露天控制爆破振動對鄰近建筑物影響的分析*

雷興海，吳桂義，雷振，賀路

(1.貴州大學， 貴州 貴陽 550025；2.貴州理工學院， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程正在快速推進，我國許多城市都在進行大量基礎設施建設，城區(qū)的擴展以及住宅區(qū)的新建，都要對城市周圍的巖土進行開挖，目前，開挖巖石最有效、最經(jīng)濟、最便捷的施工方法是爆破，爆破振動作為爆破過程中最大的災害效應，引起了眾多學者對爆破振動的研究。

受到土地資源的限制，我國城市建筑物的主要特點表現(xiàn)為高聳密集，露天巖土爆破開挖時，爆破振動波通過巖體傳播到周圍的建筑物地基中，再由建筑物地基傳播到建筑物，建筑物在爆破振動波的作用下產(chǎn)生明顯的動力效應。當振動效應超過建筑物允許的最大安全效應，就會引起建筑物的破壞[1]。

雷振等[2]通過爆破振動現(xiàn)場測試，分析了爆破地震波作用下高層建筑結構振動傳播規(guī)律，得出爆破地震波作用下測點的垂向振動速度恒大于切向和徑向振動速度；隨著距爆源高差的增加，爆破振動速度逐漸增大；隨著距爆源水平距離的增加，爆破振動速度逐漸減小。謝承煜等[3]采用爆破振動信號測試系統(tǒng)對爆破振動進行實時監(jiān)測，同時運用動力有限元數(shù)值分析方法分析，指出改變露天爆破的起爆順序以及爆破方向，對于降低爆破振動可以獲得良好的效果。劉美山等[4]通過對爆破試驗的各項測試結果進行分析，對比類似工程的經(jīng)驗，提出了小灣水電站高邊坡開挖的爆破安全判據(jù)，并確定了使用原則，其試驗成果在施工爆破中得到了驗證。陳至昊和杜建偉[5]根據(jù)現(xiàn)場實際參數(shù)，利用ANSYS/LS－DYNA 軟件進行模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)三矢量振速峰值隨樓層升高逐漸降低，直到接近建筑物的頂部時發(fā)生局部放大效應，三矢量位移值隨樓層升高逐漸增加，與振速峰值規(guī)律相反。研究結果對城市軌道建設中的爆破施工與監(jiān)測以及相應減振技術具有一定的參考和借鑒意義。張玉琦等[6]通過現(xiàn)場爆破試驗及振動測試，分析基坑開挖爆破振動對建筑物結構的影響；根據(jù)高層建筑爆破振動安全控制標準，提出了基坑開挖爆破最大單段控制藥量。

祝文化等[7]采用現(xiàn)場實測的爆破振動信號，對鄰近爆區(qū)的廠房結構進行分析。建筑物的高度對爆破質(zhì)點振動速度和位移具有明顯的放大作用，而且速度放大效應比位移放大效應大，并確定了由高度差引起的放大系數(shù)。

綜上所述，由于爆破的復雜性，不同的地質(zhì)條件下，爆破振動對建筑物的影響是大不相同的，因此，針對貴陽市某爆破工程的地質(zhì)條件和臨近建筑物，進行了相對應的研究分析，得出與此相符合的爆破振動傳播規(guī)律，為工程的設計和施工提供準確的指導。

1 爆破現(xiàn)場測試

1.1 工程概況

某爆破場地位于貴州省貴陽市某山體和一密集居民小區(qū)，小區(qū)由高度為60 m建筑組成，建筑物與爆破場地之間有一條雙向 8車道的城區(qū)主干道，日常車流量較大。爆破開挖采用2號巖石乳化炸藥。由于爆破場地對面是高層建筑小區(qū)，采用了控制爆破，并對其進行了實時監(jiān)控。高邊坡主要為中硬巖石，采用深孔控制爆破和逐孔起爆的方法進行開挖，爆破參數(shù)見表1。

表1 爆破參數(shù)

1.2 試驗儀器

試驗儀器為 NUBOX-8016爆破測振儀，包含TP3V-4.5三維速度型傳感器5只，專用信號線纜5根。NUBOX-8016是一款采用全新技術設計的新一代智能爆破測振儀，能夠最大程度地簡化爆破測振現(xiàn)場工作流程，爆破現(xiàn)場自動設置觸發(fā)電平，達到“一鍵完成爆破測振操作”的智能化效果，同時可靠性、穩(wěn)定性大大增強，續(xù)航時間也顯著增加。

1.3 試驗測點布置

每次測量共布置5個測點，在樓房1、5、10、15和20層樓梯處靠近樓房的主立柱布設，對應的樓層高度分別為0 m、15 m、30 m、45 m和60 m。每個測點布置一個傳感器，測點編號為1#、2#、3#、4#和5#。測點距爆心的水平距離為100 m～150 m。

爆破振動測試方案：5個測點所在的直線與炮孔平行。爆破前20 min將傳感器置于地板，周圍用石膏粘附，保證傳感器與建筑物一起振動。粘附完成以后，爆破前5 min打開儀器。每次測試嚴格要求測點的垂直方向保持在一條直線上，因為炮孔位置和最大段藥量每次都不同，所以測得振動速度不同。

