爆破振動與塌落觸地振動特點及傳播規律試驗研究

季 杉， 謝偉平， 王 禮(武漢理工大學 土木工程與建筑學院，武漢 430070)

爆破工程引起的振動主要是包括兩方面的振動：炸藥自身爆炸引起的爆破振動和爆炸物塌落觸地引起的振動。模型試驗，特別是1∶1的足尺試驗研究是掌握這兩類特點和傳播規律的有效手段。

目前關于爆破的試驗研究十分豐富，但大部分集中在采礦工程[1]、巖石工程[2]和隧道建設[3]中，而關于地表一般建筑物、高架橋梁爆破試驗研究方面相對較少。Pijush等[4]研究了控制爆破技術在某水電站防護墻體爆破拆除中的應用，并探討了爆破拆除引起的坍塌振動對臨近壩體安全的影響；Cho等[5]進行了足尺單柱爆破試驗，研究了混凝土材料碎片形式及數量對地面振動響應的影響；Fujikake等[6]研究了預應力混凝土柱子在不同階段的爆炸響應及其對周邊的影響；Uenishi等[7]基于預應力混凝土單柱的爆破試驗結果與有限差分理論，建立了一種適用于混凝土單柱爆破的三維計算分析方法，結果表明該方法能較好的模擬爆破全過程。褚懷保等[8]進行了相關試驗，研究了爆炸荷載作用下混凝土試塊帶損傷時的爆破振動傳播規律，結果表明多次爆破時確定振動安全閾值及爆破振動波傳播衰減規律時應充分考慮損傷累積效應。廖大學等[9]通過現場試驗探討了爆破振動的主頻率對振動速度的影響規律，并基于試驗數據給出了相關的經驗公式。但城市高架橋方面的研究相對較少，在國內城市建設飛速發展的推動下，早期的高架橋工程不能滿足現代城市發展的需要，由此針對高架橋的研究逐漸增多。如謝先啟等[10]針對復雜環境下城市高架橋爆破拆除工程的特點，提出了精細爆破關鍵技術；賀五一等[11]等基于復雜環境下城市高架橋控制爆破拆除技術，改進了爆破方法；劉昌邦[12]則探討了城市高架橋爆破過程中的力學機理，并進行了單跨模型失穩塌落過程試驗研究。Zhao等[13]計算分析了某城市高架橋爆破拆除對臨近地鐵隧道的影響，結果表明為保證臨近隧道安全，必須采取措施降低爆破坍塌物引起的地基振動。從上述已有研究可以看出，雖然目前針對坍塌觸地振動已有大量研究，既有理論分析也有試驗研究，但理論研究方面基于過多的簡化和假設，而試驗方面多以單柱為主，其坍塌觸地振動效應的代表性有限。基于此，本文結合某城市大型高架橋爆破工程，制作了1∶1足尺單柱模型和單跨橋梁模型，基于試驗監測數據，先對比分析爆破振動與坍塌觸地振動的差異，然后分析了坍塌觸地振動的傳播規律。

1 工程概況

本次爆破拆除高架橋由引道與主橋兩部分組成，總長度達3 476.5 m，橫跨5個十字路口，且位于城市鬧市中心，周邊建筑物密集且地下管線復雜。因此，對爆破及塌落觸地引起的振動要求嚴格。

該橋主橋為先張法部分預應力混凝土空心板，主橋共22聯，聯長為128～144 m，分8孔一聯和9孔一聯兩種，以16 m跨徑為主要跨徑，主體部分橋梁底部距離地面的高度為5.00～5.30 m。全橋不同跨徑預制板高度均為0.80 m，板寬相同，中板板寬為1.00 m，位于外側的邊板板寬為2.47 m，位于橋中心線的內邊板板寬為2.20 m。下部構造為隱蔽式鋼筋混凝土暗帽梁，梁高0.90 m。橋墩為雙柱式鋼筋混凝土墩，全橋橋墩界面尺寸相同：0.55 m×1.00 m。試驗場地地面為普通場地，沒有混凝土地面。

