較大高程差迎波坡面爆破地震地形效應分析

陽生權(quán)，張家輝，呂中玉，盧宏力

(1.湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201；2.廣西路橋工程集團有限公司，南寧 530200)

縱觀近些年的相關研究，爆破地震高程“放大”效應一直是業(yè)界重點關注的問題之一，大量地震波傳播、爆破地震效應及其控制以及相關研究表明[1-13]，不同地形地勢條件爆破地震效應有所不同，因此也基于π定理、無量綱分析等理論與方法推導提出了相應的反應地形地勢、高程等因素與條件的質(zhì)點峰值振動速度的經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式，在預測預報爆破地震動、控制爆破地震效應等方面發(fā)揮了應有的作用，由于爆破規(guī)模、工程地質(zhì)環(huán)境、爆破方法等方面的差異，研究成果與結(jié)論的適用與局限性不可避免。因此，進一步針對其適用性，開展與地形地勢相關的研究，既是對既有研究成果的驗證與甄別，也是其中一些問題解決、理論分析與完善的必然趨勢，理論與方法總是在探討中完善，本文結(jié)合實際工程的特殊地形地貌，開展了爆破地震地形效應研究。

本文依托渝懷鐵路增建二線某高邊坡開挖及邊坡防護工程，針對較大高程差起伏地形高邊坡爆破施工的迎波坡面爆破地震地形效應及其預測分析進行了探討。

1 爆破地震波傳播過程中的地形效應

研究表明[2]，地形凹凸起伏變化對爆破地震波的傳播存在很大影響，其影響一定程度上又體現(xiàn)為測點與爆點之間的高程差值影響。文獻[3]理論詮釋地震波傳播過程中邊坡內(nèi)高程放大效應問題。國內(nèi)學者圍繞地形高程放大效應及其機理與控制開展了大量研究[2-13]，高程放大效應并非隨著邊坡高度的增加一直增大，達到臨界值時，也會出現(xiàn)放大系數(shù)減小的現(xiàn)象，其與爆源、比例藥量和高程等密切相關。綜合起來，高程放大效應主要體現(xiàn)為如下3種觀點。

1)坡面效應。坡面效應主要體現(xiàn)為正負高程差作用。文獻[1,3]正文指出，高程對地震波傳播的影響主要體現(xiàn)為坡面效應，根據(jù)波傳播方向與坡面的關系，應對迎波坡面與背波坡面區(qū)別對待，由于高程或深度變化以及波的折、反射以及繞射，地震波在迎波坡面和背波坡面?zhèn)鞑ミ^程中產(chǎn)生坡面效應，進而發(fā)生強度和頻率上的變化；且影響坡面效應的主要因素應該是測點與其相對位置和邊坡工程地質(zhì)條件與幾何尺寸等。

2)鞭梢效應?；诮?構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)動力響應，鞭梢效應較好地分析、解釋了爆破地震波傳播過程中的放大效應問題。建(構(gòu))筑物往往存在轉(zhuǎn)角與突出部位，結(jié)構(gòu)體頂部突出部分由于剛度和質(zhì)量不大，當動荷載主頻與突出結(jié)構(gòu)或邊坡主體結(jié)構(gòu)自振頻率相接近時，突出結(jié)構(gòu)將發(fā)生共振現(xiàn)象，造成一定程度的結(jié)構(gòu)振動幅值較大。文獻[5]認為巖質(zhì)邊坡本身就是一個復雜的巖體結(jié)構(gòu)，邊坡臺階相對于邊坡巖體主體結(jié)構(gòu)屬于突出部位。邊坡的振動放大效應受到諸多因素的綜合作用影響，主要包括邊坡巖體性質(zhì)、相鄰臺階高度差、邊坡坡度以及入射波頻率等。

3)界面群效應。界面群效應則是立足于波動理論，并視土巖邊坡為多層介質(zhì)體，當入射爆破地震波穿越多層介質(zhì)體時，在不同介質(zhì)分界面上發(fā)生折、反射現(xiàn)象，地震波經(jīng)過多界面、多波的波型轉(zhuǎn)換與疊加干涉，隨著地形地貌的改變和較高邊坡高程差的改變產(chǎn)生高程放大效應。

2 爆破地震觀測與分析

2.1 工程概述

依托項目為新建懷化西編組站工程，所在區(qū)域為兩個山脈之間的丘陵、盆地地貌，丘陵區(qū)地面高程在210～400 m之間，局部地段地勢起伏、相對高程差大。編組站GDK0+100～GDK3+534段長度3 434 m，爆破方量約1 200萬m3，主要挖方段里程GDK1+325～GDK2+190，長865 m，開挖寬度670 m，路塹邊坡為14級，最大開挖垂直高度約為124 m。

