露天礦微差爆破振動(dòng)對(duì)多層建筑的影響

操 鵬，鐘冬望,，何 理，司劍峰,，黃小武

(1.武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢，430065；2.中鐵港航局-武漢科技大學(xué)爆破技術(shù)研究中心，湖北 武漢，430065)

露天礦微差爆破振動(dòng)對(duì)多層建筑的影響

操 鵬1，鐘冬望1,2，何 理2，司劍峰1,2，黃小武1

(1.武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢，430065；2.中鐵港航局-武漢科技大學(xué)爆破技術(shù)研究中心，湖北 武漢，430065)

基于十堰市高家溝堰口采石場(chǎng)爆破開挖工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)礦山附近一棟多層建筑物進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，分析了該建筑物不同樓層的振動(dòng)速度及諧波頻率的變化規(guī)律。結(jié)果表明：爆破遠(yuǎn)區(qū)的多層建筑物受爆破振動(dòng)影響時(shí)，垂直方向振動(dòng)速度隨著樓層高度的增加而變大，水平方向振動(dòng)速度隨著樓層高度的增加而變??；爆破振動(dòng)產(chǎn)生的諧波頻率豐富，較高樓層諧波頻率分布范圍小于較低樓層且更接近建筑物的固有頻率。

爆破振動(dòng)；多層建筑；監(jiān)測(cè)；振動(dòng)速度；諧波頻率

爆破以其高效、快捷等特點(diǎn)在露天礦山資源開采中得到廣泛應(yīng)用，在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也給周邊環(huán)境帶來了大量的問題，其中爆破振動(dòng)帶來的影響顯得尤為突出。為此，人們對(duì)建筑物爆破振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了廣泛的研究[1-3]。但由于露天礦山爆破工程實(shí)際中存在爆破技術(shù)方法多樣、礦山周邊環(huán)境復(fù)雜等各種不確定因素，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響也不盡相同。本文基于十堰市高家溝堰口采石場(chǎng)爆破開挖工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)礦山附近一棟多層建筑物進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，分析了該建筑物不同樓層的振動(dòng)速度及諧波頻率的變化，以期得到露天礦山微差爆破振動(dòng)對(duì)附近多層建筑的影響規(guī)律。

1 爆破開挖振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)

1.1 采石場(chǎng)概況

十堰市高家溝堰口釆石廠礦區(qū)位于湖北省十堰市城區(qū)馬家河流域中游匯水支溝高家溝近溝腦段，礦區(qū)屬構(gòu)造侵蝕剝蝕低山山坡與丘陵交接部位。礦山周圍環(huán)境復(fù)雜，礦區(qū)東北側(cè)700 m處為陽九線鐵路，西南面300 m附近有采石場(chǎng)礦部及部分民房分布。礦區(qū)所生產(chǎn)礦石主要為輝綠巖。

該爆破開挖工程主要為邊坡開挖，邊坡現(xiàn)狀具有較好的穩(wěn)定性，此次礦區(qū)邊坡石方爆破試驗(yàn)采用中深孔微差爆破，孔深10 m，孔徑90 mm，孔間距2.5～3 m，最小抵抗線為3～5 m。每次試驗(yàn)均為單排3孔延時(shí)起爆，孔間延時(shí)時(shí)間分別選擇具有代表性的15、20、30、35 ms，試驗(yàn)中最大一段裝藥量均在35～40 kg之間,總藥量為100～120 kg。

1.2 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

本次爆破試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象為一棟5層居民樓建筑，距爆破現(xiàn)場(chǎng)約290 m，爆破現(xiàn)場(chǎng)與測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置及地形如圖1所示。該居民樓為磚混結(jié)構(gòu)，整體高度為15 m。爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備采用武漢長(zhǎng)江儀器自動(dòng)化研究所生產(chǎn)的YBJ-III遠(yuǎn)程微型動(dòng)態(tài)記錄儀及其配套的分析軟件，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀和微型計(jì)算機(jī)等組成。

為了獲得有效的數(shù)據(jù)，更好地分析多層建筑的不同樓層對(duì)爆破振動(dòng)的響應(yīng)規(guī)律，將振動(dòng)測(cè)點(diǎn)分別布置在該樓房的一層、三層、五層樓梯口，測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)水平面高度分別為0.3、6.3、12.3 m。

