露天爆破對既有結構關鍵振動特征的影響分析

王祥獻，穆 銳，黃質宏，孔伏祥，張 琪，張 弘

(1.貴州大學 a.土木工程學院; b.人民武裝學院， 貴陽 550025；2.陸軍勤務學院 軍事設施系， 重慶 401331; 3.貴陽市烏當區住建局， 貴陽 550000)

工程爆破開挖是當今基礎設施建設過程中的關鍵施工技術，特別是在巖土工程領域的應用較為廣泛。但隨著爆破開挖施工的環境越來越復雜，其對周圍環境帶來的影響也是爆破施工技術研究的熱點問題。近年來，許多學者在爆破開挖技術方面做了大量的研究工作，主要包括理論研究、現場測試以及數值模擬幾個方面，具體情況如：

理論研究方面，萬嗣鵬等[1]考慮爆破振動速度為影響因素，基于準巖體強度，采用量綱法對爆破振動速度的公式進行修正；楊招偉等[2]基于地表實測爆破振動試驗，提出了快速確定巖體動力學參數的新方法；王林臺等[3]根據模態參數，利用質阻彈模型的動力微分方程，建立Simulink動力仿真模型；梅比等[4]將HHT算法引入MP算法對數據進行預處理，降低了MP算法運算復雜程度，更有利于爆破理論分析研究。現場測試研究方面，公偉增[5]、朱利明[6]、管曉明[7]等研究了隧道爆破開挖施工對已有建筑物的振動影響規律，從而確立了相應合理的爆破施工方案；程存玉等[8]以實際爆破工程為背景，研究了爆破振動對路基邊坡振動影響的規律。數值模擬研究方面，李鵬[9]、賈磊[10]、于建新[11]、凌天龍[12]等利用數值模擬將理論應用于實際爆破，研究結果表明，數值模擬與實際工程基本吻合，論證了數值模型的可行性。

從已有研究成果來看，大多現有研究成果分析了爆破開挖施工對實際工程中的影響作用，雖取得了較為豐富的成果，但由于露天爆破開挖施工方案、建(構)筑物結構和場地特征的差異性大，很難直接借鑒。鑒于此，筆者從實際工程出發，研究了露天爆破開挖對既有結構關鍵振動特征(振動速度和主振頻率)的變化規律影響，采用最小二乘法對修正的薩道夫斯基公式進行回歸分析及預測，建立了徑向X、切向Y、豎向Z方向上振動速度的經驗公式，以期能為類似露天爆破開挖工程提供相應的理論依據及參考價值。

1 工程概況

1.1 坐標方位

在場地平整工程中，擬修建筑類型為電商綜合物流博覽園，位于福泉市。場地平整以爆破開挖為主，主要對規劃建筑物范圍內的山體進行場地平整，如圖1所示。擬建場地的地貌特征起伏較大，地面標高在820.5～891.78 m之間，最大高差約71.28 m。而場地平整設計的標高約為850 m左右，擬建場地東南側道路平場回填，東南側存在高約0～33.3 m、長約467 m的填方邊坡。

圖1 爆區周圍平面布置及環境示意圖

1.2 地質情況

根據工程地質調查及勘察結果，場地范圍內覆蓋土層為第四系耕植土及紅黏土層，下伏分布基巖為二疊系上統吳家坪組(P2w)中至厚層狀灰巖，巖層產狀正常，呈單斜產出，據場地周圍基巖出露點測得其傾向102°，傾角21°。場地基巖發育含有3組優勢節理，第一組節理產狀130°～145°∠45°～60°，第二組節理產狀310°～330°∠50°～60°，第三組節理產狀45°～55°∠75°～80°，節理線密度為2～5組/m，延伸長度0.1～2.5 m不等，節理裂隙張開度2～5 mm，節理裂隙面以鈣質膠結為主，局部為硅質膠結，結構面結合較差，巖體完整性較差。隨開挖深度的增加，巖石的硬度隨之增大，其單軸抗壓強度為37.66 MPa，對于爆破開挖施工不利，影響范圍相對較大。因此，需要對爆破區周圍的既有結構關鍵振動特征進行監測分析。

1.3 爆破周邊環境

爆破區周圍存在大量的建筑群和橋梁結構，具體的爆區周圍環境，如圖1所示。建筑物、橋梁等既有結構離爆破區的具體情況見表1。

表1 既有結構的基本情況

2 爆破監測設計方案

從現場勘查情況看，三江口大橋(326 m)、灑金河大橋(275 m)、金雞山大橋(345 m)距離爆破區相對較遠，灑金河將其與爆破區隔開，存在天然的減震器，露天爆破振動對其影響不大。根據《中國地震烈度表》(GBT17742—2008)[13]和《爆破安全規程》(GB6722—2014)[14]的規定，可不對其進行爆破振動的監測。但將軍橋和在建樓房離爆破區相對較近，爆源距分別為113 m和131 m，根據現場勘查可知，將軍橋的橋面(X、Y水平徑向和切向)和橋墩(Z鉛直方向)均出現裂縫，且在靠近爆破區的一側較多，橋梁等級為一級。從裂縫規律和現場情況分析，確定振動速度的安全限值為2.0 cm/s。