爆破開挖區(qū)域位于懷化市鶴城區(qū)武陵山國際物流園西南側(cè)，兩條市政道路舞陽大道、龍泉湖路，與線路交叉里程GDK1+210、GDK2+000，距離爆區(qū)130～570 m。爆區(qū)附近居民房屋主要分布在GDK1+120～GDK1+210西北側(cè)。2條110 kV超高壓線路橫跨線路小里程。懷化西編組站高邊坡挖方區(qū)與受影響區(qū)域的位置關系如圖1所示。

圖1 開挖區(qū)域與受影響區(qū)域位置Fig.1 Location of excavation area and affected area

根據(jù)施工地區(qū)地形及周邊環(huán)境等特點，邊坡爆破開挖對周邊環(huán)境的危害主要為爆破振動、爆破飛石、空氣沖擊波等，為了控制爆破施工對110 kV電力線鐵塔(高24 m)和周邊民房的影響，保證永久邊坡巖體的穩(wěn)定性，設計采用14級臺階開挖，臺階高度為10 m，深孔松動臺階爆破，靠近路基邊坡及平臺位置2 m范圍采用光面控制爆破，同時結(jié)合全程爆破地震安全監(jiān)測。

臺階爆破典型鉆爆參數(shù)：單位炸藥消耗量取值0.35～0.55 kg/m3，臨近物流園區(qū)和高壓輸電線塔區(qū)域采用φ90 mm鉆孔；臨近包茂高速公路路基區(qū)域采用φ105 mm鉆孔；距離物流園200 m以外區(qū)域采用φ115 mm鉆孔；永久邊坡光面爆破采用φ76 mm鉆孔。

2.2 測點位置

爆破振動監(jiān)測主要針對包茂高速路面及邊坡、南山寨隧道路面及襯砌、在建高邊坡、周圍民用建筑以及110 kV電力線鐵塔等展開。測點布置在臨近爆源建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角和中心位置的基礎部位(見圖2)，迎波坡面與背波坡面的測點位置如圖3所示。

圖2 測點布置Fig.2 Layout of measuring points

圖3 測點位置Fig.3 Location of measuring points

2.3 迎波坡面爆破地震觀測分析

高邊坡爆破開挖迎波坡面的物流園和邊坡臺階爆破振動部分監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 物流園和邊坡臺階爆破振動監(jiān)測結(jié)果

水平縱向(相關系數(shù)R2=0.81)

(1)

垂直方向(相關系數(shù)R2=0.64)

(2)

式中：vx、vz分別為水平縱向與垂直方向上的質(zhì)點峰值振動速度，cm/s；Q為總藥量，kg；R為爆心距，m。

圖4 質(zhì)點峰值振動速度與比例藥量的關系(總藥量)Fig.4 Relation between peak particle velocity and ratio charge(total charge)

水平縱向(相關系數(shù)R2=0.93)

(3)

垂直方向(相關系數(shù)R2=0.66)

(4)

式中：Qmax為最大段藥量，kg；其他參數(shù)同上。

比較發(fā)現(xiàn)，水平縱向峰值速度與垂直方向峰值速度、最大段藥量條件與總藥量條件，前者回歸分析擬合結(jié)果相關性均要優(yōu)于后者，且隨著藥量和距離的變化，垂直方向的峰值振速衰減也比水平縱向快，說明基于傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的分析結(jié)果，針對延時控制爆破或其他級別的延時爆破的非遠區(qū)，考慮最大段藥量條件相對要精準一些，衰減指數(shù)大也說明垂直方向分量的質(zhì)點峰值振速對比例藥量更為敏感，這應該也是通常選取垂直方向峰值振速作為振速控制標準的依據(jù)所在。

隨著迎波坡面測點與爆源之間距離的增大和觀測數(shù)據(jù)的增加，以及迎波坡面測點高程的變化，在建邊坡與物流園實測振速擬合結(jié)果和擬合相關性并不十分理想，究其原因，這與迎波坡面的爆破測點與爆源之間存在著高程差和不同地質(zhì)地形的影響不無關系。高程差變化大，且相對爆源邊坡臺階的測點均為正高程差位置，物流園區(qū)測點則是負高程差位置，對爆破地震效應的影響突顯出來，觀測結(jié)果表明，邊坡臺階測點振速高程放大效應趨勢明顯，高程差、起伏地形等對爆破地震波傳播的影響不容忽視。

3 迎波坡面爆破地震地形效應分析

3.1 考慮地形因素的爆破地震預測模型

針對具體場地、考慮地形高程差對質(zhì)點峰值振速的影響時，文獻[6～8]建議可以用如下公式預測分析爆破地震。

(5)

