汽車專用道控制爆破振動監(jiān)測與分析

蘇 波，韋 猛，趙 江

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059）

汽車專用道控制爆破振動監(jiān)測與分析

蘇 波*，韋 猛，趙 江

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059）

通過對嘉陵江橋改移汽車二級專用道控制爆破振動效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測、分析，通過線性回歸擬合，得到了該工程的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，為預(yù)測爆破振動振速、安全裝藥量、安全影響半徑提供依據(jù)。根據(jù)爆破振動的特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際施工條件，提出了一系列減振手段，為類似工程對減弱爆破振動效應(yīng)提供了一定的參考價(jià)值。

控制爆破；爆破振動效應(yīng)；監(jiān)測與分析

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的全面展開，爆破工程技術(shù)在采礦工程、交通工程、土建工程、水利工程、國防軍事工程等眾多領(lǐng)域，有了更廣泛的應(yīng)用。但由于爆破控制理論的不夠成熟、爆破施工環(huán)境的不可控因素過多等原因，各種爆破事故時(shí)有發(fā)生，爆破作業(yè)產(chǎn)生的爆轟波、爆破振動、爆破飛石等對施工區(qū)建筑物及周圍環(huán)境、人身安全造成一定的安全隱患：爆破振動可能造成建筑結(jié)構(gòu)損傷、強(qiáng)度降低，土壤液化、邊坡失穩(wěn)；爆破飛石可能造成人身安全事故、建（構(gòu)）筑物破壞；爆轟波和沖擊波可能造成建筑失穩(wěn)。其中，爆破振動因?yàn)槠淦毡樾?、?yán)重性而成為爆破作業(yè)中各類控制因素的關(guān)鍵[1]。因而，準(zhǔn)確監(jiān)測振動數(shù)據(jù)并采取措施控制爆破振動，使其對環(huán)境和周圍建筑物的影響降低，成為在爆破作業(yè)中的一項(xiàng)重要課題。

本文根據(jù)嘉陵江橋改移二級汽車專用道控制爆破振動測試數(shù)據(jù)，對爆破振動數(shù)據(jù)監(jiān)測處理，振動傳播衰減規(guī)律，爆破振動控制進(jìn)行了研究，可對類似爆破工程提供一定的參考。

1 改線土石方爆破振動監(jiān)測

1.1 工程概況

西安至成都鐵路客運(yùn)專線四川段工程XCZQ-1標(biāo)，因嘉陵江橋建設(shè)占用廣元至陜西專用二級公路，需將該段改線。該改線工程需將約60000m3的巖石進(jìn)行爆破開挖，山體開挖高度約30m。作業(yè)工地位于川陜公路近旁，日交通車輛在0.5萬輛以上，且施工期間需保持通行。爆破區(qū)四周臨近各種建筑設(shè)施，除了征地拆遷范圍內(nèi)的民房拆除外，大部分建（構(gòu)）筑物仍然在爆破的影響范圍內(nèi)，爆破環(huán)境極為復(fù)雜。

爆破作業(yè)現(xiàn)場位于西成客專線路樁號DK378+810處，為汽車二級公路改線工程。爆破區(qū)一側(cè)緊鄰原川陜二級公路，及廣陜高速公路嘉陵江高架橋。最近處水平距離17m，最高高差20m（橋面）、32m（橋底及原二專路路面）。另一側(cè)為山體高邊坡，邊坡上方有民房多間，最近處水平距離15m。作業(yè)區(qū)平臺為原開挖形成巖質(zhì)邊坡，坡度1∶0.5，最高處高32m，寬18m，長約300m。爆區(qū)地層主要為灰?guī)r夾頁巖（T2l）：灰、黃灰、灰白色，中厚層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，溶蝕發(fā)育，地表多見溶溝、溶槽。夾灰綠、黃綠色薄層頁巖。巖體產(chǎn)狀近水平，弱風(fēng)化帶（W2）屬Ⅴ級次堅(jiān)石，B組填料。

1.2 爆破方案

根據(jù)控制爆破機(jī)理，以及開挖路段的設(shè)計(jì)資料、周邊環(huán)境、工程性質(zhì)的分析，結(jié)合我國當(dāng)前的爆破工程技術(shù)發(fā)展水平和國家相關(guān)行業(yè)要求，土石方爆破擬確定采用淺孔微差控制爆破的施工方案。同時(shí)考慮進(jìn)度要求，將爆區(qū)分為6個(gè)臺階，平行作業(yè)。爆區(qū)邊緣永久邊坡采用預(yù)裂爆破及光面爆破法施工，有效減振的同時(shí)又使邊坡平整。臺階分層高度為5m。對于接近廣陜高速公路嘉陵江高架橋橋墩的高危開挖路段，多次爆破到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

