負高差地形爆破振動規律研究

唐 海，馬諭杰，夏 祥，朱帥帥，姜威振

(1.湖南科技大學資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；3.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室,武漢 430071)

近年來，爆破開挖憑借著其施工方便，地質條件適應性強的優點，被廣泛運用到我國一大批水電和核電工程的興建中。然而爆破開挖會引發振動效應，影響其施工質量與安全。并且不可避免的會對臨近邊坡及周圍建筑物產生負面影響。因此，對臨近邊坡及周圍建筑物進行振動監測并分析監測結果，對爆破工程安全施工具有重要作用。

為探究爆破振動對邊坡和周圍建筑物產生的影響，國內外學者采用振動監測、現場實驗和數值模擬的方法，對爆破作用下邊坡和建筑物的響應進行了廣泛研究[1-14]。楊風威等[1]通過現場爆破監測與數值模擬相結合的方法研究了爆破開挖時邊坡的動態響應規律，認為邊坡對爆破振動波存在放大效應，并且這種放大效應在水平徑向比垂直向更為顯著。周文海等[2]建立邊坡拋擲爆破模型并將炮孔藥包劃分為無數微元體進行積分運算，最終得到邊坡拋擲爆破振動速度峰值公式，并通過現場爆破振動監測驗證了公式的準確性。唐海等[3-5]將邊坡和臺階地形視為廣義的凸形地貌，通過工程監測與數值模擬研究了凸形地貌對爆破振動波傳播的放大效應并通過量綱分析得到了反映高程的爆破振動公式。S. Spyros等[6]利用有限元程序模擬軟件模擬了爆破振動波在地形中的傳播，得出了凸形地貌質點振動大，而凹形地貌質點振動小的研究結果。Xia Xiang等[7]通過現場實驗研究了爆破振動波在臺階地形中的傳播，認為臺階地形對爆破振動波具有放大效應，放大系數隨著臺階高度的增加而增加，在達到一定范圍后放大系數隨著臺階高度的增加而減少。武旭等[8]基于爆破振動數值模擬和邊坡振動監測試驗，認為臺階高程對爆破振動速度既有放大作用，同時也隨高度的增加產生衰減并根據數據分析結果給出了臺階地形爆破振動速度預測模型。為確保爆破振動作用下周邊建筑物的安全，也有學者開展了關于爆破振動對鄰近建筑物的影響研究。陽生權等[9]基于較大高程差起伏地形爆破工程實例，建立了考慮地形效應迎波坡面的爆破地震預測模型，并應用該模型指導了工程實際，確保了周邊建筑物的安全。張夢雅等[10]為了確定露天礦爆破開挖對周邊建筑物的影響，以建筑物為對象布置了監測系統。認為與爆源高差較大的建筑物，應考慮爆破振動的高程放大作用。必要時，可在爆源與被保護物之間開挖減振溝。類似的研究成果還有文獻[11-14]。

當爆破振動監測點高程高于爆源中心高程時，被稱為正高差，反之則被稱為負高差。目前關于爆破振動作用下邊坡的動態響應及周圍建筑物安全性的研究較多，但主要集中于正高差和高程放大方面，一些學者通過現場監測實測數據分析發現，負高差地形也出現明顯的振動放大效應。而對于負高差地形下爆破振動波的傳播規律研究還相對較少[15-18]。鑒于此，筆者擬在前人研究的基礎上，結合廣東陸豐核電站觀景平臺第一階邊坡臺階爆破工程，探討負高差地形下爆破振動波的傳播規律，為負高差地形下爆破工程設計和臨近建筑物的振動監測提供依據與參考。

1 爆破振動監測與分析

1.1 工程概況

陸豐核電站位于廣東省陸豐市碣石鎮以南沿海的半島上，以丘陵剝蝕地貌為主。核電站觀景平臺爆破工程是核電場平二期爆破工程的一部分，站內場地標高14.8 m。擬爆破出觀景平臺長500 m，分兩個邊坡，第一階邊坡高24.8 m，第二階邊坡高30 m。觀景平臺周圍存在3個重要建筑物，分別為新燈塔、2號CC井以及泥水處理系統，其中泥水處理系統與2號CC井與場地標高一致為14.8 m，新燈塔標高為30 m，邊坡位置如圖1所示。

