震動(dòng)監(jiān)測(cè)在石方爆破毗鄰構(gòu)筑物開(kāi)挖試驗(yàn)中的應(yīng)用

(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

1 工程概況

南水北調(diào)中線陶岔渠首樞紐工程位于河南省淅川縣九重鎮(zhèn)陶岔村，既是南水北調(diào)中線輸水總干渠的引水渠首“水龍頭”，也是丹江口水庫(kù)副壩，軸線長(zhǎng)265m，主要包括上游引渠、左右岸重力壩、閘室、電站廠房等，施工石方開(kāi)挖總量約為310000m3。

由于樞紐作業(yè)區(qū)毗鄰村莊和當(dāng)?shù)亟煌ㄖ匾缆罚掠尉嚯x交通橋100m左右，人員、車輛密集，運(yùn)輸危險(xiǎn)性大，下游距離老閘壩80多m，在施工中必須對(duì)初始的爆破參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整，通過(guò)監(jiān)測(cè)儀器收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定最佳的爆破參數(shù)，既要確保施工區(qū)域內(nèi)已有構(gòu)筑物的安全運(yùn)行，又要保證周邊村民的安全出行。

2 試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)準(zhǔn)備

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)覆蓋層及土方剝離后，隨即按照爆破試驗(yàn)方案展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)，根據(jù)開(kāi)挖揭露的巖石情況，自土石分界線向下，上部分布有大量泥層將石灰?guī)r分隔，巖石的褶皺、斷裂較為發(fā)育。開(kāi)挖施工難度較大。

爆破試驗(yàn)及震動(dòng)監(jiān)測(cè)工作在監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和人員就位后，按照計(jì)劃，試驗(yàn)重點(diǎn)研究6m以上大梯段及6m以下小梯段的石方爆破參數(shù)及保護(hù)層開(kāi)挖爆破參數(shù)、預(yù)裂爆破參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)確定合理的爆破參數(shù)指導(dǎo)施工。

由于上部巖石中分布泥層較多且未開(kāi)挖至建基面上部，保護(hù)層開(kāi)挖試驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展，本階段試驗(yàn)工作主要結(jié)合巖石上層爆破開(kāi)挖進(jìn)行，通過(guò)若干場(chǎng)次的生產(chǎn)性試驗(yàn)，對(duì)爆破工藝及參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，確定經(jīng)濟(jì)、合理的鉆爆參數(shù)；同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的爆破震動(dòng)觀測(cè)與分析，研究當(dāng)前地質(zhì)及爆破條件下的爆破震動(dòng)特性及震動(dòng)傳播規(guī)律。

3 爆破開(kāi)挖試驗(yàn)實(shí)施

爆破試驗(yàn)主要在10號(hào)和5號(hào)壩段進(jìn)行，先后共進(jìn)行了4次，其中10號(hào)壩段進(jìn)行了3次，5號(hào)壩段進(jìn)行了1次，實(shí)施情況如下：

第一次在右岸10號(hào)壩段爆破場(chǎng)地，一共布置了43個(gè)炮孔，孔距4m，排距2.5m。孔徑115mm，孔深8.5～10m。孔外分段延時(shí)，微差100ms。單段最大起爆藥量130kg，總設(shè)計(jì)起爆方量3360m3，總設(shè)計(jì)起爆藥量1344kg，炸藥單耗0.35～0.4kg/m3。從爆破效果來(lái)看，巖石爆破后上拋幅度微小，飛石控制較好，但由于上部巖石泥層分布較多，爆破后巖石塊徑過(guò)大，對(duì)開(kāi)挖運(yùn)輸造成了很大困難，必須進(jìn)行大面積的二次解孤石施工，費(fèi)時(shí)費(fèi)工。

第二次一共布置了44個(gè)炮孔，孔距4m，排距2.5m。孔徑115mm，孔深平均10m。孔外分段延時(shí)，微差100ms。單段最大起爆藥量200kg，總設(shè)計(jì)起爆方量5500m3，總設(shè)計(jì)起爆藥量1500kg，炸藥單耗0.4kg/m3。從現(xiàn)場(chǎng)爆破效果看，巖石中泥層分布較多，爆破效果仍然不理想，爆破后巖石塊徑過(guò)大，開(kāi)挖運(yùn)輸難度較大。

