質(zhì)點(diǎn)振動速度監(jiān)測在爆破掘進(jìn)工程中的應(yīng)用

黃來源,周積響

（1.北京市地質(zhì)研究所，北京 100011；2.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，贛州 341000）

質(zhì)點(diǎn)振動速度監(jiān)測在爆破掘進(jìn)工程中的應(yīng)用

黃來源1,周積響2

（1.北京市地質(zhì)研究所，北京 100011；2.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，贛州 341000）

工程爆破施工過程中如何控制其對周圍建筑物、正在施工項(xiàng)目和處于養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)的影響一直是爆破施工中的實(shí)際問題，直接關(guān)系爆破施工的單響藥量和施工進(jìn)度。隧道爆破掘進(jìn)施工中為了追求施工進(jìn)度，往往在爆破方案中使用較大的單響裝藥量，從而忽略了大藥量爆破產(chǎn)生的沖擊波效應(yīng)對隧道巖壁、已有結(jié)構(gòu)的破壞，本文簡單介紹了施工前或施工中，進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)振動速度監(jiān)測的實(shí)際應(yīng)用。

爆破；質(zhì)點(diǎn)振動速度；單響藥量；建筑物；監(jiān)測

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)迅猛發(fā)展，國家范圍內(nèi)的道路、能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來了新一輪高潮，而我國地形地貌多樣，很多大的工程項(xiàng)目都涉及在山區(qū)施工（如山區(qū)公路的隧道施工、大型水利設(shè)施施工），工程爆破無疑成為隧道掘進(jìn)及巖土體開挖施工中既快又省的施工方法。然而工程爆破又因其巨大的沖擊波會對周圍不穩(wěn)定斜坡、已有的建筑物、正在施工項(xiàng)目和處于養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞。如何評估這種破壞作用進(jìn)而指導(dǎo)確定有效減震措施呢？現(xiàn)階段評估工程爆破的破壞作用主要采取在爆破影響范圍內(nèi)的目標(biāo)體上監(jiān)測質(zhì)點(diǎn)振動速度的措施。

巖土工程中爆破引起的地震危及周圍建筑物、構(gòu)筑物和附近村莊民房的安全，特別是在藥室大爆破時，由于總裝藥量與最大一段藥量都比較大，所產(chǎn)生的爆破地震振速也大，爆破振動對周圍環(huán)境的破壞效應(yīng)也大，更值得重視和認(rèn)真對待。

爆破施工中的地震波在巖土介質(zhì)中的傳播和衰減規(guī)律，到目前為止，還沒有一個統(tǒng)一的力學(xué)模型可以全面描述它的本質(zhì)。因而，所有的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料之間常出現(xiàn)較大差異。為此，進(jìn)行理論與實(shí)踐的探討求出新的公式是十分必要的；但在目前情況下，選擇現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式，認(rèn)真試驗(yàn)求取有關(guān)的參數(shù)值，從而求得更為逼近真實(shí)的結(jié)果，是一個較為可行的途徑。如在工程中，采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，認(rèn)真選擇求取有關(guān)參數(shù)，求出單響最大藥量Q后，使待保護(hù)地點(diǎn)R處的質(zhì)點(diǎn)振動速度控制在《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)規(guī)定的安全振速范圍內(nèi)，從而使爆破地震的影響減小到規(guī)程允許的程度。

通過在爆破掘進(jìn)施工前在爆區(qū)進(jìn)行3次以上試驗(yàn)爆破，在已知爆破最大單響藥量Q和爆破安全距離R的情況下，采用質(zhì)點(diǎn)振動記錄儀置于爆點(diǎn)外R處的傳感器記錄下質(zhì)點(diǎn)最大振速v，用最小二乘法原理進(jìn)行線性回歸求得薩道夫斯基公式中的k和α值，k、α為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，從而指導(dǎo)以后的爆破方案制定，確定在距離保護(hù)地點(diǎn)一定距離R處的最大單響裝藥量Q；再有就是通過質(zhì)點(diǎn)振動記錄儀直接監(jiān)測爆破掘進(jìn)施工中保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)最大振動速度，實(shí)時監(jiān)測爆破對待保護(hù)對象的破壞影響，如質(zhì)點(diǎn)振動速度超過國家規(guī)定的安全上限，立即停止爆破施工，調(diào)整爆破設(shè)計(jì)方案中的單響藥量Q和安全距離R后再進(jìn)行施工。

