爆破振動監(jiān)測傳感器固定方法研究

孔祥雷，費鴻祿，王喜剛，張淑坤 ，張小朋

(1.遼寧科技學院資源與土木工程學院，遼寧 本溪 117004；2.遼寧工程技術大學爆破技術研究院，土木工程學院，遼寧 阜新 123000)

隨著爆破技術應用越來越廣泛，爆破危害也越來越受到人們的關注和重視。其中爆破振動危害是熱點之一，發(fā)生在很多爆破工程中的“工民互擾”問題都與爆破振動有關，振動導致房屋建筑裂隙、邊坡滑塌、設備損壞、人畜驚嚇等，都是比較常見的訴求現(xiàn)象。針對爆破振動問題，《爆破安全規(guī)程》GB 6722-2014[1]和《水電水利工程爆破施工技術規(guī)范》DL/T 5135-2013[2]等都專門提出了對環(huán)境及保護對象振動強度控制的標準。利用測振儀對爆破振動進行現(xiàn)場監(jiān)測，是獲取爆破振動強度最科學、直接、有效的方法，而可靠固定振動傳感器是爆破振動監(jiān)測的關鍵步驟，直接影響采集振動數(shù)據(jù)的精確性和評價結論的準確性。但是，這也是一個最容易被忽視的細節(jié)，因為一般固定傳感器操作簡單，沒有技術難度，所以缺乏足夠的重視。當面對如在覆土、浮石、坡面等復雜的現(xiàn)場情況時，布點安放傳感器監(jiān)測人員往往又束手無策，加之缺乏有效的現(xiàn)場監(jiān)督，往往在這一環(huán)節(jié)容易敷衍了事。這是目前爆破振動監(jiān)測的薄弱環(huán)節(jié)，在不同的監(jiān)測環(huán)境條件下，尚無有針對性的固定傳感器的有效方法、具體操作要求以及質量驗收標準。

本文在分析當前爆破振動監(jiān)測固定振動傳感器的方法基礎上，提出了在非理想條件下固定傳感器的新方法，為類似爆破振動監(jiān)測提供參考。

1 固定傳感器的基本方法

1.1 傳感器固定的要求

傳感器是監(jiān)測振動信號的關鍵部件，為了保證所采集振動信號的精度，傳感器必須與測點表面牢固地結合在一起，確保傳感器與被測體同步振動[3]。測點應選擇與基礎(基巖)為一體的堅固測點，避免選擇浮點(如松動的磚)、空鼓點(下方為空區(qū))、懸空點(如鐵軌等)等，測點表面盡量平整、干凈；如遇非平面、覆土、浮石、基礎軟弱、積水等情況，要采取針對性措施來可靠固定傳感器，例如一些長期測點用混凝土砌筑永久性安裝平臺。固定完傳感器后，還要對傳感器、測振儀進行必要的防護，避免意外觸碰、觸發(fā)和干擾。

1.2 傳感器固定方法

爆破振動監(jiān)測現(xiàn)場的條件往往復雜多變，根據(jù)測點介質情況大體可分為理想測點和非理想測點，把表面平整堅固的測點如建筑基礎、設備基礎、室內地面、路面等，通過簡單粘貼即可固定傳感器的稱為理想測點；把松軟、粗糙、帶有坡面、不連續(xù)的如草坪、耕地、山地、礦山采場、斜坡道、巷道、廊道、大壩等，不能直接或不便于安放固定傳感器的稱為非理想測點。根據(jù)測點監(jiān)測次數(shù)又可分為固定測點和臨時測點，固定測點一旦選定后，位置固定不變，其監(jiān)測的周期長、次數(shù)多，多在礦山、水利水電等工程中使用；臨時測點多在現(xiàn)場臨時指定，位置不固定，監(jiān)測次數(shù)少，根據(jù)爆破情況隨變隨撤，如在拆除爆破、隧道爆破、路塹橋基爆破、場平爆破等工程中的振動監(jiān)測，涉及范圍廣，現(xiàn)場情況也更復雜。本文主要討論臨時、非理想測點傳感器的固定方法。

1.2.1 理想條件下固定方法

理想測點固定傳感器的方法通常采用粘貼法，根據(jù)氣候條件可以分2 種，一種采用石膏固定[4]，適合糙面、潮濕、帶有微小坡度，尤其是氣溫較高的情況，不適用于較低溫度情況，如北方冬季零度以下；一種采用黃甘油直接粘貼，適合低溫、平整的測點情況，不適于高溫天氣下使用。以上方法具有可靠、簡便、快捷、成本低等特點，為監(jiān)測人員廣泛使用[5-7]，是比較基本的方法。除此之外，也有其他粘貼方法，如用AB膠等粘貼固定。