第三次布置22個(gè)炮孔，孔距3m，排距2m。孔徑115mm，孔深約8m。孔外分段延時(shí)，微差100ms。單段最大起爆藥量60kg，總設(shè)計(jì)起爆方量900m3，總設(shè)計(jì)起爆藥量396kg，炸藥單耗0.44kg/m3。從現(xiàn)場(chǎng)爆破效果看，通過(guò)減小炮孔的堵塞長(zhǎng)度，提高炸藥單耗，爆破后巖石塊徑相對(duì)減小，較為適宜在此種地質(zhì)條件的爆破施工。

第四次在左岸5號(hào)壩段布置28個(gè)炮孔，孔距3.5m，排距2.5m。孔徑115mm，孔深約8m。孔外分段延時(shí)，微差100ms。單段最大起爆藥量100kg，總設(shè)計(jì)起爆方量1960m3，總設(shè)計(jì)起爆藥量840kg，炸藥單耗0.43kg/m3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破效果及地質(zhì)條件分析，爆破效果較好，巖石塊徑均勻，利于開(kāi)挖運(yùn)輸。左岸地質(zhì)條件相對(duì)較好，巖石裂隙較發(fā)育，泥層分布相對(duì)右岸較少，且隨著開(kāi)挖高程的降低，越發(fā)明顯。在此種地質(zhì)條件下，上述爆破參數(shù)在石方開(kāi)挖中較為合理。

4 爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)備

爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)采用的是TOPBOX508S振動(dòng)信號(hào)自記儀，它是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破、振動(dòng)、沖擊測(cè)試而專門(mén)優(yōu)化設(shè)計(jì)的用于信號(hào)記錄和分析的小型儀器。現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一臺(tái)自記儀。自記儀的工作原理如圖1所示。

圖1 TOPBOX508S振動(dòng)信號(hào)自記儀工作原理

每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置兩個(gè)測(cè)向，即水平方向和垂直方向。傳感器采用快干石膏固定在基礎(chǔ)上。

為了確定在爆破時(shí)爆破震動(dòng)衰減規(guī)律及其對(duì)于閘門(mén)和橋梁所產(chǎn)生的安全影響，一共布置了7個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置于同一直線上，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。1、2、3、4、5號(hào)在爆區(qū)與橋之間，1號(hào)距爆區(qū)30m，2號(hào)距爆區(qū)38.7m，3號(hào)距爆區(qū)54.2m，4號(hào)距爆區(qū)68.5m，5號(hào)距爆區(qū)91.5m，即在橋墩處。1～5號(hào)測(cè)點(diǎn)處于同一高程150m。6號(hào)測(cè)點(diǎn)位于5號(hào)上方的橋面，距爆區(qū)水平距離91.5m，高程161m。7號(hào)測(cè)點(diǎn)位于閘門(mén)上方，距爆區(qū)水平距離78m，高程162m。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

5 振動(dòng)信號(hào)的小波包分析

5.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集采用的是2500Hz的采樣頻率，其奈奎斯特(Nyquist)頻率為1250Hz，因此可將交通橋上6號(hào)測(cè)點(diǎn)采集到的信號(hào)用db6小波包分析分解至第8層，從0到1250Hz，得到28個(gè)頻段。對(duì)應(yīng)的最低頻帶為0～4.883Hz。

5.2 各頻帶的能量表征

將被分析信號(hào)分解到第8層，設(shè)S8,j對(duì)應(yīng)的能量為E8,j，則有下式：

(1)

j=0,1,2…,28-1

式中m——信號(hào)的離散采樣點(diǎn)數(shù)；

xj，k——重構(gòu)信號(hào)S8，j的離散點(diǎn)幅值。

設(shè)被分析信號(hào)的總能量為

(2)

則各頻帶的能量占被分析信號(hào)總能量的比例為

Ej=E8,j×100%/E0

j=0,1,…，28-1

(3)

通過(guò)式(1)～式(3)得到信號(hào)經(jīng)過(guò)小波包分解后不同頻帶的能量。

5.3 各頻帶的能量分布規(guī)律

圖3中的上圖表示的是垂直方向重構(gòu)后的振動(dòng)信號(hào)，下圖表示的是在垂直方向不同頻段上的能量分布。圖4中的上圖表示的是水平方向重構(gòu)后的振動(dòng)信號(hào)，下圖表示的是水平方向不同頻段上的能量分布。

圖3 垂直方向小波包分析結(jié)果

圖4 水平方向小波包分析結(jié)果

信號(hào)經(jīng)小波包分解后，不同頻帶的相對(duì)能量分布如表1和表2所列。

從表1、表2可以看出，爆破在交通橋上產(chǎn)生的振動(dòng)能量主要集中于10～50Hz頻率段。

表1 垂直方向小波包分解后不同頻帶的相對(duì)能量分布

表2 水平方向小波包分解后不同頻段的相對(duì)能量分布

6 爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)及安全距離

6.1 建筑物抗爆破振動(dòng)的安全標(biāo)準(zhǔn)

