城鎮引水工程爆破施工振動監測與控制技術

朱金彪

（新疆水利水電勘測設計研究院物探隊，新疆 昌吉 831100）

爆破振動測試是爆破施工的重要環節，一是爆破的方法和爆破的參數會影響爆破地震的強度，通過振動監測可指導爆破施工，增進爆破施工效率；二是確保大壩壩體的安全運行。

隨著爆破技術的快速發展，爆破施工在水利水電工程得到了廣泛應用，這在一定程度上大大降低了工人的勞動強度，同時也提高了施工效率，但這也給周圍環境和構筑物帶來了負面效應，尤其是爆破地震波引起的爆破振動，如果不加以監測和控制，就會嚴重影響工程體的質量和結構安全。因此，在取水首部工程進行爆破挖方施工時，為最大限度地降低爆破振動的危害，確保水利大壩壩體的安全運行，必須對爆破挖方引起的爆破振動進行實時監測，并以此作為后期開挖施工的理論指導和設計參照。

1 爆破振動監測與分析

1.1 工程概述

某城鎮引水工程取水首部工程段需爆破挖方，該爆破段距離某水利樞紐大壩較近（最近處距左副壩頭約 150m左右），為了解爆破是否對該壩體的安全運行產生振動影響，受某工程局新疆工程項目部的委托，新疆某物探隊對該水利樞紐大壩壩體0+380處、0+870處及1+105處進行了爆破振動監測。

1.2 工作布置、方法與技術

1.2.1 爆破振動監測系統

此次爆破振動監測工作采用速度傳感器、屏蔽電纜、SWS-1G多功能工程檢測儀組成的觀測系統，速度傳感器型號CD-7-S，靈敏度600mV/(cm·s-1)，誤差為±5%。

1.2.2 振動監測方案

振動傳感器在測試點壩面沿東西、南北、垂向三方向呈等邊三角形布置，傳感器間距60cm。監測位置和爆破點位置由該水利樞紐管理處工作人員現場指定。分別在渠線樁號（0+670～0+690、0+690～0+700、1+073～1+093）布置了三處爆源（B1～B3），B1炮孔20個，炮孔深度6m（有5孔2.5m），單孔最大裝藥量 12 kg，總藥量 192 kg；B2炮孔9個，炮孔深度6m，單孔最大裝藥量12kg，總藥量 72kg；B3炮孔19個，炮孔深度6 m，單孔最大裝藥量13kg，總藥量216kg；3處爆源炸藥均為乳化炸藥，起爆方式為孔間毫秒級延時起爆。對應監測點分別位于大壩軸線樁號 0+380、0+870、1+105（J1～J3）處。

1.3 爆破振動觀測物理量的選擇

爆破振動是工程爆破作業所帶來的附加效果，其會給爆破區附近構筑物的安全帶來嚴重威脅。目前，國內外相關的研究學者加強了對爆破振動的特性、爆破衰減規律及振動安全標準的研究工作，研究發現，與其他衡量爆破振動強度的物理量相比，單一的質點振動速度更能反映爆破產生的振動效應，許多國家以此為依據制定了相應的爆破振動安全標準。

然而，近年來隨著進一步深入研究，人們發現在不同的爆破條件下，即使有相同的地面質點振速峰值，其振動頻率和振動持續時間也有很大的差別。對于相同的建筑物，在振速相同的條件下，振動頻率和振動持續時間的不同對建筑物的結構動力影響也不一樣。這種靠單一質點振速峰值來評判爆破振動強度的方法存在一定的缺陷和不足，爆破地震波具有衰減快、頻率高、持續時間短的特點，與振動持續時間相比，振動頻率對建筑物有更加明顯的破壞作用，因此目前一些國家在制定新的爆破振動安全判據時，普遍考慮了振動速度與頻率的共同影響，制定了以不同頻率范圍的振速控制標準。

我國最新頒布的《爆破安全規程》(GB6722-2003)也有明確規定，對于爆破強度的判定不能單依靠單一質點振速峰值，要結合振動頻率進行綜合評估。雖然人們已經認識到了振動頻率在爆破振動危害中的重要作用，也認可振速-頻率聯合判據的方法。但就目前而言，人們還只是定性地分析振動頻率在爆破振動危害中的作用，主要還是采用以質點振動速度峰值為主的標準來進行爆破振動衰減規律的預測研究。