2 試驗設計

2.1 原型選擇及試驗類型

通過選取有代表性的橋墩，按相同尺寸、配筋在試驗場進行澆注，修建2個獨立墩柱模型和1個4墩柱單跨橋體模型。在獨立的墩柱進行試爆試驗，在4墩柱單跨橋體模型加載原橋荷載后進行塌落觸地振動試驗和對地下管線沖擊破壞試驗。通過模型試驗結果分析，確定墩柱炸藥單耗、防護形式以及爆破振動、塌落觸地振動效應，從而建議相應的保護措施，確保工程安全。依據上述主橋的主要參數，本次試驗選取主要的16 m跨徑為試驗對象，柱子采用C60混凝土澆筑，其尺寸為：1.000 m×0.550 m×5.00 m(長×寬×高)。圖1為爆破試驗場地布置平面圖，圖1右邊的1#、2#獨立墩柱模型建在土層上(表層并無混凝土)，用于爆破試驗；左邊的為4墩柱單跨橋體模型，用于塌落觸地振動試驗，橋面施加配重鋼結構。先進行1#爆破試驗，2 d后進行2#墩爆破試驗，10 d后進行單跨橋體試驗，其中5#與6#立柱先爆破，經0.31 s后，3#與4#立柱進行爆破(見圖2、圖3)。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖圖1 試驗現場示意圖Fig.1 Schematic map of testing site

(a) 1#墩柱爆破

(b) 2#墩柱爆破圖2 單柱爆破試驗測點布置平面圖Fig.2 Layout plan of monitoring points for single column blasting test

圖3 單跨梁體爆破試驗測點布置平面圖Fig.3 Layout plan of monitoring points for single span bridge blasting test

2.2 爆破參數設計

炮孔采用沿長邊方向布一排鉆孔，沿中心線布設，炮孔間距0.3 m，圖4為布孔示意圖。采用空氣間隔裝藥結構。單孔裝藥形式為：孔底裝炸藥100 g，中間間隔0.3 m，然后再裝炸藥100 g，堵塞0.25 m(見圖5)。所有墩柱均鉆孔爆破，炮孔內裝MS16段(1 020 ms)導爆管雷管，橋墩間延時310 ms(MS9段)。

圖4 布孔示意圖(cm)Fig.4 Schematic diagram of holes (cm)

圖5 裝藥示意圖(cm)Fig.5 Schematic diagram of dynamite in holes (cm)

2.3 監測方案

每次試驗布置了4個速度振動監測點，其中1#墩柱爆破時監測點為A,B,C,D點(見圖2(a))；2#墩柱爆破時監測點分別為E,F,G,H點(見圖2(b))，各點均設于橋墩上。單跨梁體塌落觸地振動試驗監測方案,如圖3所示。設置4個速度振動監測點(I,J,K,L點)以及1個加速度監測點(AA點)。其中：I,J測點位于房屋柱子基礎上，距離爆區邊緣75 m和66 m；K,L測點布置在土表面，距離爆區邊緣為45 m和38.2 m。加速度測點(AA點)布置在已爆破過的1#墩柱上?，F場實際模型圖,如圖6所示。

