重慶樞紐區域爆破震動對邊坡穩定安全標準確定方法討論

言旺軍 周余奎(中鐵西南科學研究院有限公司,四川成都 610031)

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重慶樞紐區域爆破震動對邊坡穩定安全標準確定方法討論

言旺軍 周余奎
(中鐵西南科學研究院有限公司,四川成都 610031)

【摘 要】本文在重慶樞紐《城市區巖石路塹與淺埋隧道安全控爆技術》課題組的大量監測數據和現場建(構)筑物的安全驗證基礎上,總結了城區大規模土建施工中爆破開挖對城區建筑物和建筑物基礎及邊坡穩定的影響及評判方法,討論了幾種邊坡穩定安全標準評定方法的特點和適用范圍,提出了適用于城區復雜環境下邊坡穩定的判斷方法:邊坡巖石質點臨界震動速度判別法及其計算方法。

【關鍵詞】爆破震動 評價方法 臨界震動速度

【Abstract】In this paper, base on ChongQing hub 《the urban area of rock cuttings and shallow buried tunnel safety controlling blasting technology》research group has got a large number of monitoring data and the field experience, based on the blasting excavation in large-scale urban construction are summarized in the foundation of the buildings and structures in urban areas and the slope stability of the impact and evaluation method of slope stability are discussed several characteristics and applicable scope of safety standards evaluation methods, put forward the suitable for urban complex environment judgment method of slope stability, slope rock particle vibration velocity critical criterion and its calculation method.

【Key words】Blasting vibration Evaluation method The critical vibration velocity

為保證建(構)筑物的安全，需將爆破震動強度控制在一臨界值內。若超過此臨界值，就引起建(構)筑物的破壞，這個爆破震動強度臨界值稱為爆破振動判據。由于建筑物的多樣性和地震波波形的千變萬化，要定出一個統一的判據是不可能的。

在評價爆破震動對建(構)筑物的危害時，不僅應用位移、速度、加速度作為破壞判據，還應考慮爆破震動持續時間對建(構)筑物的累積破壞作用，振動頻率與建(構)筑物固有頻率之間的關系等。

1 爆破震動評價方法

1.1 速度判別法

點速度可將地震波所攜帶的能量與所產生的動應力相聯系起來，而且質點震速測試較為簡便，所以質點震速作為爆破地震效應的衡量指標應用最廣泛，生產實踐中一定程度上也表明爆破震動速度大小對邊坡穩定影響程度是顯著的[13]。應用薩道夫斯基公式[14]：

式中：Q為爆破藥量，kg，齊發爆破時為總藥量，分段爆破時為最大一段藥量；R為測點至爆源中心的直線距離，且 R=（h2+l2）0.5，h為測點至爆源垂直距離，m； l為測點至爆源水平距離，m；K是與巖石性質、爆破參數和爆破方法有關的參數； α是爆破震動波隨距離的衰減指數。

不同Q、R值條件下，測出對應的V值，如應用薩道夫斯基公式進行線性回歸分析，得出某一區域或建筑的震速預測公式。考慮到建筑的高度對爆破影響有放大作用，因此對重慶樞紐區域的建筑以建筑頂部和基礎分別預測取較大的震速作為衡量標準來驗算安全性。

1.2 加速度判別法

震動破壞常取決于加速度的大小，為了量化地確定爆破對爆區建筑物和建筑基礎邊坡的影響，可采用美國陸軍工程團計算爆破引起的巖石振動加速度的方法[3]，計算公式如下：

式中：a為地面爆破在巖體中引起的加速度，m/s2；Q為炸藥量，kg；R為計算點距爆破中心的距離，m； Vp為縱波速度，m/s。

求得震動加速度a后，查表1，便得出對應的地震烈度，據此判別爆破震動對建筑物基礎邊坡穩定性的影響。有了振動加速度a后，可以以加速度反應時程形式代入式(= -Miai(t))中計算爆破對建筑物基礎邊坡巖石的附加動力影響，再用極限平衡方程來檢驗安全性。

1.3 動應力分析法

爆破震動所引起的應力屬動應力，在爆破震動作用下，地震波的傳播引起巖體內部的質點震動，巖體內的動應力與質點震動速度和巖體的阻抗特性有關，根據動量定律可推導出巖體內動應力的關系式為：

縱波 δ=cp·ρ·vp(3)

橫波 τ=cs·ρ·vs(4)