1.2.2 非理想條件下固定方法

目前在非理想條件下，現(xiàn)有的一些方法具有很大的局限性和不穩(wěn)定性，沒有可靠的固定傳感器方法。

非理想爆破振動監(jiān)測條件大體可分為兩類，一類是軟、散基條件，比較常見的有土壤、草坪、覆土層、碎石路面等；一類是坡面條件，常見的有混凝土斜坡面、礦山邊坡巖石、隧(巷)道周壁等。對于軟基條件下固定傳感器是最難的，甚至是不可能的，有些監(jiān)測人員使用測振儀廠家配帶的圓錐用螺絲擰在傳感器上，然后再將圓錐扎入土壤中(見圖1)，也有采用較長的鋼筋代替圓錐，這些方法雖然安裝方便，但在連續(xù)振動狀態(tài)下容易松動或產生自由振動，難以保證數(shù)據(jù)的真實性。對于隧(巷)道側壁或頂壁的情況，可采用類似圖2所示的夾具固定傳感器，其他坡面情況下尚無簡便可靠的方法。

因此，在現(xiàn)有的監(jiān)測技術、條件下，亟需一種可靠、簡便、快捷的固定方法來解決現(xiàn)場固定傳感器這一細節(jié)問題。

圖1 單腳錐固定傳感器Fig.1 Single foot cone fixed sensor

圖2 固定傳感器的夾具Fig.2 Fixture for fixed sensor

2 非理想條件固定傳感器的新方法

2.1 三角臺法

三角臺法也可以稱為三角錐法，叫法有兩種含義，一是用三根錐腳；二是三根錐腳及其延長線在空間上近似為三角錐形，這樣以最簡單的結構和對土壤最小的擾動，滿足了三維空間的穩(wěn)定與耦合要求。

2.1.1 組成及原理

三角臺在結構上由四部分組成[8](見圖3),第1 部分是基板，用于粘貼傳感器，基板上有水準泡、指南針和螺絲卡座，分別用于確定水平度、方向和卡緊固定隨變樁管；第2 部分是隨變樁管，由不同長度的鋼管用螺紋接續(xù)而成，長度隨實際的土壤厚度決定，可長可短，其一端與基板相接，另一端用強力貫入土體中，用于支撐固定基板；第3 部分為圓錐形錐頭，安裝于樁管端部，主要是擠壓，利于楔入土壤；第4 部分為保護蓋帽，作用是套在樁管端部，在錘擊時保護柱節(jié)內螺紋。根據(jù)三角穩(wěn)定原理，并借助錐腳與介質的摩擦力，利用3 根可接續(xù)變長的樁管，以一定的外展角度釘入土壤中直至持力層，上部和基板固定組成微型平臺，這樣在空間上形成一個穩(wěn)定的三角臺體，然后在平臺上安放傳感器；而常見的固定方式(如單腳錐法，即用一個約8 cm長的圓錐通過螺紋固定在傳感器底部，然后扎入土壤中)，長度上達不到基巖(或持力層)，橫向上依靠土體也難以提供可靠的約束(見圖4)。

圖3 三角臺法實物Fig.3 Triangular pyramid platform object

圖4 三角臺法原理及對比 Fig.4 Principle of triangular pyramid platform method and comparison

2.1.2 操作步驟

先準備好相關部件材料，包括錐頭、樁管、基板、黃油、扳手、錘子等，然后進行關鍵步驟的操作。

1)打探桿。取1 根樁管，下端擰緊錐頭，上端安上保護蓋帽，穿過基板上的1 個固定孔，以3°～ 4°的外傾角用錘子向土壤中楔入，直至土壤底部持力層(以不下沉、不晃動為準)，期間可根據(jù)樁管楔入情況續(xù)接長、短樁管，以安裝好基板后上端富余1 cm左右為宜，通過此步驟可探明測點的軟土壤薄厚松軟等情況。

2)根據(jù)探桿探知的情況，通過另外2 個固定孔繼續(xù)向土壤中楔入樁管，方法同上步驟，此時3 根樁管在空間上近似為三角錐形。

3)調平與固定。根據(jù)水準泡的指示，將基板調至水平，然后用扳手依次緊固基板上的固定螺絲，此時安放振動傳感器的三角臺即已完成。

4)用粘貼法固定傳感器。根據(jù)指北針的指示或爆區(qū)方向，用黃油或石膏將傳感器粘貼在三角平臺上。

在安裝的過程中，應注意盡量減少對測點土壤的擾動，三角臺完成后也應避免外力擾動。

2.1.3 適用環(huán)境

一般來講，三角臺法可以用在松軟、松散的介質上固定傳感器，比較常見的如城鄉(xiāng)土路、土堤、大地、草坪，礦山的覆土路、碎石路以及各種施工工地等。三角臺法2種比較典型的應用如圖5～圖6所示。

圖5 三角臺法在郊區(qū)使用Fig.5 Triangular pyramid platform method applying in suburbs

圖6 三角臺法在礦山使用Fig.6 Triangular pyramid platform method applying in mines

2.1.4 效果分析

為了驗證三角臺法的可靠性，進行粘貼法、三角臺法和單腳錐法對比振動模擬監(jiān)測試驗，測試采用相同廠家相同型號的測振儀和傳感器，設置相同的采集參數(shù),其中觸發(fā)電平為0.100 cm/s，模式為內觸發(fā)，采樣率4 K，采樣延時-100 ms，與振源的距離相等，x、y、z軸指向相同，測試地點在鐵路路基下方，模擬振源為運行通過的列車產生的振動。當列車通過時，3 臺測振儀同時觸發(fā)，同時采集記錄相同的振動信號(見圖7)。