2 結(jié)果與分析

2.1 振動(dòng)速度分析

圖2所示為爆破試驗(yàn)中建筑物峰值振速隨樓層高程的變化情況，由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量中存在的誤差，爆次3中垂直方向振速及爆次4中水平方向振速出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象。由圖2中可見，隨著樓層高度每增加6 m，爆破產(chǎn)生的垂直方向振動(dòng)速度峰值隨之增加約45%，水平方向振動(dòng)速度峰值則隨之減小約33%。表明隨著樓層高度的增加，垂直方向振動(dòng)響應(yīng)存在著放大現(xiàn)象，水平方向振動(dòng)則表現(xiàn)出衰減趨勢(shì)。其主要原因在于微差爆破振動(dòng)作用的影響下，爆破地震作用下諧波頻率范圍較廣，爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，多層建筑表現(xiàn)出的振型較多，高階振型對(duì)建筑反應(yīng)產(chǎn)生的影響較大。大量研究[4-6]表明，建筑物在受爆破振動(dòng)作用影響時(shí)表現(xiàn)出的振動(dòng)響應(yīng)不盡相同，與建筑物本身動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)自身的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)形式及剛度等存在著極大的關(guān)系。

圖2 峰值振速隨樓層高度的變化

Fig.2 Variation of vibration velocity with the floor height

2.2 振動(dòng)頻率分析

圖3所示為第一次爆破試驗(yàn)中一樓及三樓測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)幅值譜。結(jié)合圖2和圖3可知，該建筑因爆破振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)速度處于0.25cm/s以下，振動(dòng)頻率處于10Hz以上，由此可知其安全不受爆破振動(dòng)影響。

由圖3中可以看出，幅值譜在不同頻率階段多次出現(xiàn)幅值峰值，表明爆破振動(dòng)中能量分布較分散，因此《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2011)[7]中僅采用主頻率來分析爆破振動(dòng)波對(duì)建筑物的影響是不全面的。根據(jù)圖3所示頻域波形主頻高、峰值多的特點(diǎn)，采用主頻率和主頻帶結(jié)合的方法，綜合分析爆破振動(dòng)波的頻譜特性更具有全面性[8]。為此，本文根據(jù)振動(dòng)波形頻譜圖將幅值譜主頻劃分為3個(gè)頻帶進(jìn)行分析，如表1所示。

由表1可知，樓房一層所測(cè)振動(dòng)主頻帶的低頻和高頻均值分別約為30.4、25.8、20.2 Hz和111.4、95.4、56.8 Hz。表明露天礦微差爆破振動(dòng)對(duì)不同樓層振動(dòng)主頻帶的低頻影響不大，而對(duì)其高頻的影響較大；隨著樓層高度的增加，主頻帶的帶寬向低頻帶集中。爆破遠(yuǎn)區(qū)多層建筑較低樓層比較高樓層的頻率變化范圍更寬，表明爆破地震波傳入該樓房后，經(jīng)樓房自身結(jié)構(gòu)的疊加作用使原始爆破地震波主頻率發(fā)生了較大的變化。

爆破振動(dòng)波中包含豐富的諧波頻率，本試驗(yàn)爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)波形中(見圖3)存在3個(gè)能量較大的主震頻帶。沖擊波作用引起的振動(dòng)為高頻振動(dòng)，其振動(dòng)隨著傳播距離的增加快速衰減，信號(hào)能量分布更加發(fā)散，因而距爆源較遠(yuǎn)處產(chǎn)生的振動(dòng)以低頻振動(dòng)為主，其能量中心主要位于低頻帶，但在中高頻段也存在分布不均勻的子震頻帶，表明在微差爆破振動(dòng)中，由于地形條件及工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，建筑物對(duì)爆破振動(dòng)的響應(yīng)具有多模態(tài)、多振型的特點(diǎn)。