1.3 監(jiān)測儀器

根據(jù)現(xiàn)場地貌特點(diǎn)以及工程需求，對工區(qū)爆破作業(yè)振動監(jiān)測采用TDEC拓普測控科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的UBOX-20016爆破振動記錄儀。該儀器尺寸小、重量輕且自帶蓄電池，適合野外爆破作業(yè)現(xiàn)場。該儀器集振動監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果輸出三位一體，配有BM View專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。儀器主要性能指標(biāo)：采樣頻率：20～200kHz；負(fù)延時(shí)長度：0～4k可調(diào)；最長采集長度：64k；量程：1V、2V、5V、10V四檔可調(diào)；觸發(fā)電平：0.01～0.95倍量程；內(nèi)觸發(fā)方式：上升沿內(nèi)觸發(fā)；通道數(shù)：4個(gè)[2]。

1.4 測點(diǎn)布置及拾振器安裝

根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場實(shí)際情況，測點(diǎn)布置的原則是：（1）最近原則，測點(diǎn)位置靠近最近處的建(構(gòu))筑物。就該項(xiàng)目而言，測點(diǎn)應(yīng)布置在緊鄰待爆區(qū)的高邊坡居民區(qū)以及距待爆區(qū)直線距離較近的廣陜高速高架橋墩；（2）直線原則，在一定監(jiān)測范圍，監(jiān)測點(diǎn)盡量布置為直線，形成監(jiān)測線；（3）近密遠(yuǎn)疏原則，同一監(jiān)測線上，布點(diǎn)距離遵循對數(shù)原則，近源地段集中布點(diǎn)，方便線性回歸，測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 控制爆破振動監(jiān)測測點(diǎn)布置示意圖

UBOX-20016爆破振動記錄儀配套使用的拾振器采用磁電式振動速度傳感器，其工作參數(shù)如下：（1）誤差精度：＜3%；（2）敏度：250mV/cms-1。將接觸面以及傳感器磁座清理干凈，用石膏粉將拾振器牢固粘結(jié)在被測建筑上，拾振器至記錄儀的傳輸信號線長度小于2m，避免長距離的信號衰減。

1.5 爆破參數(shù)及監(jiān)測結(jié)果

為了降低振動和空氣沖擊波，孔間采用毫秒微差爆破，單段裝藥量控制在10kg以內(nèi)，延時(shí)雷管采用普通毫秒延期電雷管。段間微差時(shí)間間隔應(yīng)等于或接近使前排藥包承擔(dān)的受爆體已經(jīng)移動，后排藥包爆破的臨空面已經(jīng)形成的時(shí)間，同時(shí)大于或等于可使相鄰藥包爆炸引起的爆破振動主振相分離的時(shí)間，以使前后排藥包爆破地震波傳播至保護(hù)物時(shí)不疊加，從而達(dá)到降震緩沖的目的[3]。

本次爆破振動監(jiān)測共計(jì)觀察4次，每次6個(gè)測點(diǎn)，得到有效爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)24次，部分振動監(jiān)測結(jié)果如表1所示，其典型振動波形如圖2所示。

1.6 爆破振動規(guī)律

表1 部分監(jiān)測數(shù)據(jù)一覽表

爆破時(shí)影響振動強(qiáng)度的因素很多，主要包括爆源藥量、埋深、爆源介質(zhì)物理參數(shù)，爆破方式，放置炸藥的孔洞的自然性質(zhì)以及爆心距、傳播途徑的地質(zhì)背景、巖土條件等。要完全考慮這些變量是困難的，可近似地選擇炸藥量和爆心距作為主要變量，其它變量歸納到常系數(shù)中去。為得到工區(qū)巖體的爆破振動規(guī)律,利用前蘇聯(lián)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對爆破振動數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。

式中：V——爆破振動速度，cm/s；

R——爆破地震波危險(xiǎn)半徑；

K——與地震波傳播地段的介質(zhì)性質(zhì)及距離有關(guān)的系數(shù)；

α——爆破性質(zhì)系數(shù)；

Q——最大單響裝藥量，kg。

圖2 典型振動波形圖

對式（1）左右兩邊取對數(shù)，得到：

利用薩道夫斯基公式的線性擬合方法，將所測得的24組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析得出K、α值。爆破介質(zhì)系數(shù)K=2.073，爆破性質(zhì)系數(shù)α=0.276。因此式（1）可以改寫為：

用所得出的經(jīng)驗(yàn)公式可以得出爆破振動傳播的基本規(guī)律，反算出在一定安全振速的限制下，最大單段使用炸藥量Q以及在一定炸藥量情況下距爆心不同距離的振動速度，以此指導(dǎo)施工，使得最大段炸藥量控制在Q值以下。

1.7 爆破安全性判定

量化爆破振動對建（構(gòu)）筑物影響的參量主要有爆破振動速度、爆破振動加速度、爆破振動幅度。國內(nèi)外多以爆破振動速度作為爆破振動破壞安全性判別標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國家2003年頒布的爆破振動安全標(biāo)準(zhǔn)[4]，具體規(guī)定如表2所示：

表2 爆破振動安全標(biāo)準(zhǔn)