圖1 邊坡位置Fig.1 Slope position

在觀景平臺第一階邊坡爆破施工中，存在3個爆破類型，分別為孤石爆破、找平爆破以及臺階爆破。隨著爆破工程的不斷推進，在臺階爆破類型中，共分為3個爆破區高程，分別為24.8、25.8、26.8 m，爆源中心高程相對于標高為14.8 m的場地，分別為4、5、6 m。根據工程安全規定，在進行觀景平臺爆破工程時，務必要保證周邊建筑物的安全。在觀景平臺爆破過程中，泥水處理系統距離爆區最近，距最近的爆源僅為55.8 m，爆破工程對泥水處理系統影響較大，故選取泥水處理系統的監測結果進行分析。2號CC井和新燈塔的建筑物結構和泥水處理系統均為鋼筋混凝土結構。在爆破過程中，相較于孤石與找平爆破，臺階爆破的最大單響藥量最大。若能保證在臺階爆破中不同爆破區高程下泥水處理系統的安全，2號CC井與新燈塔必然也安全。

1.2 現場振動監測

為確保爆破過程中周邊建筑物的安全與穩定，根據工程實際情況，在泥水處理系統、2號CC井和新燈塔處各布置一個測點。測振儀器選用中科測控生產的TC-4850爆破測振儀。使用時，用石膏粉將其固定在平坦區域，監測水平徑向、水平切向和垂直向的振動速度。為保證結果的準確性，所有儀器測振前均經過嚴格校準。測點布置及監測儀器如圖2所示。泥水處理系統爆破振動部分監測結果如表1所示。

圖2 爆破振動測點布置及監測儀器Fig.2 Layout of blasting vibration velocity measuring point and monitoring instruments

表1 爆破振動部分監測結果

在工程爆破實際中，為保證爆破過程中泥水處理系統的安全，每次進行爆破前都要對泥水處理系統的振動速度進行預測，預測值采用的計算公式來自于規范[19]：

(1)

式中：Q為一次起爆最大段藥量，kg；R為被保護對象至爆源中心的距離，即爆源距，m；v為被保護對象允許的振動速度，cm/s；K、α分別為爆破振動波衰減系數與衰減指數，取K=350、α=2。

由表1可以看出，有時振動監測實測值達到估算值的2～3倍，二者相差較大，出現這現象的主要原因是爆破振動速度預測公式中，相關參數沒有經過現場回歸分析確定。由于爆破振動受地形地貌、巖石性質及裝藥方式等諸多不確定因素影響，在實際爆破工程振動監測中，應根據監測結果分析特定場地的振動衰減規律及每次爆破中的允許藥量。

在邊坡臺階爆破過程中，爆源區與測點之間存在高程差，如果不考慮監測點與爆破區之間的高差影響，依然用式(1)預測爆破振動速度，將導致預測值與實測值相差較大。因此，為保證爆破工程的安全順利實施，急需通過對現場爆破振動實測數據進行分析，確定其場地衰減規律。

2 監測結果分析

2.1 回歸分析

在平坦地形下，式(1)已被證實準確度較高。選取爆破區高程為14.8 m(相對于標高為14.8 m的場地來說，無高程差影響)的8組監測數據進行回歸分析，監測數據如表2所示，將Q1/3/R定義為比例藥量，分別從3個方向上對14.8 m標高爆破振動監測數據進行回歸分析(見圖3)。