表1 爆破振動(dòng)主頻帶分布

Table 1 Band distribution of blasting vibration frequency

建筑物的固有頻率在幾赫茲至十幾赫茲之間，當(dāng)其固有頻率和爆破振動(dòng)頻率接近時(shí),將會(huì)產(chǎn)生共振效應(yīng)，較小的振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生較大的破壞。對(duì)該多層建筑而言，較高樓層的振動(dòng)頻率更接近建筑物的固有頻率，因此對(duì)較高樓層的監(jiān)測(cè)與防護(hù)更加重要，這與前面振動(dòng)速度分析結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

(1)十堰市高家溝堰口采石場(chǎng)爆破開挖工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，爆區(qū)附近的多層建筑因爆破振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)速度處于0.25 cm/s以下，振動(dòng)頻率處于10 Hz以上，其安全不受爆破振動(dòng)影響。多層建筑一、三、五層每上升一層樓，垂直方向振動(dòng)速度約增大45%，水平方向振動(dòng)速度約減小33%。

(2)露天礦微差爆破振動(dòng)產(chǎn)生的諧波頻率能量分布較分散，其主震頻帶較寬，距爆源較遠(yuǎn)處信號(hào)能量主要集中在低頻段；爆區(qū)周邊多層建筑的振動(dòng)頻率受自身結(jié)構(gòu)的疊加作用影響，多層建筑較低樓層的頻率變化范圍比較高樓層的頻率變化范圍分布更廣泛。

(3)綜合考慮振動(dòng)速度和振動(dòng)頻率的影響，多層建筑較高樓層的監(jiān)測(cè)與防護(hù)更加重要。

[1] 孫秀民，汪進(jìn)玉.爆破振動(dòng)對(duì)建筑物的影響評(píng)價(jià)研究[J].爆破，2008,25(2)：73-76.

[2] 竇梅林，史曉鵬,吳永剛,等.爆破振動(dòng)對(duì)民房建筑的影響研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013(4):139-141.

[3] 王小紅，李曉杰，閆鴻浩，等.高層建筑不同樓層對(duì)低頻爆破振動(dòng)的響應(yīng)[C]∥鄭炳旭.中國爆破新技術(shù)Ⅲ.北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[4] 姚道平，張藝峰，葉友權(quán).測(cè)試分析爆破振動(dòng)對(duì)建筑物的影響[J].化學(xué)工程與裝備，2008(9):44-46.

[5] 中國生，房營光，徐國元.基于小波變換的建(構(gòu))筑物爆破振動(dòng)效應(yīng)評(píng)估研究[J].振動(dòng)與沖擊，2008,27(8)：121-124,129.

[6] 林鍵，林從謀，林立群.爆破振動(dòng)荷載作用下3～4層房屋結(jié)構(gòu)響應(yīng)測(cè)試研究[J].振動(dòng)與沖擊，2010,29(3)：48-51,66.

[7] GB6722—2011.爆破安全規(guī)程[S].

[8] 郭學(xué)彬，肖正學(xué)，張繼春.爆破振動(dòng)頻率特性的測(cè)試與研究[J].中國礦業(yè)，2004,13(9):68-71.

[責(zé)任編輯 鄭淑芳]

Effect of millisecond blasting vibration in open-pit mine on the multi-storey building

CaoPeng1,ZhongDongwang1,2,HeLi2,SiJianfeng1,HuangXiaowu1

(1. College of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China; 2. Blasting Technology Research Center of CRPCE-WUST, Wuhan 430065, China)

Based on the blasting excavation case in Yankou Quarry,Shiyan city,the blasting vibration of a multi-storey building near the mine was monitored,and the variation of vibration velocity and harmonic frequency on different floors of the building were analyzed.The results show that when the multi-storey building far from the blasting source has been affected by the blasting vibration,the vibration velocity in the vertical direction increases with the floor height while that in the horizontal direction decreases with the floor height.The harmonic frequency induced by the blating vibration is abundant,its distribution range on higher floor is smaller than that on lower floor,and the harmonic frequency on higher floor is closer to the inherent frequency of the building.

blasting vibration;multi-storey building;monitoring;vibration velocity;harmonic frequency

2014-11-17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50774056,51174147)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012FFA135).

操 鵬(1990-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail:qccaopeng@126.com

鐘冬望(1963-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail:zhongdw123@263.net

O382.2; TD235

A

1674-3644(2015)02-0122-04