1 測試原理及使用儀器

測試原理是利用人工爆破激發(fā)地震波或振動機(jī)械產(chǎn)生振動波,通過傳感器（探頭）接收地震波在地層中的反射波并記錄。

IDTS-3850振動記錄儀共有四個通道，可同時記錄垂直、水平方向的質(zhì)點(diǎn)震速，主要用于對地震波、機(jī)械振動和各種沖擊信號進(jìn)行記錄、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出、顯示打印、數(shù)據(jù)存儲。 它直接與壓力、速度、加速度等各種傳感器相連，并將模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行存儲，經(jīng)自身的串行口和筆記本電腦（或臺式電腦）通訊，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行波形顯示、譜圖顯示、波形的各種特征參數(shù)及測試結(jié)果的表格顯示、存盤和打印等。IDTS-3850振動記錄儀、系統(tǒng)連接及譜圖顯示見圖1、圖2、圖3。

圖1 IDTS3850振動記錄儀

圖2 系統(tǒng)連接圖

圖3 振動波形顯示

2 監(jiān)測目的

現(xiàn)場進(jìn)行試爆階段的振動監(jiān)測，通過監(jiān)測和爆破振動速度數(shù)據(jù)分析，給出確定爆破參數(shù)的依據(jù)（單響裝藥量），采取有效減震措施（爆破方案調(diào)整、預(yù)裂爆破）。

（1）通過3次以上的爆破試驗(yàn)（給定單響裝藥量Q和安全距離R），根據(jù)薩道夫斯基公式，采用最小二乘法進(jìn)行線形回歸可得出指導(dǎo)爆破施工的參數(shù)k、α，從而修正爆破設(shè)計(jì)方案。

（2）直接實(shí)時監(jiān)測待保護(hù)目標(biāo)體最大質(zhì)點(diǎn)振動速度，是否已達(dá)到規(guī)定目標(biāo)體的破壞的最大速度值，指導(dǎo)后續(xù)爆破方案調(diào)整。

（3）測試方法

方法1：

試爆階段，已知裝藥量Q，實(shí)際測量出爆區(qū)與監(jiān)測目標(biāo)體之間的距離R，開始爆破試驗(yàn)，通過質(zhì)點(diǎn)振動記錄儀測得質(zhì)點(diǎn)振速峰值，進(jìn)行n（n＞=3）次試驗(yàn)，通過薩道夫斯基爆破振動公式v= k采用最小二乘法進(jìn)行線形回歸得到反映爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)k和衰減指數(shù)α值，指導(dǎo)未來施工裝藥量及爆區(qū)相對于目標(biāo)體的距離，甚至調(diào)整爆破方案。

方法2：

直接將質(zhì)點(diǎn)振動記錄儀固定于監(jiān)測目標(biāo)體上，開始爆破試驗(yàn)，記錄、取數(shù)、數(shù)據(jù)分析。確定目標(biāo)體是否達(dá)到國家規(guī)定的質(zhì)點(diǎn)振速上限。

3 工程實(shí)例

（1）概況

某抽水蓄能水電站位于河北省，地下主廠房跨度30m，高度50m。該區(qū)巖性為安山巖，普氏系數(shù)f=10～12。該廠房內(nèi)兩側(cè)拱肩處有100m長緊貼于洞壁的鋼筋混凝土吊車梁，即位于拱頂與垂直洞壁的交接處，由于采用分層爆破挖方施工，在爆破拱頂與垂直巖壁交界處的水平巖層時，吊車梁距爆破區(qū)域最近距離僅為7m，在爆破與吊車梁高程位置相當(dāng)?shù)乃綆r層時必須嚴(yán)格控制單響裝藥量，以便控制吊車梁的質(zhì)點(diǎn)振動速度（質(zhì)點(diǎn)峰值振速隨單響裝藥量的增加而增大）。