3 試驗結果

限于篇幅，同時考慮到以安全評價為主，因此本文僅給出速度監測結果，并由時程曲線得到其富氏譜，從而確定其主頻率。

圖6 試驗現場照片Fig.6 Pictures of testing site

3.1 單柱爆破試驗結果

表1為1#墩柱爆破時各監測點三個方向的速度幅值監測值及對應的主頻率值，圖7為測點A和D在三個方向速度響應時程及其頻譜曲線，由圖7及表1可知：①由于監測點均設置在相鄰柱子上，爆炸時產生的沖擊波通過壓縮空氣以及土層傳遞給相鄰柱子。對于離爆源距離較近的A監測點，此時爆炸的能量主要通過壓縮空氣快速傳遞給相鄰柱子，少量則通過土層傳遞給相鄰柱子，因而此時水平速度大于豎向速度，而對于距離爆源較遠的B,C,D點，由于壓縮空氣傳遞的能量急劇衰減而占次要地位，由土層傳遞的振動能量則占主要地位，因而B,C,D點的豎向速度大于水平速度；②各點各方向速度處于0.05～1.36 m/s，小于規范建議的一般建筑結構的振動速度限值，且隨著距離的增加衰減十分迅速；③各測點三個方向速度響應的主頻率均為17 Hz，遠離一般建筑物卓越頻率。

表1 1#墩爆破試驗振動監測結果Tab.1 Monitoring results of blasting test on the 1# column

綜合上述分析，從響應的幅值和頻率兩方面來看，由于爆破是個極短的過程，而且爆破源與對象之間一般是空曠的空間，因此，爆破振動速度在空氣中衰減十分迅速，再考慮到其頻率遠離對象的頻率，可見爆破本身引起的振動的影響十分有限。

由圖7及表1可知：①隨著測點距離的增加，各方向速度逐漸衰減；②其中水平切向速度最大，垂直方向速度最??；③徑向振動主頻率約為15 Hz，而豎向和法向約為10 Hz。

(a) A點徑向

(b) A點豎向

(c) A點切向

(d) D點徑向

(e) D點豎向

(f) D點切向圖7 1#墩爆破A點和D點振動速度時程及其頻譜曲線Fig.7 Velocity time history and their Fourier spectrum curves at point A and D for 1# column blasting

表2為1#墩柱爆破時各監測點三個方向的速度幅值監測值及對應的主頻率值，圖8為測點F和H在三個方向速度響應時程及其頻譜曲線，由于已受到1#墩柱爆破震動的影響，此時的監測的速度幅值變化規律性不是很明顯(見圖9)。但總的趨勢還是一致的：隨著距離的增加，速度響應的幅值顯著降低，各點三個方向速度響應主頻率在14 Hz左右附近波動。

表2 2#墩爆破試驗振動監測結果Tab.2 Monitoring results of blasting test on the 2# column

通過觀察高速錄像可以看出，各孔內雷管的起爆誤差<20 ms，實測波形可以看出在<200 ms為高頻振動，判斷該段為爆破振動，隨后有持續的低頻振動。

3.2 橋體整體塌落觸地爆破試驗

每個橋墩鉆13個炮孔，裝藥量2.76 kg，4個橋墩總計裝藥量11.04 kg，5#立柱與6#立柱首先爆破，經過0.31 s后，3#立柱與4#立柱進行爆破。

3.2.1 速度監測結果

本次試驗監測了4個測點的速度響應，測點布置圖,如圖3所示。表3和圖10分別為各測點速度響應幅值及其變化曲線，圖11為測點I和K速度響應的時程及其頻譜曲線。由圖10、11及表3可知：①測點I的幅值最小，測點L的最大，表明隨著距離的增加速度逐漸衰減；②測點K,L的響應大于測點I,J的，一方面是測點I,J距離震源外邊緣稍遠，另一方面最主要的原因在于測點K,L位于土體表面，其振動主要來自于振動波在土體中的傳播；③各點各方向速度值在0.1～0.6 m/s，特別是位于既有結構基礎上的測點I,J，其速度幅值均較小，依據現有規范，表明結構安全不受影響；④各點各方向速度振動主頻率在4～9 Hz，與一般建筑結構的前幾階頻率較為接近，因而有引起結構共振的可能。

(a) F點徑向

(b) F點豎向

(c) F點切向

(d) H點徑向

(e) H點豎向

(f) H點切向

圖8 2#墩爆破F點和H點振動速度時程及其頻譜曲線

Fig.8 Velocity time history and their Fourier spectrum curves at pointFandHfor 2# column blasting