根據重慶樞紐爆破施工區邊坡穩定性計算選用巖體強度指標參數： ρ巖體密度=2.14 t/m3，動彈性模量E=0.07～0.09×105kg/ cm2，泊松比 u=0.34。再根據實測的數據，可計算出研究點因爆破震動所產生的動應力的大小。因為巖體的抗拉強度最低，當不考慮邊坡巖體原有應力作用時，可直接采用求得的應力與巖體的抗拉強度Rt進行比較，如果 δ≥Rt，則巖石會因爆破震動而破裂；如果 δ≤Rt，則爆破震動不會引起邊坡巖石破裂。

1.4 等效靜荷載法

等效靜荷載法是將爆破震動力折算為等效靜荷載，進行擬靜力計算。可采用下列靜力折算公式[14]：

式中：β0為爆破動力系數，β0=0.1～0.3；K0為地震系數；K0= a/ g，其中 a為質點最大振動加速度(cm/s2)， fv a=2π· ( f 為爆破波的震動頻率， v為質點震動速度)；g為重力加速度，980cm/s2； wi為i節點處巖體重量，N。

采用這種方法簡化后，再將等效靜荷載轉化為慣性力施加在邊坡上，進行邊坡的靜力穩定分析，從而研究爆破對邊坡穩定性的影響。

表1 爆破震動加速度與地震烈度

1.5 震動頻率判別法

由于大地系統的濾高頻作用，因此會出現高頻頻率快速下降部分；由于爆破地震波的低頻頻率接近巖石介質的固有頻率。用二元回歸法研究R.L.Yanq，P.Rocque等人的實驗結果可得出以下結論[15]：頻率f與(R/Q0.33)有較簡單指數關系：

式中：R為距離，m；Q為炸藥量，Kg

當6式中的頻率f為距離R遠處的被保護建(構)筑物的固有頻率f固時，由6式有：

將7式兩邊取對數得ln f固=ln5000－0.4R/Qf0.33，可得：

用Qf與由安全震動臨界速度計算出的最大單段藥量Q比較驗算，當兩者接近時，需要減小最大單段藥量Q，避免使被保護建(構)筑物因與爆破地震波發生共振而破壞。對于巖石，其自振頻率為10～15Hz[4]，對于邊坡易破壞的薄弱部位距爆源的距離和自振頻率代入8式可求出不可取的單發炸藥用量范圍值，因此對于邊坡的開挖爆破就需要避開這一段爆破振動頻率。

邊坡在施工期間的開挖破壞主要來自于邊坡開挖爆破和邊坡開挖后圍巖的卸載，后者影響程度和范圍較小；前者又分為了爆源近區和遠區或直接破碎區和爆破震動影響區，對于邊坡穩定性主要討論爆破遠區或爆破震動的影響。

在爆區一定范圍內，爆破震動達到一定強度時，會引起鄰近邊坡區不同程度的破壞。其不破壞判據[16]：邊坡巖石質點的爆破震動速度≤臨界震動速度[V] ，即：

V≤[V] (9)

式中： V為距爆源 R處質點震動速度， cm /s； k為系數，軟巖k=250～350； Q為單響最大藥量，kg； R為計算點到爆源的距離，m；α為衰減系數，軟巖 α=1.8～2.0。

安全判據應考慮大連續爆破開挖和與動態結構反應的有關問題，材料疲勞，人體反應以及用概率來測定某些不確定因素等，因此基于質點速度大小制訂的安全標準也需考慮震動頻率。

2 邊坡巖石質點臨界振動速度的理論計算式

通過理論研究和振動監測數據的反演分析，可確定出巖質邊坡的爆破振動安全標準。根據影響邊坡失穩的影響因素知：要使邊坡失穩，外力(爆破)的合力大于或等于邊坡巖石失穩的合力F（f,c,ρ）。對于單位巖石來說，爆破動力加速度可由力學知識知：a=ωf·v ，從而可以建立平衡方程 F（f,c,ρ）=ρ·ωf·v，對于這個方程中的f，c， ρ，可以通過地質資料或現場實驗獲取。 ωf是通過監測數據進行傅立葉頻譜分析，選出貢獻最大的值(求法見周余奎碩士論文的2.4.3節)。根據理論計算可求得巖石出現破壞時的臨界振動速度：

式中：V0為巖石出現破壞時的臨界振動速度；f為滑動面的摩擦系數；C為粘結力(Kg/cm2)； ρ為巖石的容重(t/m3)； ωf為通過監測數據進行傅立葉頻譜分析出的最大值。

根據重慶樞紐爆破施工區邊坡穩定性計算選用巖體強度指標參數：f=10～12，容重 ρ=2.14 t/m3，粘結力C=0.1Kg/cm2，內摩擦角 φ=20°以及爆破振動監測數據的傅立葉頻譜分析值，可以求出其巖石出現破壞時的臨界振動速度V0。

3 結語

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