1.4 爆破監測成果及分析

1.4.1 監測成果

此次爆破振動監測工作共進行了3次爆破，觀測到3組有效振動信號。監測成果如下所示。

J1點觀測到的質點振動速度最大值：Vx=0.142，Vy=0.137，Vz=0.167，合成速度 V =0.258cm/s，振動主頻為15～18Hz,實測振動波形見圖1。

圖1 J1點實測振動波形圖

J2點觀測到的質點振動速度最大值：Vx=0.139，Vy=0.102，Vz=0.167，合成速度V=0.240cm/s，振動主頻為17～25Hz,實測振動波形見圖2。

圖2 J2點實測振動波形圖

J3點觀測到的質點振動速度最大值：Vx=0.042，Vy=0.040，Vz=0.102，合成速度V=0.117cm/s，振動主頻為18～21Hz，實測振動波形見圖3。

圖3 J3點實測振動波形圖

1.4.2 爆破振動監測成果的回歸分析

（1）回歸數學模型。此次振動監測實驗采用振動速度作為判斷依據，以爆破最大振動速度作為物理量進行數據監測和分析，爆破震動監測工作,必須找出適合該地區特定的爆破震動衰減經驗公式，各測點高程差在0.5～1.5m之間，不必考慮高程差對地震波傳播影響，故爆破強度衡量標準可用下面的冪函數形式進行回歸計算。

式中：V——質點最大振動速度，cm/s；

Q——最大單響的裝藥量，kg；

R——測點到爆源的距離，m；

β——常數,一般取 1/3；

K、α——分別為衰減系數和衰減指數。

（2）回歸結果及分析。通過對觀測結果的回歸分析，得到的數據相關性較好，3次爆破試驗數據的相關系數均在 0.9以上，這就說明按公式(1)進行回歸分析，在對數坐標系中，數據有良好的線性相關性。分析爆破振動監測實驗數據還可以得出，裝藥量和炮孔深度對質點振速峰值也有很大的影響，炸藥是爆破振動的能量源，裝藥量越大振動效果越明顯，而且裝藥量對爆破衰減規律也有一定影響，炮孔深度較裝藥量而言影響更加明顯。

各測點實時監測數據對比如表1所示。

表1 爆破振動監測數據綜合對比

在《爆破安全規程》（GB6722-2003）6.2條款的相關規定中沒有心墻壩的爆破振動安全標準，但參照水工建筑物允許爆破振動最小的電站廠房區最大振動速度不大于 0.5cm/s，此次振動監測最大振動速度值為V =0.258cm/s，小于該電站廠房的安全允許振速，而且各次爆破振動監測結果表明，振動主頻率主要分布在 15～25Hz之間，其振動主頻率的范圍符合爆破安全規程的要求。因此在與該次監測相同爆破藥量和相同爆破方式下產生的振動，對大壩壩體的安全運行不會造成有害的振動影響。

2 爆破振動控制技術

（1）控制單孔最大裝藥量。由式(1)可得，在其他條件相同的情況下，爆破地震中質點振動速度與最大單響的裝藥量成正比，爆破藥量決定了爆破能量的大小，適當地降低裝藥量可達到爆破減震的目的。

（2）采用多段微差爆破。微差爆破能有效地在時間和空間上分散地震波的能量，降低單響藥量。多段微差爆破就是以毫秒的時間間隔起爆炮眼分組，以增多輔助自由面，使后一段爆炸產生的地震波與前一段地震波相互疊加，增加巖塊相互間碰撞擠壓作用以及地震波的相互干擾并相互補充，這在很大程度上可減弱炸藥爆炸的地震效應。

（3）改變裝藥結構，控制炮孔裝藥密度。合理地改變裝藥結構可以控制爆破能量的釋放方式，降低震動效應。

（4）采用預裂爆破。預裂爆破能阻隔地震波向外傳播，是爆破施工中良好的減震措施，效果明顯。

3 結 論

振動監測在對水利工程爆破施工過程中具有十分重要的作用，利用爆破振動監測技術，對監測點進行振動強度預測，從而可以有針對性地改進爆破方案，采取科學合理的爆破振動控制技術，降低爆破振動對水利樞紐大壩壩體的影響。

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