在此工程實(shí)例中，受爆破振動危及的建筑物主要為民用磚房、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高速公路橋墩。根據(jù)爆破振動安全標(biāo)準(zhǔn)，我們可以認(rèn)為保護(hù)對象類別為一般磚房、非抗震大型砌塊建筑物。為確保建筑物的安全性，爆破振動速度許用臨界值按照表2中相關(guān)類別的下限來進(jìn)行取值，既是2.0cm/s。從現(xiàn)場實(shí)測振動速度數(shù)據(jù)可知，振動速度最大值為1.269cm/s，在安全振速標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，故而現(xiàn)場的爆破施工對鄰近建筑物沒有安全影響。

2 爆破振動控制手段

針對明山爆破施工中振動效應(yīng)的振動幅度大、頻率高、幅值衰減快、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)[5]，結(jié)合現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用如下方法來減弱爆破振動效應(yīng)帶來的影響，從而保障鄰近建筑物以及居民的安全：

（1）嚴(yán)格控制單段裝藥量。炸藥量是控制爆破振動效應(yīng)最有效、最直觀的措施之一。根據(jù)線性擬合的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，在巖性和爆破條件一定的情況下，比例藥量ρ=越小，振速V就越小。當(dāng)爆心距R一定，在不影響破碎巖體的情況下，減小單段起爆裝藥量，能有效控制爆破振動效應(yīng)[6]。

（2）鉆鑿預(yù)裂爆破孔及減震溝。在爆破作業(yè)區(qū)邊緣設(shè)置預(yù)裂炮孔，在爆破作業(yè)區(qū)與修筑民房的邊坡之間設(shè)置減震溝。預(yù)裂孔平行于坡面布置，其裝藥結(jié)構(gòu)為不耦合空氣間隔裝藥，即孔底放置炸藥，中間空氣間隔，孔口炮泥封堵。通過現(xiàn)場工程實(shí)踐，通過鉆鑿預(yù)裂爆破孔及減震溝，能有效降低爆破振動對建筑物的擾動，降振幅度可達(dá)20%～40%。

（3）合理確定起爆順序及各段起爆時(shí)間間隔。預(yù)裂孔與主爆孔首段同步起爆；主爆孔采用斜線起爆，同時(shí)爆破方向?yàn)樾毕蛴谰眠吰?，以確保爆破飛散物崩落方向背離高架橋方向。增大延時(shí)非電雷管的段位差，使排間微差時(shí)間間隔適當(dāng)增大，大于使前排藥包承擔(dān)的受爆體已經(jīng)移動，后排藥包爆破的臨空面已經(jīng)形成的時(shí)間，以及可使相鄰藥包爆炸引起的爆破振動主振相分離的時(shí)間，使前后排藥包爆破地震波傳播至受振動效應(yīng)波及的建筑物時(shí)不疊加，從而達(dá)到減振的目的。

（4）調(diào)整局部裝藥結(jié)構(gòu)。由于鉆孔施工中的操作失誤、地形限制，造成某些炮孔位抵抗線過小；或者鉆遇斷層、裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)時(shí)，炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，包括裝藥量的控制以及炸藥布設(shè)位置。

（5）提高堵孔炮泥質(zhì)量。堵孔材料可選用粘土、砂加粘土或者較濕潤的河沙，為保證堵塞質(zhì)量，每填入0.3m時(shí)用木棍或竹竿搗固密實(shí)，堵塞材料中應(yīng)避免夾雜碎石。炮孔堵塞必須要有一定的長度，一般取堵塞長度不小于孔深的20%。

3 結(jié)語

作為爆破作業(yè)中最為普遍的一種危害，爆破振動效應(yīng)一直是限制爆破工程進(jìn)度、威脅爆破工程安全的罪魁禍?zhǔn)?，對爆破振動的監(jiān)測與分析成為一項(xiàng)重要的課題。通過爆破振動記錄儀對現(xiàn)場振動數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，通過回歸分析、線性擬合得到符合該項(xiàng)爆破工程的薩道夫斯基公式，可以對爆破振動振速、安全裝藥量、安全影響半徑作出預(yù)測，為減弱爆破振動效應(yīng)提供參考。通過控制單段起爆炸藥量、鉆鑿預(yù)裂爆破孔、開挖減震溝、確定合理的起爆順序、各段間起爆時(shí)間間隔、調(diào)整局部裝藥結(jié)構(gòu)、提高炮泥質(zhì)量等手段，可以有效控制爆破振動振速，確保工程的順利進(jìn)行。

[1]CN-GB爆破安全規(guī)程[S].2003.

[2] 楊文東,范高軍.龍灘水電站左岸導(dǎo)流洞爆破振動測試與控制研究[J].地震工程與工程振動,2008,28(4):168-172.

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[4] 吳克剛,邱進(jìn)芳,謝鵬，等.爆破地震危害及爆破振動測試[J].采礦技術(shù)，2009(5):115-116,122.

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[6] 黃憶龍.工程爆破中的災(zāi)害及其控制[J].西部探礦工程,2002, 14(2):90-91.

TD235

A

1004-5716(2015)02-0187-04

2014-10-14

2014-11-03

蘇波（1989-），男（漢族），四川綿陽人，成都理工大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：地質(zhì)工程（鉆掘工程理論與方法）。