(a) 1#墩柱爆破

(b) 2#墩柱爆破圖9 1#和2#墩柱爆破時各測點速度幅值變化曲線

Fig.9 Changing curves of velocity amplitudes at each point in three directions

3.2.2 加速度監測結果

本次試驗僅監測了一個點的加速度響應，測點AA位于前期已爆破掉的1#墩柱殘余混凝土上，如圖3所示。表4給出了2#墩柱爆破與單跨梁體塌落觸地引起得測點AA的加速度幅值。由表4可知：①從幅值來看，盡管單跨梁體塌落觸地振動試驗中各測點距離震源外邊緣的距離遠大于2#墩柱爆破試驗時測點的距離，但觸地振動引起的加速度幅值更大，約為爆破振動引起加速度的6倍；②從主頻率來看，由爆破振動引起的加速度頻率遠遠大于觸地振動引起的頻率。

表3 單跨梁體塌落觸地振動測試結果Tab.3 Monitoring results of blasting test on the singlespan bridge

圖10 單跨梁體塌落觸地振動速度幅值變化曲線Fig.10 Changing curves of velocity amplitudes at each monitoring point

(a) I點徑向

(b) I點豎向

(c) I點切向

(d) K點徑向

(e) K點豎向

(f) K點切向圖11 測點I與K三個方向速度時程及其頻譜曲線Fig.11 Velocity time history and their Fourier spectrum curves at point I and K along three directions

表4兩類試驗振動加速度幅值監測結果

Tab.4Monitoringresultsofvibrationaccelerationforthetwokindsofblastingtests

測點震源水平切向振動豎直向振動水平切向振動峰值/(m·s-2)頻率/Hz峰值/(m·s-2)頻率/Hz峰值/(m·s-2)頻率/HzAA2#墩柱爆破0．20>300．000．26200．000．21125．00塌落觸地1．2716．601．259．801．3910．70

3.3 試驗對比分析

單柱爆破試驗用于探討爆破振動的特點及其傳播規律，單跨梁體的塌落觸地試驗用于研究塌落觸地振動的特點及其傳播規律，基于上述試驗結果及對比分析，可有如下結論：①振動響應隨著距離的增加而顯著衰減；②不同位置處的振動影響程度取決于爆破距離；③就速度幅值而言：單柱爆破試驗的測點距爆破橋墩5～21 m處，速度在0.05～1.3 m/s；橋體整體塌落觸地試驗的速度測點距爆破橋墩45～75 m，速度在0.1～0.6 m/s，由此可見觸地振動引起的速度響應更劇烈，同時爆破振動引起的速度衰減更快；④就加速度幅值而言：盡管測點距離較遠，但塌落觸地振動引起的加速度比爆破振動引起的加速度大6倍，觸地振動引起的加速度響應更劇烈；⑤就主頻率而言，觸地振動引起的速度響應的主頻率約為10 Hz，屬于低頻振動；爆破振動引起的速度響應的主頻率>125 Hz，屬于高頻振動，而高頻振動很容易在傳播過程中衰減掉，可見觸地振動引起的頻率更小且頻率接近一般結構基頻或前幾階頻率。因此，在爆破工程中塌落觸地振動比爆破自身引起的振動影響更大，在實際的爆破工程中可以只考慮塌落觸地振動的影響。

4 結 論

本文基于某實際高架橋梁的爆破工程，制作了2個足尺單柱模型以及一個單跨梁體模型，通過足尺模型試驗，獲取了墩柱爆破以及單跨梁體塌落觸地引起的振動特點及其傳播規律。數據分析表明：

(1)塌落觸地振動引起的速度和加速度響應更顯著，且其頻率成分更接近于一般結構的基頻或前幾階頻率，因而實際爆破工程中應更關注于塌落觸地振動的影響。

(2)在傳播規律方面，爆破和塌落觸地引起的振動均隨距離的增加而顯著衰減，但在評價振動響應時，應依據震源與被評價對象的距離確定以豎向振動還是水平振動為主或取二者的綜合。

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