表2 14.8 m爆破監測結果

圖3 回歸分析Fig.3 Regression analysis

通過對現場監測數據進行分析可以看出，在3個方向上的回歸分析曲線中，其相關系數R分別為0.907 9、0.927 2、0.953 9。相較于垂直向回歸分析曲線，水平徑向與水平切向回歸分析相關性較低。在爆破工程振動監測中，人們更關注水平向峰值振動速度和垂直向峰值振動速度，其中水平向振動速度為水平徑向與水平切向振動速度的最大值。為使該次回歸分析更貼合工程實際，將水平徑向和水平切向的振動速度進行比較，取其最大值作為水平向振動速度峰值，并對其進行回歸分析，得到該場地爆破振動衰減規律(見圖4)。水平向峰值速度進行回歸的相關系數R為0.960 2，高于對單個方向進行回歸的系數，這表明，將水平徑向與水平切向峰值速度進行比較，取其最大值進行回歸分析更能代表該場地爆破振動衰減規律，由此可得到該場地振動速度公式：

圖4 振動衰減規律Fig.4 Attenuation law of vibration

(2)

(3)

式中：vH為水平向振動速度；vV為垂直向振動速度，cm/s。

2.2 監測數據分析

陸豐核電站觀景平臺第一階邊坡共計爆破66次，相關爆破參數及監測結果統計分別如表3、表4所示。

表3 第一階邊坡爆破參數統計

表4 第一階邊坡爆破振動監測結果統計

為分析爆源與監測點的負高差對爆破振動產生的影響，將觀景平臺第一階邊坡臺階爆破的振動實測數據與同爆源距、同最大段藥量無高程差下爆破的計算結果(使用式(2)和式(3)得出計算值)進行比較，限于篇幅，只給出部分比較結果(見表5)。在工程實際中，每次爆破的爆源中心到監測點的爆源距不同，爆破的炸藥量也不相同。為方便進行比較，以比例藥量作為橫坐標，峰值速度實測值和峰值速度計算值作為縱坐標，不同高差下峰值速度對比如圖5所示。

表5 部分監測結果比較

圖5 不同高差下峰值速度對比Fig.5 Comparison of peak velocity under different height difference

由圖5可以看出，相較于平整地形下峰值振動速度的計算值，當監測點與爆源之間的高程差為負時，監測點水平方向上的振動速度出現放大效應，并且這種放大效應并不是一直存在。而在垂直方向上，峰值振動速度整體上沒有表現出放大效應，且在比例藥量相同的情況下，垂直向振動速度實測值小于振動速度計算值。這表明，相較于平整地形，負高差地形的存在阻礙了爆破振動波在垂直方向上的傳播，使其在垂直方向上的振動速度降低。

為分析負高差地形中放大效應的影響因素，將“(實測值—計算值)/計算值”定義為“影響系數，影響系數為正為放大效應，為負則為衰減效應。以影響系數作為縱坐標，比例藥量和爆源距作為橫坐標，分析其二者關系(見圖6)。由于負高差地形中的放大效應只在水平方向上出現，故只取水平向振動速度峰值進行分析。

圖6 影響系數與比例藥量和爆源距的關系Fig.6 Relation between the influence coefficient and the proportional charge,the detonation source distance

由圖6可知，負高差地形中，放大效應是局部出現。隨著比例藥量的不斷增加，放大效應過渡為衰減效應。將圖a中影響系數由正到負的點(即水平向峰值速度即不放大也不衰減的過渡點)稱為”原位點”，隨著高程差的不斷增大，原位點對應的比例藥量也隨之增大。由圖6b可知，負高差地形中出現的放大效應多集中在爆源距范圍在200～300 m之間，這表明該放大效應與爆源距有關。

3 負高差地形放大機理研究

值得注意的是，在現場爆破工程振動監測中發現，負高差地形中存在的局部放大效應只存在于臺階爆破中。對于找平爆破和孤石爆破并未發現高程放大效應的存在，同樣將孤石和找平爆破中的振動實測值與計算值(使用式(2)和式(3)得出計算值)進行比較(見圖7)。