施工開(kāi)挖爆破誘發(fā)的地震波通過(guò)地層傳播到各種建(構(gòu))筑物及設(shè)施，當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度超過(guò)某個(gè)指標(biāo)時(shí)，將造成不利影響。因此，為了對(duì)爆破振動(dòng)的安全影響進(jìn)行客觀評(píng)定，必須依據(jù)國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或通過(guò)科學(xué)試驗(yàn)制定合理的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，才可能確定合理的爆破方式與鉆爆參數(shù)，有效劃分振動(dòng)安全范圍，使工程施工得以順利進(jìn)行。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)，以質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度為判據(jù)，列出了相應(yīng)的安全允許標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表3)。表中上標(biāo)a～d含義如下：

a-選取建筑物安全允許振速時(shí)，應(yīng)綜合考慮建筑物的重要性、建筑質(zhì)量、新舊程度、自振頻率、地基條件等因素。

b-省級(jí)以上(含省級(jí))重點(diǎn)保護(hù)古建筑與古跡的安全允許振速，應(yīng)經(jīng)專家論證選取，并報(bào)相應(yīng)文物管理部門(mén)批準(zhǔn)。

c-選取隧道、巷道安全允許振速時(shí)，應(yīng)綜合考慮構(gòu)筑物的重要性、圍巖狀況、斷面大小、深埋大小、爆源方向、地震振動(dòng)頻率等因素。

d-非擋水新澆大體積混凝土的安全允許振速，可按本表給出的上限值選取。

根據(jù)小波包分析的結(jié)果，爆破振動(dòng)的能量主要分布在10～50Hz頻段。閘門(mén)和橋梁都為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，參照大體積混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的要求，將老閘和橋梁的安全標(biāo)準(zhǔn)分別定為：爆破振動(dòng)頻率為10～50Hz時(shí)，安全允許振速為7cm/s 、3.5cm/s。

表3 《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

注1.表列頻率為主頻率，系指最大振幅所對(duì)應(yīng)波的頻率。

2.頻率范圍可根據(jù)類似工程或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形選取。選取頻率時(shí)亦可參考下列數(shù)據(jù)：硐室爆破小于20Hz，深孔爆破10～60Hz；淺孔爆破40～100Hz。

6.2 爆破振動(dòng)速度預(yù)報(bào)及安全距離

6.2.1 預(yù)報(bào)公式

按照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)的推薦，爆破振動(dòng)一般采用薩道夫斯基提出的下列公式來(lái)預(yù)測(cè)和估計(jì)爆破振動(dòng)的強(qiáng)度：

(4)

由式(1)導(dǎo)出的安全允許距離為

R=(K/v)1/αQ1/3

(5)

式中R——爆破振動(dòng)安全允許距離，m；

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大一段藥量，kg；

v——保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度，cm/s；

K、α——與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

6.2.2 爆破振動(dòng)衰減規(guī)律

6.2.2.1 垂直方向的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)垂直方向資料所得到各測(cè)點(diǎn)的波形參數(shù)(見(jiàn)表4)，7號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值未達(dá)檢測(cè)設(shè)備的觸發(fā)底限值，根據(jù)設(shè)備的設(shè)置，可知振動(dòng)峰值小于0.474cm/s。結(jié)合爆破設(shè)計(jì)參數(shù)及各測(cè)點(diǎn)的爆源距，即可擬合出從爆區(qū)到橋的爆破質(zhì)點(diǎn)垂直方向振動(dòng)速度的預(yù)報(bào)公式。

表4 各測(cè)點(diǎn)垂直方向的波形參數(shù)

各測(cè)點(diǎn)垂直方向?qū)崪y(cè)爆破振動(dòng)波形圖見(jiàn)圖5～圖10。

圖5 1號(hào)測(cè)點(diǎn)垂直方向爆破振動(dòng)波形圖

圖6 2號(hào)測(cè)點(diǎn)垂直方向爆破振動(dòng)波形圖

圖7 3號(hào)測(cè)點(diǎn)垂直方向爆破振動(dòng)波形圖

圖8 4號(hào)測(cè)點(diǎn)垂直方向爆破振動(dòng)波形圖

圖9 5號(hào)測(cè)點(diǎn)垂直方向爆破振動(dòng)波形圖

圖10 6號(hào)測(cè)點(diǎn)垂直方向爆破振動(dòng)波形圖

由1～5號(hào)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得出從爆區(qū)到橋墩處水平方向的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律：