式中：v為質(zhì)點峰值振動速度，cm/s；k1、k2分別為場地條件影響系數(shù)和地形高程差影響系數(shù)；β1、β2分別為距離衰減因子和高程差影響因子；ΔH為高程差。也可將式(5)簡化為僅含場地系數(shù)k的關系式：

(6)

3.2 基于地形效應迎波坡面爆破地震預測模型

根據(jù)依托工程迎波坡面爆破振動實測數(shù)據(jù)，基于薩氏經(jīng)驗公式，對式(5)進行回歸分析，即可得到相應的考慮高程差等地形效應因素的質(zhì)點峰值振速預測模型。

首先將式(5)移項整理可得：

(7)

式中：v0為迎波坡面薩氏經(jīng)驗公式計算值，cm/s。

考慮總藥量條件，基于公式(7)的迎波坡面實測數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，還原質(zhì)點峰值振動速度經(jīng)驗公式如下：

水平縱向(相關系數(shù)R2=0.60)

(8)

垂直方向(相關系數(shù)R2=0.57)

(9)

考慮最大段藥量條件，基于公式(7)的迎波坡面實測數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，還原質(zhì)點峰值振動速度經(jīng)驗公式如下：

水平縱向(相關系數(shù)R2=0.61)

(10)

垂直方向(相關系數(shù)R2=0.56)

(11)

3.3 基于地形效應預測模型的迎波坡面爆破地震預測分析

選取迎波坡面典型測試結(jié)果中的相應藥量、距離(爆心距)以及高程差等實測參數(shù)，分別根據(jù)上述分析得到的薩氏經(jīng)驗公式(式(1)～式(4))和基于地形效應的爆破地震預測模型，計算出預測值，在此分別稱之為預測值1與預測值2，并根據(jù)相對誤差來判斷優(yōu)劣，使用下式(12)進行相對誤差分析。

(12)

總藥量條件下預測值相對誤差對比分析如表2、表3所示。最大段藥量條件下預測值相對誤差對比分析如表4、表5所示。

表3 總藥量條件預測值相對誤差對比分析(垂直方向)

表4 最大段藥量條件預測值相對誤差對比分析(水平縱向)

表5 最大段藥量條件預測值相對誤差對比分析(垂直方向)

對比分析薩氏經(jīng)驗公式和地形效應預測模型預測值相對誤差，不難看出總藥量條件下的規(guī)律一致，且基于地形效應預測模型的相對誤差均小于薩氏經(jīng)驗公式，值得提出的是，水平橫向分量的誤差分析結(jié)果也是如此。3個方向上的分量總體平均相對誤差為23.4%，其中最大誤差為32.3%，而薩氏公式預測值總體平均誤差為41.9%，最大達50.2%；最大段藥量條件下的地形效應公式還不如薩氏經(jīng)驗公式精準，其總體平均相對誤差為66.3%，比薩氏公式3個方向的分量總體平均誤差37.4%大很多，說明在依托工程迎波坡面與起伏地形情況下要考慮總藥量并結(jié)合高程差推導振速預測公式更加能達到一個較好的預測控制效果，且能較好地反映出地形效應對爆破振速的影響規(guī)律。這與爆破地震波傳播過程中的路徑、傳播介質(zhì)的復雜性以及傳播過程波的疊加干涉等綜合作用關系密切，傳播路徑愈長、介質(zhì)體愈復雜、爆破地震能愈大，上述影響因素的影響就愈明顯。

4 結(jié)論與建議

1)開展了較大高差起伏地形高邊坡開挖爆破振動測試與分析，通過回歸分析，得到了相應的質(zhì)點峰值振動速度薩氏經(jīng)驗公式以及幅頻特性，針對性的爆破地震安全監(jiān)測，確保了依托工程爆破施工與周邊環(huán)境安全。

2)結(jié)合基于高程放大效應質(zhì)點峰值振動速度經(jīng)驗公式，推導提出了基于地形效應迎波坡面爆破地震預測模型，并開展了質(zhì)點峰值振動速度預測分析，能較好地反映出地形效應對爆破地震的影響，可供類似工程參考與借鑒。

3)通過相對誤差分析，對于傳播路徑長、地形起伏、高程差較大以及爆破地震能較大的情形，以總藥量參與計算、考慮地形地勢條件下的質(zhì)點峰值振動速度公式，相對最大段藥量參與計算的結(jié)果更為精準，相對而言，應該更加能達到較好的預測分析與爆破地震控制效果，究其原因，與爆破地震波傳播路徑、傳播介質(zhì)的復雜性以及傳播過程波的疊加干涉等綜合作用密切相關。