噪声相关问题的影响，可以最大化的减小爆破引发振动所产生的影响。

根据本文的第一方面，提供一种减小爆破振动的爆破方法，包括：S1：获取隧道爆破的振动信号；S2：基于离散小波变换对所述振动信号去噪得到低频振动信号；S3：提取所述低频振动信号的最大主导频率；并计算所述最大主导频率对应的峰值粒子速度；S4：判断所述峰值粒子速度是否小于阈值范围；若是，则增大爆破药量与爆破延时的比值，继续爆破后返回S1；否则，停止执行爆破。

基于前述方案，所述S1中获取隧道爆破的振动信号，包括利用加速度计的Y通道捕获爆破产生的横向振动信号。

基于前述方案，所述S2中基于离散小波变换对所述振动信号去噪得到低频振动信号，包括S21：对所述振动信号进行等间隔采样，得到所述振动信号的离散点序列；S22：基于所述离散点序列进行N级离散小波变换,得到N级尺度对应的小波系数；S23：对所述小波系数进行阈值处理，根据阈值处理后的小波系数进行N级信号重构得到所述低频振动信号。

基于前述方案，所述阈值处理还包括：硬阈值处理和软阈值处理。

基于前述方案，所述S3中计算所述最大主导频率对应的峰值粒子速度，包括通过回归分析方程得到所述峰值粒子速度，所述回归分析方程为：

基于前述方案，所述S4中增大爆破药量与爆破延时的比值，所述比值为1/4。

基于前述方案，所述S4中停止执行爆破后减小爆破药量与爆破延时的比值。

根据本文的另一方面，提供一种减小爆破振动的爆破系统，包括：获取单元，用于获取隧道爆破的振动信号；去噪单元，基于离散小波变换对所述振动信号去噪得到低频振动信号；计算单元，用于提取所述低频振动信号的最大主导频率，并计算所述最大主导频率对应的峰值粒子速度；判断单元，用于判断所述峰值粒子速度是否小于阈值范围；若是，则增大爆破药量与爆破延时的比值，继续爆破后返回所述获取单元，否则，停止执行爆破。

根据本文的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时减小爆破振动的爆破方法的步骤。

根据本文的另一方面，提供一种计算机设备，包括处理器、存储器和存储于所述存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现减小爆破振动的爆破方法的步骤。

本文通过振动信号的最大主导频率和峰值粒子速度来选择爆破设计参数。首先，获取隧道爆破的振动信号；基于离散小波变换对所述振动信号去噪得到低频振动信号；提取所述低频振动信号的最大主导频率；并计算所述最大主导频率对应的峰值粒子速度；判断所述峰值粒子速度是否小于阈值范围；若是，则增大爆破药量与爆破延时的比值，继续爆破后返回所述获取隧道爆破的振动信号；否则，停止执行爆破。该方法不受现有方法中的区域影响或噪声相关问题的影响，可以最大化的减小爆破引发振动所产生的影响。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本文。

附图说明

构成本文的一部分的附图用来提供对本文的进一步理解，本文的示意性实施例及其说明用于解释本文，并不构成对本文的不当限定。在附图中：

图1是根据一示例性实施例示出的减小爆破振动的爆破方法的流程图。

图2是根据一示例性实施例示出的基于离散小波变换得到低频振动信号的流程图。

图3是根据一示例性实施例示出的减小爆破振动的爆破系统的框图。

图4是根据一示例性实施例示出的减小爆破振动的爆破设备的框图。

具体实施方式

为使本文实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本文实施例中的附图，对本文实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本文一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本文中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本文保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本文中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明公开的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是根据一示例性实施例示出的一种减小爆破振动的爆破方法的流程图。参照图1，爆破方法至少包括：

步骤S1：获取隧道爆破的振动信号；

具体地说，爆破时振动信号的捕获方式可以是本领域常规的方式。可以使用成熟信号采集软件，例如myVibrometer、sound detector；也可以布置信号采集器，采集信号后经过软件进行分析。不限于具体地形式。

一般地说，爆破时振动信号是向多个方向传播的，包括横向、纵向、垂直方向；现有技术中，通常使用加速度计采集信号，通过加速度计三个通道 X、Y、Z 分别捕获纵向、横向和垂直的振动信号。在本文中，主要研究爆破时横向传播的振动信号，采用加速度计的Y通道捕获横向的振动信号。

步骤S2：基于离散小波变换对所述振动信号去噪得到低频振动信号；

具体地说，通常情况下， 采集到的信号都是具有一定的噪声的，大多数情况下，可认为这种噪声为高斯白噪声。被噪声污染的信号=干净的信号+噪声。由于噪声的干扰，会使隧道爆破时估计的振动幅度出现偏差，因此对捕获的振动信号进行去噪是很有必要的。

