基于爆破振動的新澆混凝土現行安全標準探討*

潘長春

（安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南232001）

近年來隨精細爆破理論進步，爆破器材革新，爆破安全質量得到提高，但爆炸產生爆破振動對環境危害非常嚴重[1-3]。為快速施工，爆破開挖與鄰近混凝土澆筑常平行作業，爆破振動使新澆混凝土開裂或在基巖交界面產生裂隙。因此，新澆混凝土在爆破振動作用下安全問題受到廣泛關注，為確保新澆混凝土質量，須嚴格控制爆破振動和安全標準。本文簡述并分析爆破振動破壞失穩機理，從國內外大量試驗數據和成果及各國各行爆破振動安全標準等角度出發，闡述了爆破振動對新澆混凝土影響和現行安全標準缺陷，為制定新澆混凝土爆破振動安全標準提供參考。

1 爆破振動破壞機理

國內外多數學者認為爆破破壞機理是反射拉應力波和爆炸氣體壓力共同作用的：首先沖擊壓力壓碎巖石，隨后應力波在壓碎區域外產生徑向裂隙，爆轟氣體產物繼續壓縮巖石，在拉伸應力和氣楔的雙重作用下，初始裂隙繼續延伸和張開，周圍巖石質點出現切向拉伸及徑向位移，形成分布不規則的裂紋，攜帶著較大能量的雙重拉伸波應力的綜合效應作用是巖石破壞重要條件，同時爆炸氣體不斷傳遞能量，發展裂隙，加速巖石破壞、失穩和分離[4-6]。

2 現行安全標準及討論

表1 新澆大體積混凝土的振動速度安全標準

表2 新澆混凝土的振動速度安全標準

20 世紀60年代國外主要考慮爆破開挖對新澆襯砌混凝土、噴射混凝土及灌漿帷幕等施工影響問題。如部分國外禁止在齡期＜1d 混凝土附近進行爆破施工，允許在齡期1～5d 混凝土30m 外爆破施工，并規定爆振速度＜5cm/s[7]。

文獻[8]對于齡期≤20h 混凝土，處于初凝至終凝期間，后期強度受爆破振動影響較小；陳明等[9]對比不同類型爆破地震波及入射角度，提出了新澆混凝土安全振動速度計算方法；蔣楠等[10]研究爆破應力波體波對隧道混凝土襯砌結構破壞效應中P 波占主導地位，其安全標準≤14.51cm/s；吳帥峰等[11]研究爆破對新澆混凝土強度影響，提出6h、12h 等齡期內的混凝土安全振速2cm/s；朱傳統等[12]利用現場觀測資料，提出以質點峰值振動速度為新澆大體積混凝土安全標準，匯編了規范[13]，見表1。

規范[14]和規范[15]在混凝土澆筑等過程中，若鄰近部位鉆孔爆破，為確保爆破時混凝土、灌漿、預應力錨桿不受影響，須控制爆破，規范[14]比規范[15]要求偏高，見表2、3。

表3 新澆大體積混凝土、灌漿區與錨噴支護的振動速度安全標準

表4、5 通過工程經驗總結，給出國內外工程新澆混凝土安全標準，且國外部分試驗表明，現行新澆筑混凝土安全標準具有較大安全空間[16]。

表4 國內部分水電工程新澆混凝土振動速度安全標準

表5 國外部分水電工程新澆混凝土振動速度安全標準

我國的《爆破安全規程》（GB6722-2014）[17]對新澆大體積混凝土的爆破振動判據，采用保護對象所在地基礎質點峰值速度和主頻，將爆破地震波頻帶細劃為若干段，提出了各頻率范圍中的安全允許振動速度，見表6，相比之下我國標準偏于保守。

而新澆筑混凝土與基巖結合面是混凝土體強度薄弱環節，考慮到混凝土的抗拉強度遠低于抗壓，因此，防止新澆筑混凝土與基巖結合面拉斷破壞成為振動控制的關鍵，需滿足[18]：

為了避免在新澆混凝土中出現拉應力，保證基巖和新澆筑混凝土結合面上應力與位移的連續性，及基巖對新澆混凝土的約束作用，得新澆混凝土振動極限速度：

式中：v 和E 為基巖泊松比和彈性模量，cR為Rayleigh 波速，cP和cS為巖土介質縱波和橫波波速。

由上述可知：為保證爆破開挖時新澆混凝土穩定性，國內外學者就降低爆破振動對新澆混凝土破壞進行了深入研究，且提出具體條件下的爆破振動安全標準，但實踐表明現有安全標準尚存在缺陷。

（1）發現現行爆破振動安全標準的確定，沒有細化爆破地震波的種類，研究表明[18]：在確定安全標準時值得關注不同爆破地震波種類，混淆使用可能帶來工程安全隱患。

（2）隨著工程運用，單一標準很難解釋振動破壞現象，國外開始采納“主頻率+質點臨界速度”為安全標準。美國露天礦務局的標準（OSM 標準）是國際上常用雙因素安全標準，如表7 所示。

表6 新澆大體積混凝土的振動速度安全標準

表7 OSM 的安全允許標準

我國爆破安全規程（GB6722-2014）考慮了雙因素合理性，按各自固有頻率劃定不同標準，如表8 所示。

現行安全標準均突出頻率重要性，大量文獻表明：爆炸信號頻率往往頻帶范圍廣，頻譜特征不相同，屬于隨機非平穩信號。在不同新澆混凝土情況下，要精細這種寬頻帶、多主頻地震波，目前未有準確分析技術，導致主頻選取波動大，與實際往往不符，所以，工程實踐中采用雙因素判斷是否會產生破壞常常失準。

（3）爆破振動設計采用光面爆破、預裂爆破、微差爆破等精準控制技術，降低振動損害，隨著電子雷管應用，峰值速度得到降低，但延長了振動持續時間。同時，由于主頻率降低、持續時間變長，使得新澆混凝土振動疊加突出。眾所周知，新澆混凝土爆破振動響應與幅值、頻率、持續時間等綜合因素有關。現行安全標準卻未體現出持續時間和累積效應的影響，對結構體安全是不利的。

（4）現行新澆混凝土安全標準主要考慮混凝土齡期影響，隨齡期增長，振動臨界速度就越大，但不同新澆混凝土結構抗振能力未予考慮，爆破應力波從新澆混凝土與基巖接觸面投射到混凝土中產生動荷載超過其極限強度就會破壞。

（5）現行安全標準又以現場觀測新澆混凝土臨界振速為依據，常把安全控制標準系數制定的過高或過低。從工程實踐看，過高標準對爆破精準控制技術要求較高，會延緩施工，加大成本，過低標準又不能保證新澆混凝土穩定性，甚至會造成破壞。

3 結束語

爆破振動對新澆混凝土這種特殊結構的影響，涉及到爆破地形地質條件、地震波種類與傳播途徑，炸藥性能、爆破技術和新澆混凝土結構本身等諸多因素，包含爆炸力學、巖石動力學和工程爆破等多學科交叉領域，是一個老而新的復雜的問題。在參與國家基金課題研究中，發現現行新澆混凝土爆破振動安全控制標準存在缺陷。基于此，筆者通過對現有新澆混凝土爆破振動安全標準的分析討論，加強了解新澆混凝土受爆破振動的影響，以期在新澆混凝土爆破振動安全控制標準上取得新進展。