圖7 三種監(jiān)測方法對比Fig.7 Comparative of three monitoring methods

以粘貼法為參照標準，對所采集的振動數(shù)據(jù)進行初步分析，其中三角臺法和粘貼法測得的峰值振速和主頻基本相同，單腳錐法測得的數(shù)據(jù)和粘貼法相比，其峰值振速和主頻則有一定的偏差(見表1)。對比3 種方法所測得的波形，在持續(xù)近10 s的監(jiān)測時長內，三角臺法和粘貼法測得的波形更清晰，兩組波形基本一致，振速峰值點出現(xiàn)的時刻和位置相同，都在3.08 s時刻出現(xiàn)波峰(見圖8～圖9)；用單腳錐法測得的波形則比較模糊雜亂，主要的波峰、波谷出現(xiàn)的時刻和位置和粘貼法都不相同，振速峰值點出現(xiàn)在6.95 s時刻(見圖10)。

通過上述試驗證明，三角臺法固定傳感器具有更高的可靠度，在土壤等松散、軟弱介質上能夠保證振動數(shù)據(jù)的精度要求。

表1 三種方法對比振動數(shù)據(jù)

圖8 粘貼法波形Fig.8 Waveform of paste method

圖9 三角臺法波形Fig.9 Waveform of triangular pyramid platform method

圖10 單腳錐法波形Fig.10 Waveform of single cone method

2.2 萬向臺法

2.2.1 組成及原理

萬向臺由基座(軸)、T型管、基板組成[9](見圖11)，基座是將主軸管固定在平板上，平板四角開4 個固定孔，基軸則不用將主軸管固定在平板上；T型管由2 個管件互相垂直焊接組成，在較粗的管壁有3 個螺紋孔，套在主軸上，可繞主軸任意轉動，并用3 個螺絲旋緊固定；基板下部焊接一根空心管，空心管上同樣有3 個螺紋孔，套在T型管較細的管上，能夠繞其任意轉動，并用3 個螺絲旋緊固定，基板上部有水準泡，用以調平。將T型管繞基軸的轉動稱為公轉，基板繞T型管的轉動稱為自傳，通過公轉與自轉的配合，能夠在幾乎具有任意角度的坡面上，獲得一個水平的微小平臺來固定振動傳感器(見圖12)。

圖11 萬向臺法實物Fig.11 Universal platform object

圖12 萬向臺法原理Fig.12 Principle of universal platform method

2.2.2 操作步驟

1)固定基座。對于巖石，先用鑿巖機鉆10～15 cm的固定孔(角度不限)，然后用錨固劑將基軸固定在孔內(見圖13)；對于混凝土，可用射釘槍將基座通過4 個固定孔固定在測點上(見圖14)。

圖13 在巖石上鉆孔錨固Fig.13 Drilling and anchoring on rock

圖14 在混凝土坡面固定Fig.14 Fixing on concrete slope

2)連接套管。先將T型管套在基軸上，再將基板通過下部的空心管套在T型管上。

3)調平和固定。同時轉動T型管和基板，待水準泡處于中心位置時，擰緊固定螺絲將平臺固定。最后用粘貼法固定傳感器。

2.2.3 適用環(huán)境及效果

萬向臺法主要用于具有一定坡度、弧度或者表面有淺層積水的堅硬測點，如混凝土壩體、礦山邊坡、斜坡道、巷(隧)道等。

由于萬向臺法是在堅硬介質上采用剛性連接，和測點介質錨固成為一體，具有更高的可靠度，完全能夠滿足監(jiān)測的精度要求。

3 結語

本文為現(xiàn)場臨時固定測振傳感器提供了新的思路和方法，使研究和監(jiān)測人員在爆破振動監(jiān)測實踐中有更多的選擇。

在非理想條件下固定爆破振動監(jiān)測傳感器，三角臺法主要解決松軟介質的固定問題，而萬向臺法則解決了堅硬介質的問題，兩種方法達成互補，解決了絕大多數(shù)情況下測點固定傳感器的難題。因此，在基礎等堅固、平整的理想測點下固定傳感器使用粘貼法，在土壤等松軟介質上固定傳感器使用三角臺法和在邊坡等堅硬的坡面上固定傳感器使用萬向臺法，構成了一套完整的、科學規(guī)范的爆破振動監(jiān)測傳感器固定體系。

影響監(jiān)測結果精度的因素有很多，其中人員是最大的影響因素，監(jiān)測人員應足夠重視現(xiàn)場工作，提前進入現(xiàn)場踏勘，根據(jù)監(jiān)測設備的性能和現(xiàn)場條件，制定可靠的監(jiān)測方案，做好充分的監(jiān)測準備，做好每一個細節(jié)工作，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學、準確。