小波变换是一种信号的时间-频率的分析方法，在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。在低频部分具有较高的频率分辨率，在高频部分具有较低的频率分辨率，很适合于分析非平稳的信号和提取信号的局部特征。离散小波变换由一系列高通滤波器和低通滤波器组成，基于离散小波变换的滤波器组可以有效地清除高频噪声，得到低频信号。

进一步地，图2是根据一示例性实施例示出的基于离散小波变换对所述振动信号去噪得到低频振动信号的流程图。

S21：对所述振动信号进行等间隔采样，得到所述振动信号的离散点序列；

需要说明的是，对于一个要采样的信号，根据奈奎斯采样定理，其采样频率>= 2*信号的最大频率。而其他噪声信号频率，例如高斯白噪声的信号频率分布服从高斯分布，其功率谱密度服从均匀分布，噪声信号与有用信号混合叠加为采样信号。采样频率可以根据振动信号的频率进行设置。优选的一个实施例，采用100Hz的采样频率对振动信号采样。

S22：基于所述离散点序列进行N级离散小波变换,得到N级尺度对应的小波系数；

需要说明的是，在小波变换中，选择小波分解的级数是非常重要的一步。分解级数越大，则噪声信号和有用信号表现的不同特性越明显，越有利于二者的分离；但另一方面，分解级数越大，重构到的信号失真也会越大，在一定程度上又会影响最终去噪的效果。因此在信号去噪应用时，平衡好两者需要选择一个合适的分解级数。优选的一个实施例，根据本领域的多次实验，设置分解级数为5，即Db5；可以有效的分离有用信号和噪声信号。

S23：对所述小波系数进行阈值处理，根据阈值处理后的小波系数进行N级信号重构得到所述低频振动信号。

需要说明的是，由于信号在空间上或者时间域是有一定连续性的，因此在小波域，有效信号所产生的小波系数其模值往往较大；而高斯白噪声在空间上或者时间域是没有连续性的，因此噪声经过小波变换，在小波阈仍然表现为很强的随机性。在小波域，有效信号对应的系数很大，而噪声对应的系数很小。

值得一提的是，消除噪声在小波域的阈值通常设置为，其中/>。其中，N为信号的长度。

确定了高斯白噪声在小波系数的阈值之后，需要对含有噪声系数的小波系数进行阈值处理，去除高斯噪声系数。阈值处理方法包括硬阈值处理和软阈值处理。本文优选的一个实施例，采用软阈值方法对含有噪声系数的小波系数进行阈值处理。

软阈值去噪法是指当小波系数的绝对值小于给定的阈值时，设置为零；大于阈值，则减去阈值。即

/> 式（1）

软阈值估计得到的小波系数整体连续性较好，从而使估计信号不会产生附加震荡，能够提高振动信号的稳定性。

步骤S3：提取所述低频振动信号的最大主导频率；并计算所述最大主导频率对应的峰值粒子速度；

具体地， 最大主导频率是指信号振动幅度最大对应的频率。利用时频分析软件可以提取所述低频振动信号的最大主导频率。粒子速度是地面粒子上下移动的速度；频率是物体在一秒钟内上下跳动的次数。峰值粒子速度PPV是粒子运动的最大速率。

需要说明的是，在一个具体实施例中，通过回归分析方程得到所述峰值粒子速度，所述回归分析方程为：

式（2）

其中表示为峰值粒子速度，/>表示为爆破药量与爆破延时的比值，/>表示为监测点位到震源的距离。经过回归分析后得到如下等式：

式（3）

式（4）

其中，表示为最大主导频率。

步骤S4：判断所述峰值粒子速度是否小于阈值范围；若是，则增大爆破药量与爆破延时的比值，继续爆破后返回S1；否则，停止执行爆破。

具体地说，在爆破的国家标准中规定了不同爆破场景峰值粒子速度与最大主导频率的对应关系。《爆破安全规程》（GB6722-2014）没有针对铁路设施有明确的爆破振动安全允许标准。考虑到铁路设施安全特殊性，《铁路工程爆破振动安全技术规程》（TB10313-2019）对邻近既有铁路线轨道（路基）、边坡、接触网支柱和站房等提出了爆破振动安全控制标准。

根据参照相关标准，隧道爆破的最大主导频率范围一般为10-50Hz，为确保运营铁路的绝对安全，对建（构）筑物爆破振动控制值的选取如表1所示：

表1 爆破振动安全允许标准

需要说明的是，根据式（3）、式（4）可知，峰值粒子速度PPV和爆破药量与爆破延时的比值Q以及监测点位到震源的距离Dis密切相关。PPV与Q正相关，PPV与Dis负相关，PPV与F_max正相关；