圖7 孤石/找平爆破峰值速度對比Fig.7 Comparison of peak velocity of rock,screed blasting

可以發現，相較于負高差下的臺階爆破，找平爆破和孤石爆破中并未發現爆破振動速度的放大效應，無論是水平向和垂直向均表現為衰減效應。從爆破參數統計中發現，相較于臺階爆破，找平爆破與孤石爆破中炮孔深度較小。觀景平臺中第一階邊坡高度為10 m，臺階爆破中不同高程下爆破深度均大于10 m，而找平爆破和孤石爆破中爆破土石方量相對較小，炮孔較淺，均小于10 m，低于邊坡高度。從現場監測數據及觀景平臺邊坡地形分析，可得出：當炮孔深度小于邊坡高度時，邊坡坡面阻礙了爆破振動波的傳播，使爆破振動波出現衰減。

針對現場實測負高差振動放大和衰減現象進行分析，負高差地形出現的局部振動放大效應，其產生原因可歸結為波的繞射疊加。在負高差邊坡爆破工程中，爆破振動波傳播經過邊坡坡腳這個突變點時，會發生波的繞射，可將邊坡坡腳視為一個新振源，向周圍發射面波，這種現象在地震上稱為波的狹義繞射[15]。在一定爆源距范圍內，監測點處受到爆源傳來的體波及新振源傳來的面波的共同影響，導致其動力響應加大。

然而，在爆破現場振動監測中發現，負高差爆破工程中炮孔的長度L與坡的高度H之間的大小關系對爆破振動波的傳播影響較大。相關文獻沒有考慮二者的大小關系，將負高差地形中出現的爆破振動局部放大現象簡單歸結于波的疊加，這并不合理。爆破振動波傳播如圖8所示。

圖8 爆破振動波傳播Fig.8 Blasting vibration wave propagation

在圖8a中，炮孔深度L大于邊坡高度H，當炮孔起爆后，A點受到爆區傳來的體波w1的影響，爆區產生的振動波在經過突變點A時會發生波的繞射，可將A點視為一個新振源，向周圍發射面波。由于體波的傳播速度大于面波，故在距爆區一定距離范圍內，B監測點受到來自A點的面波w3，以及來自爆區的體波w2的共同影響，導致B監測點的水平向振動速度出現放大；另外，炮孔部分裝藥低于B監測點，存在高程放大效應，高程放大效應與波的疊加相互作用使測點振動加劇。當超出某一范圍后，爆破振動速度受爆區傳來的體波影響較大，且高程放大效應不明顯，此時表現為衰減效應。在陸豐核電站觀景平臺第一階邊坡臺階爆破參數中，炮孔的深度L大于邊坡的高度H，這是現場振動監測中水平向峰值振動速度出現局部放大效應的原因。

在圖8b中，當炮孔深度L小于邊坡高度H時，邊坡地形相當于一個溝槽，并且溝的深度大于炮孔的長度，邊坡坡面對爆破振動波的傳播起到阻礙作用。當炮孔起爆后，邊坡坡面受到爆區傳來的爆破振動波w4的影響，w4在坡面處發生反射，入射波和反射波疊加使坡面處的振動加強。同時，坡面阻礙了爆區傳來的振動波的傳播。A點受到爆區傳來的體波w5的影響，w5在A點發生繞射，同樣將A點視為一個新振源，監測點B的振動主要受到突變點A點傳來的面波w6的影響。在這種情況下，負高差地形對爆破振動波的傳播影響整體上表現為衰減效應。

4 結論

1)現場爆破振動監測表明，平坦地形下采用規范推薦公式進行振動分析，相關系數較高，能較好表達場地爆破振動衰減規律。但在負高差地形下，爆破振動與炮孔深度及邊坡高度有關，不宜采用規范推薦公式進行振動分析。

2)在負高差地形中，峰值振動速度總體上表現為衰減效應，局部出現放大，且局部放大效應多出現在水平方向上，在垂直方向上峰值振動速度整體表現出衰減效應。

3)負高差邊坡爆破，炮孔深度L與邊坡高度H之間的大小關系對爆破振動波的傳播影響較大。當L>H時，炮孔部分裝藥低于測點，產生高程放大效應。該放大效應與地形對爆破振動波的疊加相互作用，致使爆破峰值振動速度出現局部放大、整體衰減現象；當L

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