2.1 現場爆破方法及炮孔設計

現場采用電子雷管起爆法與孔內延時起爆法相結合的爆破方式，選用乳化炸藥，其中：電子雷管起爆法起整體控制作用，孔內延時起爆法控制炮孔間的爆破方式。炮孔平面布置的爆破參數見表2，具體裝藥結構如圖2所示，爆破起爆網路如圖3所示。

表2 炮孔平面布置的爆破參數

圖2 裝藥結構 圖3 爆破網路設計示意圖

2.2 振動測點示分布

根據將軍橋的裂縫分布情況以及在建房屋的實際情況，在離爆破區最危險的地方設置現場爆破測點，隨爆破源的移動，測點與爆破源的距離將發生改變，測點分布情況如圖4所示。

圖4 爆破監測點分布情況

2.3 現場測試步驟

現場測試采用TC-4850爆破測振儀。測量三矢量振動速度時，Z向為鉛直方向，X方向指向爆破源，為水平徑向，則Y向為水平切向，現場測試步驟如圖5所示。

圖5 現場測試步驟框圖

3 現場監測結果及數據分析

根據現場測試，得到爆破振動監測結果和原始爆破參數見表3。

表3 測點在X、Y、Z三個方向上的測試數據

3.1 爆心距距對關鍵振動特征的影響

考慮監測設備自身原因以及測試操作誤差，為研究露天爆破施工對關鍵振動特征及其衰減規律，將測點及爆破振動監測數據進行數字化處理，剔除其中離散性較大的數據，得到35組有效數據，主要包括X、Y、Z三個方向上的振動速度、主振頻率、爆心距距等數據，見表3。根據表3中的監測數據，繪制出測點的振動速度和主振頻率隨爆心距距增大的變化規律及趨勢，如圖6、圖7所示。

圖6 測點振動速度隨爆心距距的變化規律示意圖

圖7 測點振動頻率隨爆心距距的變化規律示意圖

由圖6可知，測點在徑向X、切向Y、豎向Z三個方向的峰值振速在安全控制值2.0 cm/s范圍內，這說明該露天爆破施工方法是安全可行的。徑向X、切向Y、豎向Z三個方向上的振動速度均隨爆心距距的增大而逐漸減小。徑向上振動速度的變幅最大，切向Y、豎向Z次之。可以看出，相對于爆破引起的波形傳播，當振動方向與徑向平行時，由于疊加作用影響質點的振動較大，相反其他方向的振動作用相對較弱。由此可知，爆破振動在徑向上的作用最大，其次是切向Y，最后是豎向Z。

同時還發現，監測質點的振動速度受較近爆源區域作用較大，振動速度V隨爆心距距的增大衰減作用較強；受遠爆源區域的作用相對較小，振動速度隨爆心距距的增大衰減作用逐漸減緩，減幅變小。

由圖7可知，隨爆心距距的增大，測點在徑向X、切向Y、豎向Z三個方向上的主振頻率存在一定的變化，但規律性不明顯，主振頻率主要集中在20～50 Hz范圍內。但當爆心距距在154 m、190 m時，分別出現了主振頻率峰值，兩個波峰之間可形成主振頻率干涉現象，距離周期約為35 m，當爆心距為154 m時，峰值頻率為81.63 Hz；當爆心距為190 m時，峰值頻率為93.02 Hz。因此，在類似工程中應注意結構自身的主振頻率，避免出現在這一范圍內。

3.2 振動速度衰減規律回歸理論分析

目前，薩道夫斯基經驗公式是國內外工程界使用最為廣泛的振動速度計算公式，其表達式如下[13]。

(1)

式中：V為振動速度(cm/s)；Q為起爆過程中最大單響的炸藥量(kg)；R為測點與爆源之間的距離，即爆心距(m)；K、α是與巖土介質有關的參數；β是與裝藥結構方式有關的參數，集中藥包取1/3，柱裝藥包取1/2。由《爆破安全規程》(GB6722—2014)和《中國地震烈度表》(GBT17742—2008)可知，在我國的工程中推薦使用修正后的薩道夫斯基經驗公式，為能反映爆破振動的衰減規律，定義K、α為衰減參數。即

(2)

將式(2)兩邊同取以10為底的自然對數得

(3)

