爆破振動參數在南水北調工程城鎮控制爆破中的運用

周洪強，屈江昆，支維定

（1.黃河水電工程建設有限公司，河南鄭州450000；2.中國水利水電第十工程局三分局，四川 都江堰 611830；3.三門峽黃河明珠（集團）有限公司，河南 三門峽472000）

隨著爆破技術的廣泛應用，各種建筑工程活動更加強烈，地質災害危險性鑒定不僅要針對滑坡、崩塌、泥石泥、地裂縫、地面塌陷、地面沉降等現象進行定性分析，而且要利用一些相關學科的指標，及相關的計算參數來定量分析構筑物的穩定性及破壞因素。下面以南水北調工程實例為參考，在此針對爆破振動參數在城鎮控制爆破及地質災害鑒定中應用的有關問題作一些探討。

1 工程概況

南水北調工程JL06標石方爆破區位于西邵明村西側，與村民居住區毗鄰，爆破區與民房最近距離172 m，爆破環境條件復雜。渠道開挖斷面為梯形，設計底寬22 m，邊坡坡比為 1∶1～1∶2，每 6～8 m 設一級馬道，邊坡共設 5 級馬道，渠道最大挖深約34 m。爆破石方為灰巖、砂巖等巖體地質條件，從局部揭露情況觀察可以看出，其為垂直層理，邊坡巖體屬于Ⅳ，Ⅴ類巖體，巖體較破碎，節理裂隙發育，并存在很多泥巖夾層，邊坡及馬道采用光面爆破一次爆破成型有很大難度。在此情況下,采用了適宜的施工爆破技術——以淺孔、深孔控制爆破為主，采用預裂爆破減震措施,邊坡光面爆破方案，收到了良好的效果。同時采取了必要的安全防護措施,減小了對居民正常生活的擾亂,為工程順利進行創造了條件。

2 不規范爆破的危害

在以往的爆破工程中，存在很多不規范爆破實例，靠近城鎮的控制爆破工程，往往對城鎮居民生活擾動較大；在一些地質情況復雜的地區，爆破施工對后期的圍巖穩定產生了極大的破壞作用，從而導致出現很多后期的安全隱患，甚至引發地質災害。隨著國家環保規定的日趨嚴格以及對環境安全要求水平的不斷提高，人們越來越關注廣泛應用的爆破手段尤其是不規范爆破手段對周圍環境及建筑物的影響，更確切地說就是關注爆破產生的振動和沖擊波導致對建筑物的破壞和對周圍安全生活環境的惡化影響，應運用國家相關規程鑒定被損壞的環境及建筑物。

3 爆破振動參數的確定

3.1 安全允許距離

3.1.1 爆破振動安全允許距離(R)

式中：R——爆破振動安全允許距離，m；Q——炸藥用量，齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量，kg；V——保護對象所在地質點振動的安全允許速度，cm/s；K——與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數。

K，a值可根據下面的經驗公式進行回歸分析：

式中：r——傳感器測試點與爆破點之間的距離，m；m——當藥包尺寸或同段炮孔的分布范圍與測點距之比小于1/10時，可以認為同段爆破藥包為點藥包，m=1/3，當測點距離與同段藥包分散相當時m=1/2。一般K，a值與爆破區地形、地質條件和爆破自查報告相關，K值更依賴于爆破條件的變化，a值主要取決于地形，地質條件的變化，爆破臨空條件好，夾制作用小，K值就小，反之 K值就大；若地形平坦，巖體完整、堅硬，a值變小，反之，破碎、軟弱巖體、起伏地形，a值趨大。K值范圍大部分在50～10 000之內，a值在1.3～3.0之間。參照GB6722—2003《爆破安全規程》爆破區不同巖性的K，a值見表1。

表 1爆破區不同巖性的 K，a值

3.1.2 爆破沖擊波安全允許距離

地表裸露爆破量大的情況下，在非地質災害鑒定時，還需分析地表空氣中沖擊波對建筑物的危害。空氣沖擊波超壓值（ΔP，105 Pa）的計算公式如下：

在計算時，應該核算不同保護對象在不同環境所受到的空氣沖擊波超壓值。

3.2 振動頻率

房屋的振動頻率是決定結構能否受到破裂危害的重要參數之一，這其中當然與房屋的結構有關，不同巖性的地基和不同房屋的結構有不同的頻率，不同高度建筑物的頻率也不一樣。建筑物地面以上部分有放大水平方向的地面運動的趨勢，響應取決于建筑物的固有頻率，對 1～2層的民房來講其固有頻率為4～12 Hz，美國礦業局對46種不同房屋進行的實驗結果表明，最大的放大因子(上層樓相對于地面水平的激振響應與時間相聯系的系數)為2～4，與激振頻率在4～12 Hz范圍內產生的結構響應因子0.5倍相當。實驗表明，對于一棟房子，它的方向不同，響應的程度也不一樣，這是因為它們結構強度的不同。我國在GB6722-2033規程里作了明確的規定：構筑物的頻率為主振頻率，系指最大振幅所對應的頻率；頻率范圍可根據類似工程或現場實測波形選擇，選取頻率時亦可參考下列數據：硐室爆破小20 Hz，深孔爆破 10～60 Hz，淺孔爆破40～100 Hz。

