基于薩式公式的凍結法爆破振速和安全藥量控制研究

李曉飛，李鵬宇，馮志敏

(1.新疆阿克蘇地區阿克蘇市公安局治安大隊，新疆 阿克蘇 843000；2.新疆阿克蘇地區公安局治安支隊，新疆 阿克蘇 843000)

隧道掘進施工中，鉆爆法以施工速度快、成本低、施工效率高等優勢受到廣泛應用[1]。炸藥起爆后，爆破能量會引起周邊介質及建(構)筑物的振動，當振動達到一定強度時，會直接造成建(構)筑物的損傷和破壞[2]。爆破振動的影響一直是科研人員關注的熱點問題[3-8]，許多學者對此進行了研究。熊代余等[9-10]研究發現地震波具有持時短的特點，遠離爆源監測區域的地表建(構)筑物的爆破振動強度會發生明顯的降低現象。D.P.BLia等[11]研究了垂直柱狀藥包在彈塑性條件下的爆破地震波傳播，發現在靠近爆源的區域，地表振動強度表現為先增大至臨界值而后減小的現象。C.M.Sagers[12]研究發現地震波在層狀巖體的傳播不僅與巖體的滲透性有關，而且還與巖體結構的性質有關。張自光等[13-14]研究了爆破振動對隧道周邊動力響應的影響，認為巖體結構與地震波的衰減存在一定的相關性，測點振速與最大單段藥量成正相關性。鄭強等[15-16]研究發現，爆破振動不僅與裝藥量和爆心距有關，而且與振動主頻密切相關。

通過以上研究不難發現，在地下工程爆破掘進過程中，爆破振動在傳播過程中會發生衰減現象，而且還會對周邊建(構)筑物產生一定的振動影響。一般來說，減少裝藥量可以有效降低爆破振動，但減少裝藥量又影響施工效率且導致施工成本的增加，如何平衡施工效率和爆破振動效應成為工程必須解決的問題。基于此，本文通過對某斜井隧道項目的鉆爆振動測試，研究爆破地震波的傳播規律，同時對藥量進行安全控制。

1 薩式公式待定參數確定

在工程爆破中，薩式公式經常應用于對爆破振動進行預測，是廣泛應用的爆破振動經驗公式之一，薩式公式表征了爆破振動速度v與爆心距R和最大單段藥量Q的關系[17]：

(1)

式中：v為爆破振動速度，cm/s；Q為單段最大裝藥量， kg；R為爆心距，m；K、α為與地質、地貌有關的系數。

將式(1)變為線性形式y=axb并取對數得：

(2)

將其變為一元線性形式：

Y=bX+a

(3)

式中：

在具體的爆破工程中，通過實際試驗可以獲得大量的爆破振動速度v、單段最大裝藥量Q和爆心距R的統計數據，使用回歸分析的方法確定地質地貌參數K和α。

2 安全藥量控制

由式(1)可知，爆破振動速度v與單段最大裝藥量Q和爆心距R密切相關，對于具體的爆破工程，爆心距R為固定值，可以通過控制單段最大裝藥量Q來控制爆破振動速度v。所以可將式(1)變為藥量形式：

(4)

式中：v為爆破振動速度，可由爆破安全規程確定；Qi為x、y和z方向的安全控制藥量。

對具體的爆破工程進行爆破振動測試時，可以分別得到x、y和z方向的爆破振動速度v、單段最大裝藥量Q和爆心距R的關系，對其進行回歸后，可以使用式(5)分別得到x、y和z方向的安全控制藥量。為了最大程度的對建(構)筑物進行保護，取三分量藥量最小值進行控制是合理和可靠的。

安全藥量控制為

Q安全=min(Q切向，Q徑向，Q垂向)

(5)

3 工程應用

3.1 工程概況

某礦主斜井采用凍結法爆破施工，斜井傾角為16°，總長度為1 770.8 m，掘進斷面面積35.8 m2。主斜井井筒開挖區域上方距地表凍結管主干管10 m左右，井筒穿越正上方的凍結管需要保護，測試現場工程概況如圖1所示，凍結管如圖2所示。

圖1 工程概況

圖2 凍結管

現場監測以爆源為起始點，沿未開挖區方向在隧道正上方采用不同間距布置測點，測點布置采用對數等間距原則，盡可能地減小數據處理帶來的誤差。在實際布置測點時，測點前方時常遇路邊停車的影響或者部分居民建筑物的遮擋。應視實際情況對測點位置作出相應調整。但整體偏差應控制在0～5 m以內。現場測點布置如圖3所示。

圖3 現場測點布置

在隧道上方沿隧道開挖方向進行了5次測試，共得到20組有效數據(見表1)，統計單段最大裝藥量Q和爆心距R及x、y和z方向的爆破振動速度。

表1 爆破振動參數

續表1

3.2 爆破振動速度規律

對表1中測試的爆破振動數據進行回歸分析，可以分別得到x、y和z方向的爆破振動速度與比例距離的關系，水平切向爆破振動速度與比例距離如圖4所示。

圖4 水平切向爆破振動速度

由圖4可知，本場地的水平切向爆破振動速度可以表示為

(6)

水平徑向爆破振動速度與比例距離如圖5所示。

圖5 水平徑向爆破振動速度

由圖5可知，本場地的水平徑向爆破振動速度可以表示為

7)

垂直方向爆破振動速度與比例距離如圖6所示。

圖6 垂直方向爆破振動速度

由圖6可知，本場地的垂直方向爆破振動速度可以表示為

(8)

3.3 安全藥量控制

將薩式爆破振動速度變為藥量形式，可以分別得到x、y和z方向的安全控制藥量計算公式。

水平切向爆破安全控制藥量為

水平徑向爆破安全控制藥量為

垂直方向爆破安全控制藥量為

本工程中，開挖面掘進至凍結管正下方時，需要采取措施嚴格控制爆破振動對凍結管的影響。查閱《爆破安全規程》[7]可知，凍結管的爆破振動速度閾值為10 cm/s。經過計算，在凍結管下方進行爆破施工時，水平切向的安全控制藥量為29.49 kg, 水平徑向的安全控制藥量為27.79 kg, 垂直方向的安全控制藥量為20.73 kg。為了最大程度的對凍結管進行保護，由式(6)可知，在凍結管正下方進行鉆爆法施工時，安全控制藥量不能超過20.73 kg。

4 結論

1)薩式公式中，K和α的回歸精度決定爆破振動速度的預測精度，在冷卻管正下方進行爆破掘進施工時，垂直方向爆破振動速度最大，水平徑向爆破振動速度次之，水平切向爆破振動速度最小。

2)在冷卻管正下方進行爆破掘進時，以《爆破安全規程》中的冷卻管振速閾值為標準，計算的水平切向安全控制藥量最大，水平徑向安全控制藥量次之，垂直方向安全控制藥量最小。為了最大程度的對凍結管進行保護，在凍結管正下方進行鉆爆法施工時，安全控制藥量不能超過20.73 kg。

3)基于薩式公式的爆破振動速度計算和安全藥量控制可以在保證爆破效率的前提下，同時保證了建構筑物的安全，可以為類似的隧道爆破掘進施工提供參考。