令y=lgV，x=lg(Q1/3/R)，b=lgK，k=α，將式(3)變換為式(4)

y=kx+b

(4)

采用最小二乘法回歸理論對測點徑向X、切向Y、豎向Z三個方向的振動速度公式進行研究[15]。通過回歸分析，試圖建立徑向X、切向Y、豎向Z三個方向振動速度的經驗公式。也可以由此對測點的振動速度矢量合成進行分析研究。

3.3 振動速度衰減規律經驗公式的建立

根據回歸分析可知，現場測點的單孔藥量Q，爆心距R，振動速度V的數據，采用上述理論進行擬合，其中橫坐標為x=lg(Q1/3/R)，縱坐標為y=lgV，得到了徑向X、切向Y、豎向Z三個方向上的振動速度擬合曲線，如圖8所示。

由圖8(a)可知，得到徑向X的擬合分析關系為式(5)，相關系數為0.818 3。

y=1.627 20x+2.558 4

(5)

由圖8(b)可知，得到切向Y的擬合分析關系為式(6)，相關系數為0.818 8。

y=1.386 63x+1.986 2

(6)

由圖8(c)可知，得到豎向Z的擬合分析關系為式(7)，相關系數為0.810 3。

圖8 測點在X、Y、Z三個方向上振動速度的擬合曲線

y=1.497 37x+2.159 1

(7)

由式(3)聯立式(5)、式(6)、式(7)得到徑向X、切向Y、豎向Z衰減參數K、α，具體參數值見表4。

表4 測點在X、Y、Z三個方向上振動速度的衰減參數

由表4及式(3)可得徑向X、切向Y、豎向Z三個方向上的振動速度經驗公式，即式(8)～式(10)：

1) 徑向X振動速度的經驗公式

(8)

2) 切向Y振動速度的經驗公式

(9)

3) 豎向Z振動速度的經驗公式

(10)

在類似工程中，可結合爆心的裝藥量Q和既有結構的爆心矩R，采用式(8)～式(10)對既有結構X、Y、Z三個方向上的振動速度進行預測，結果可在爆破時對相鄰結構是否需要采取防護措施及進行初步判斷，提供重要參考價值。

3.4 主振頻率變化規律分析

在實際爆破工程中，有時相鄰建筑物間的振動規律也存在較大差別，這主要與爆破振動產生的主振頻率有關。當爆破的主振頻率與建筑物的固有頻率相近時，很容易引發建筑物的共振現象，造成建筑物更大的破壞。圖9給出了爆破振動產生徑向X、切向Y、豎向Z三個方向上的主振頻率隨爆心距的變化規律及趨勢。

由圖9可知，各個方向上的主振頻率隨爆心距的增大呈微小的變化趨勢，其中徑向X的主振頻率隨爆心距的增大而微弱減小；切向Y和豎向Z的主振頻率隨爆心距的增大而微弱增大，但3個方向的主振頻率隨爆心距增大的變化不顯著。這說明主振頻率受爆心距的影響相對較小，原因在于爆破振動產生主振頻率是測點的固有頻率，在傳播的過程中，爆破源和傳播的介質沒有發生改變，所以主振頻率隨爆心距的增大變化不明顯。由表3可知，主振頻率主要集中分布在20～50 Hz范圍內，一般而言，中低層建筑物固有頻率為1～10 Hz，高層建筑物的固有頻率更低。這可以判斷，該工程爆破施工不會引起既有結構發生共振。但在此范圍外，存在小范圍的高頻和低頻振動作用，可能會對建筑物造成較大的危害。因此，在制定爆破振動控制措施時，不能忽略這部分作用對結構的影響，應采取相應的防范措施。

圖9 測點在X、Y、Z三個方向上主振頻率的變化規律圖

4 結論

1) 現場監測數據分析結果表明，測點的徑向X、切向Y、豎向Z的振動速度未超過規定限值，最大振動速度為0.746 cm/s，小于限值2.0 cm/s.這說明露天爆破振動安全、可靠、穩定。

2) 徑向X、切向Y、豎向Z三個方向上的振動速度隨爆心距增大而減小且衰減幅度較大，其中徑向振動速度衰減最為顯著。主振頻率受爆心距的影響相對較小，但固有頻率在20～50 Hz的既有結構，應采取相應的防范措施。

3) 基于監測數據，通過最小二乘法對修正后的薩道夫斯基經驗公式進行回歸預測，建立了測點在徑向X、切向Y、豎向Z上的振動速度經驗公式，可較好地描述三個方向上振動速度的衰減規律，同時可對測點的爆破振動速度進行有效的預測。研究結果可為類似爆破工程提供相關的基礎數據及參考依據，具有工程應用價值。