表2 爆破振動安全允許標準

3.3 振動速度

1）不同巖性地基的振動速度 (瑞典的“ 標準”)：松散的冰磧、砂、卵、粘土層，V≤1.8 cm/s；堅密的冰磧層、砂巖、軟質灰巖，V≤3.5 cm/s；花崗巖、片麻巖、石灰巖、石英砂巖，V≤7 cm/s。

2）從有關資料獲悉，房屋的振速在 1.27 cm/s時，一般磚混結構的民房有5%產生裂縫的可能，我國根據保護對象所在地質點峰值振動安全速度規定見表 2。

4 爆破對建筑物影響的安全距離

4.1 爆破安全監測試驗參數（見表3）

表3 爆破安全監測試驗參數表

4.2 監測儀器

根據GB6722-2003的規定，爆破振動控制主要以質點振動速度為主。因此，監測采用質點振動速度傳感器，配接IDTS3850型爆破振動記錄儀。IDTS 3850振動記錄儀采用自動觸發，自動記錄模式，當爆破振動信號達到預先設置的觸發電平時，觸發控制電路啟動采集，儀器將自動記錄爆破地震波振動速度變化過程。然后通過記錄儀的RS232接口與計算機連接，由專用軟件進行數據分析處理。為保證現場觀測數據的準確、可靠，對所有儀器進行了整機系統標定。具體測試系統：速度傳感器→IDTS3850爆破振動記錄儀→計算機專用分析軟件→打印輸出。

4.3 測點布置

根據爆破區周邊環境條件和監測要求，重點對西邵明村民房基礎進行了振動監測。現場共布置了5個振動測點，各點均布置鉛垂向和水平徑向2臺傳感器。

4.4 觀測結果

2010年11月10日，結合渠道石方爆破施工進行了振動監測。爆破方式分臺階爆破和掏槽爆破兩種。IDTS 3850振動記錄儀設置觸發電平0.031 2 V，即振速值為0.10 cm/s。在爆破前，儀器處于待機狀態，當鉛垂向振速或水平徑向振速達到0.10 cm/s時，儀器自動啟動采集，記錄爆破地震波全過程。

從實測各點振動速度值和典型波形(略)可以看出：

1）爆破地震動的產生、傳播受爆破規模和地形地質條件影響外，與爆破方式、破碎巖體有無拋擲空間有很大關系。掏槽爆破由于破碎巖體受周圍巖體夾制作用產生的地震動能量相對較大，而臺階爆破前排無堆積，有充分拋擲空間，爆破地震動能量較小。因此，實測民房基礎振速值第二次爆破測值大于第一次、第三次爆破測值。

2）爆破區為風化剝蝕高丘地貌，上部地層為黃土狀壤土，下部為泥巖、石灰巖等，爆破區高程相對高于西邵明村民房，爆破后產生的地震波沿黃土地層衰減較快。實測172 m處民房基礎最大振速為0.52 cm/s，300 m處民房基礎最大振速為0.18 cm/s，且主振頻率均大于10 Hz，這說明地震波衰減較快，速度幅值較小。

依據國家爆破安全規程，一般磚房當振動頻率在10～50 Hz范圍時，其爆破振動安全允許振速為2.3～2.8 cm/s；土坯房、毛石房屋當振動頻率在10～50 Hz范圍時，其爆破振動安全允許振速為0.7～1.2 cm/s。西邵明村居住民房為磚混結構，建造年代不同，現場實測距爆源172 m處（第一測點）的民房基礎振速最大，水平徑向最大振速為0.52 cm/s，鉛垂向最大振速為0.33 cm/s，主頻均大于10 Hz，其余4點振速值都小于第一點，均小于國家爆破安全規程的安全允許值，且具有較大的安全余度。從現場爆破試驗結果來看，掏槽爆破產生的地震動相對較大，因此，建議在距離民房較近地區，進行掏槽爆破和渠道右岸爆破時，應嚴格控制爆破規模、最大單響藥量，優化孔間、排間毫秒時差，并進行必要的爆破振動監測，以確保工程安全實施和周圍環境的安全。

［1］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB6722—2003，爆破安全規程［S］.中國標準出版社，2004.

［2］GB50292—1999，民用建筑可靠性鑒定標準［S］.

［3］中國葛洲壩集團公司三峽工程施工指揮部.DLT5135—2001水利水電工程爆破施工技術規范［S］.北京：中國電力出版社，2002.