R2=0.774

(6)

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在10～50Hz下的安全允許振速3.5cm/s，可以導(dǎo)出該爆區(qū)垂直方向不同裝藥量時(shí)的安全允許距離公式：

R=(78/v)1/1.57Q1/3

(7)

將安全允許振速3.5cm/s代入，得

R=7.22Q1/3

(8)

將老閘部位的安全允許振速7cm/s代入，得

R=4.64Q1/3

6.2.2.2 水平方向的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律

與垂直方向一樣，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水平方向資料所得到各測(cè)點(diǎn)的波形參數(shù)(見(jiàn)表5)，7號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值未達(dá)檢測(cè)設(shè)備的觸發(fā)底限值，根據(jù)設(shè)備的設(shè)置，可知振動(dòng)峰值小于0.474cm/s。結(jié)合爆破設(shè)計(jì)參數(shù)及各測(cè)點(diǎn)的爆源距，擬合出爆區(qū)到橋的爆破質(zhì)點(diǎn)水平方向振動(dòng)速度的預(yù)報(bào)公式。

表5 各測(cè)點(diǎn)水平方向的波形參數(shù)

各測(cè)點(diǎn)水平方向?qū)崪y(cè)爆破振動(dòng)波形圖見(jiàn)圖11～圖16。

圖11 1號(hào)測(cè)點(diǎn)水平方向爆破振動(dòng)波形圖

圖12 2號(hào)測(cè)點(diǎn)水平方向爆破振動(dòng)波形圖

圖13 3號(hào)測(cè)點(diǎn)水平方向爆破振動(dòng)波形圖

圖14 4號(hào)測(cè)點(diǎn)水平方向爆破振動(dòng)波形圖

圖15 5號(hào)測(cè)點(diǎn)水平方向爆破振動(dòng)波形圖

圖16 6 號(hào)測(cè)點(diǎn)水平方向爆破振動(dòng)波形圖

由1～5號(hào)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得出從爆區(qū)到橋墩處水平方向的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律：

(9)

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在10～50Hz下的安全允許振速3.5cm/s，可以導(dǎo)出該爆區(qū)垂直方向不同裝藥量時(shí)的安全允許距離公式:

R=(100/v)1/1.69Q1/3

(10)

將安全允許振速3.5cm/s代入，得

R=7.27Q1/3

(11)

將老閘部位的安全允許振速7cm/s代入，得

R=4.82Q1/3

6.2.2.3 爆破安全距離

按前面規(guī)定的爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)(爆破振動(dòng)頻率為10～50Hz時(shí)，安全允許振速為3.5cm/s、7cm/s)，計(jì)算得到的范圍稱之為爆破振動(dòng)臨界安全距離，在此范圍內(nèi)的建筑物認(rèn)為是不安全的。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6～表7。

表6 老橋不同裝藥量情況下的安全距離

表7 老閘不同裝藥量情況下的安全距離

此次爆破最大單段裝藥量為130kg，控制方向?yàn)榇怪狈较颍嚯x為44m。

7 結(jié) 論

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)作的小波包分析表明，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)能量主要分布在10～50Hz頻段。而橋梁自振頻率所處的第一頻段，即0～10Hz之間的能量較小，對(duì)于橋梁影響較小。在此頻率段內(nèi)，按照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)中安全允許振速的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)建筑物實(shí)際，老閘坡腳距爆破開(kāi)挖區(qū)最近距離約29m(Ta-57～ Ta-28)，下游老橋距爆破開(kāi)挖區(qū)最近距離約24m(Ta+99.76～ Ta+123.8)，得出爆破的理論臨界安全距離值如下表8所列。

表8 老閘不同裝藥量情況下的安全距離

老閘在最大單段起爆藥量控制在130kg以內(nèi)時(shí)，爆破施工易控制。在靠近老橋附近20～30m爆破時(shí)，最大單段起爆藥量以控制在50kg以內(nèi)為宜。主爆孔的間排距要根據(jù)地質(zhì)情況調(diào)整，土加石以3m×2m、較完整巖基深孔梯段以3.5m×2.5m為好。深孔梯段以藥卷直徑90mm爆破，單耗在0.42～0.45kg/m3為宜。

以上爆破試驗(yàn)主要針對(duì)常規(guī)石方開(kāi)挖過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整，爆破參數(shù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，接近建基面時(shí)的預(yù)裂爆破參數(shù)，將重新進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整，以便獲得理想的預(yù)裂爆破數(shù)據(jù)。