（2）現(xiàn)場測試

首先選擇好被測試點(diǎn)，測試點(diǎn)要選在新鮮的巖石面上，選的巖石面盡量要水平，以便安放傳感器，將兩個垂直傳感器垂直放置，兩個水平傳感器一個朝向爆心，一個切向布置。然后用快結(jié)石膏將其固結(jié)在選好的巖面上。再將4個傳感器與爆破振動紀(jì)錄儀連接好，調(diào)好各項(xiàng)采集參數(shù)包括量程和靈敏度，等待記錄。

（3）成果分析

通過IDTS 3850振動分析軟件對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、波形分析，用計(jì)算機(jī)繪制出爆破振動波形圖，在此基礎(chǔ)上，采用薩道夫斯基爆破振動公式進(jìn)行二元回歸分析，用最小二乘法原理進(jìn)行線性回歸求得薩道夫斯基公式中的k和α值。

式中：v 質(zhì)點(diǎn)震速，cm/s;

Q 最大單響爆破藥量，kg;

R 測試點(diǎn)距爆破點(diǎn)的距離，m;

K、α 與巖層性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。

實(shí)際進(jìn)行了若干次爆破試驗(yàn)，由于如傳感器與巖體脫落、干擾沖擊波疊加等原因，剔除了一些異常數(shù)據(jù)，以下為較真實(shí)的三次試爆相關(guān)參數(shù)及對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)最大質(zhì)點(diǎn)振速如下：

表1 爆破參數(shù)表

2 1.0 12 1.0226 3 1.5 10 3.5063

（4）結(jié)論

①k =137

②α=1.72

4 結(jié)語

(1) 本次由于施工原因試爆次數(shù)較少，采集數(shù)據(jù)存在局限性，而且洞室爆破施工中巖性、地形影響參數(shù)k和衰減系數(shù)α等通過最小二乘法的線形回歸結(jié)果差異較大，本次回歸結(jié)果是在剔除若干異常數(shù)據(jù)后精簡出來的，與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為符合（見圖4）。

圖4 線性回歸成果

(2)爆破振動沖擊波的能量大小及傳播與爆區(qū)巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、爆破裝藥量等因素有關(guān)，要控制沖擊波對周邊的破壞影響，特別要嚴(yán)格控制最大單響裝藥量和爆源位置。

(3)采用合理的裝藥結(jié)構(gòu)，如在藥室爆破中，采用條形分集藥包、較大的空腔比和間隔裝藥，可控制爆破振動沖擊波能量的大小。

(4)采用微差爆破，可以避免爆破沖擊波傳播中的能量疊加，減小爆破沖擊波振動破壞的影響。在總裝藥量和其他爆破條件相同情況下，微差爆破能使質(zhì)點(diǎn)振動速度較齊發(fā)爆破平均降低40%～60%。

(5)在一定條件下，可先通過降低單響裝藥量進(jìn)行預(yù)裂爆破，形成隔離槽或者人為構(gòu)造面的辦法來阻止爆破沖擊波向保護(hù)區(qū)方向傳播，減小爆破的影響，效果很好。

[1] GB6722-2003.《爆破安全規(guī)程》.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[2]孟吉復(fù), 惠鴻斌.《爆破測試技術(shù)》.北京:冶金工業(yè)出版社,1990.

[3]張雪亮, 黃樹棠.《爆破地震效應(yīng)》.北京:地震出版社,1980.

The Application of the Particle Vibration Velocity Monitoring in Blasting Tunnel Engineering

HUANG Laiyuan1, ZHOU Jixiang2

(1.Beijing Institute of Geology, Beijing 100011; 2. Jiangxi College of Applied Technology, Ganzhou 341000)

During blast engineering, it s always an actual problem of how to decrease the influence of blasting to the surrounding buildings and curing concrete structure project. It s related to the constructing speed. In order to guarantee the time limit for a tunnel engineering project, workers generally use large single blasting volume in single blasting that neglects an effect of the output impact to tunnel cliff. Large volume explosive will cause the structural breakage. This paper introduces the actual application of the particle vibration velocity monitoring in pre-or-during the constructing period.

Blasting；Particle vibration velocity；Single blasting volume；Buildings；Monitoring

P631.4+25

A

1007-1903(2011)01-0060-04

黃來源（1978- ）,男，工程師,主要研究方向?yàn)椋旱刭|(zhì)災(zāi)害的勘察防治、監(jiān)測預(yù)警；巖土工程及測繪工程；工程物探應(yīng)用。Email: huangly78@126.com