具体的一个实施例，通过判断所述峰值粒子速度PPV是否小于阈值范围；若是，则增大爆破药量与爆破延时的比值Q，继续爆破后返回S1；否则，停止执行爆破。

需要说明的是，在停止执行爆破后，可以减小爆破药量与爆破延时的比值，可以重新执行S1。

以上实施例，可以配置合适的爆破药量与爆破延时的比值，避免一次过量爆破时，爆破药量过大或爆破延时过段导致振动的波动过大，从而造成不可挽回的损失。

图3是根据一示例性实施例，示出的一种减小爆破振动的爆破系统30。所述系统30包括:

获取单元301，用于获取隧道爆破的振动信号；

去噪单元302，用于基于离散小波变换对所述振动信号去噪得到低频振动信号；

计算单元303，用于提取所述低频振动信号的最大主导频率，并计算所述最大主导频率对应的峰值粒子速度；

判断单元304，用于用于判断所述峰值粒子速度是否小于阈值范围；若是，则增大爆破药量与爆破延时的比值，继续爆破后返回所述获取单元，否则，停止执行爆破。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

在另外的一个方面，本文提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现以上任意方法实施例所描述的减小爆破振动的爆破方法。

图4是根据一示例性实施例示出的一种用于计算机设备40的框图。参照图4，设备40包括处理器401，处理器的个数可以根据需要设置为一个或者多个。设备40还包括存储器402，用于存储可由处理器401的执行的指令，例如应用程序。存储器的个数可以根据需要设置一个或者多个。其存储的应用程序可以为一个或者多个。处理器401被配置为执行指令，以执行上述方法。

存储器402可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储选项列表等。此外，存储器402可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施方式中，存储器402可选包括相对于处理器401远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至外接设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

本领域技术人员应明白，本文的实施例可提供为方法、装置（设备）、或计算机程序产品。因此，本文可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本文可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。计算机存储介质包括在用于存储信息（诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据）的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质,包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘（DVD）或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质等。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

本文是参照根据本文实施例的方法、装置（设备）和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本文的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本文范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本文进行各种改动和变型而不脱离本文的精神和范围。这样，倘若本文的这些修改和变型属于本文权利要求及其等同技术的范围之内，则本文的意图也包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种减小爆破振动的爆破方法，其特征在于，包括：

S1：获取隧道爆破的振动信号；

S2：基于离散小波变换对所述振动信号去噪得到低频振动信号；

S3：提取所述低频振动信号的最大主导频率；并计算所述最大主导频率对应的峰值粒子速度；

S4：判断所述峰值粒子速度是否小于阈值范围；若是，则增大爆破药量与爆破延时的比值，继续爆破后返回S1；否则，停止执行爆破；

所述S1中获取隧道爆破的振动信号，包括利用加速度计的Y通道捕获爆破产生的横向振动信号；

所述S2中基于离散小波变换对所述振动信号去噪得到低频振动信号，包括：

S21：对所述振动信号进行等间隔采样，得到所述振动信号的离散点序列；

S22：基于所述离散点序列进行N级离散小波变换,得到N级尺度对应的小波系数；

S23：对所述小波系数进行阈值处理，根据阈值处理后的小波系数进行N级信号重构得到所述低频振动信号；

所述阈值处理还包括：硬阈值处理和软阈值处理；

所述S3中计算所述最大主导频率对应的峰值粒子速度，包括通过回归分析方程得到所述峰值粒子速度，所述回归分析方程为：

；

其中，其中表示为峰值粒子速度，/>表示为爆破药量与爆破延时的比值，/>表示为监测点位到震源的距离。

2.如权利要求1所述的一种减小爆破振动的爆破方法，其特征在于，所述S4中增大爆破药量与爆破延时的比值，所述比值为1/4。

3.如权利要求1所述的一种减小爆破振动的爆破方法，其特征在于，所述S4中停止执行爆破后，减小爆破药量与爆破延时的比值。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述的减小爆破振动的爆破系统，其特征在于，包括:

获取单元，用于获取隧道爆破的振动信号；

去噪单元，基于离散小波变换对所述振动信号去噪得到低频振动信号；

计算单元，用于提取所述低频振动信号的最大主导频率，并计算所述最大主导频率对应的峰值粒子速度；

判断单元，用于判断所述峰值粒子速度是否小于阈值范围；若是，则增大爆破药量与爆破延时的比值，继续爆破后返回所述获取单元，否则，停止执行爆破。