1.4 監(jiān)測結果

對不同的爆心距離和最大段藥量的爆破振動進行監(jiān)測，在最大段藥量為 20 kg，爆心距測點的水平距離為110 m時，實測所得三維爆破峰值振速、主頻率和振動持續(xù)時間（見表2），其中，5#測點峰值振速最大為0.453 cm/s，主振頻率為8.85 Hz，振動持續(xù)時間為4.265 s。波形如圖1所示。

表2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖1 5#測點的振動波形

2 爆破振動傳播規(guī)律研究

2.1 爆破振動傳播規(guī)律分析

爆破振動傳播規(guī)律的分析一般是用線性回歸分析方法來擬合分析，數(shù)據(jù)的回歸分析在實際工程中具有廣泛應用。大量的現(xiàn)場實測和試驗結果表明：爆破振動強度主要與爆心距、裝藥量、巖土性質(zhì)、地形條件等因素有密切關系，《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）中推薦的峰值振速衰減規(guī)律計算公式為薩道夫斯基公式。

式中，V為質(zhì)點振動速度，cm/s；Q為最大段藥量，kg；R為爆源至測點的水平距離，m；K、α為與地形和地質(zhì)條件有關的參數(shù)。

使用薩道夫斯基公式探討峰值振速隨高度變化的衰減規(guī)律，首先，對公式左右兩邊取對數(shù)，得到式（2）：

將爆心距R、單段藥量Q和峰值振速V代入以上所設的x，y表達式，可得數(shù)據(jù)組（xi,yi），其中i=1,2,3,…,40。對數(shù)據(jù)進行最小二乘法的線性擬合得出A、B，進而可算出系數(shù)K和α的值。

相關系數(shù)r反應擬合效果的好壞，其數(shù)值在0～1之間，越接近于1，效果越好。

本次試驗采用origin軟件對A和B進行擬合，對不同的爆心距離和最大段藥量的爆破振動進行監(jiān)測，采用1#測點的垂向峰值振速、徑向峰值振速和切向峰值振速對A和B進行擬合。試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 1#測點三維峰值振速

2.2 爆破振動衰減規(guī)律研究

在進行數(shù)據(jù)分析之前，先建立擬合函數(shù)y=A+Bx，擬合采用非線性曲線擬合，垂向峰值振速擬合結果如圖2所示。

由圖2可得，A=6.5873，B=2.339 25，所以k=eA=725.818 51，α=B=2.339 25。

圖2 垂向峰值振速擬合曲線

徑向峰值振速擬合結果如圖3所示：

由圖3可得，A=4.9672，B=1.878 42，所以k=eA=143.624 17，α=B=1.878 42。

圖3 徑向峰值振速擬合曲線

切向峰值振速擬合結果如圖4所示。

由圖4 可得，A=6.722 38，B=2.334 26，所以k=eA=830.792 45，α=B=2.334 26。

圖4 切向峰值振速擬合曲線

綜上所述，垂向峰值振速的衰減系數(shù)α大于切向的，切向的k值大于垂向的，徑向的k和α都明顯小于垂向和切向。由此可知，爆破振動波從爆源處傳播到建筑物的過程中，垂向峰值振速的衰減速度大于切向的，徑向峰值振速的衰減速度介于切向和垂向之間。爆破峰值振速隨建筑物距爆心的水平距離和最大段藥量變化的衰減規(guī)律如下。

垂向峰值振速衰減公式為：

徑向峰值振速衰減公式為：

切向峰值振速衰減公式為：

2.3 測試結果與計算結果的對比分析

根據(jù)爆破試驗現(xiàn)場所測的峰值振速，結合振速衰減公式所計算的結果進行對比分析，測試結果與計算結果見表4。

由表 4可知，計算值與實測值的最大誤差為0.012 cm/s，最大誤差率為 8.2%，平均誤差率為4.2%。實際測量結果與計算結果相符合，因此，在爆破設計的過程中，已知爆心距建筑物的水平距離和建筑物爆破振動允許最大速度，即可求出安全允許的爆破最大段藥量。

4 爆破振動對建筑物影響分析

爆破振動對建筑物產(chǎn)生的影響，取決于爆破振動的振動幅值、主頻率和持續(xù)時間等。爆破振動的峰值、主頻率和持續(xù)時間隨樓房高度變化較大，表現(xiàn)出不同樓層高度的振動峰值、主頻率和持續(xù)時間并不一致。通過對樓房不同高度的樓層進行現(xiàn)場爆破振動測試，分析高層樓房對爆破振動的反應規(guī)律，研究選取最大段藥量為 20 kg，爆源距建筑物的水平距離為110 m的測點作為研究對象，試驗數(shù)據(jù)見表5。

表4 三維振速實測與計算結果分析/(cm/s)

表5 三維爆破峰值振速隨樓層高度變化統(tǒng)計

由圖5可知，垂向峰值振速隨著樓層高度的增加而增大，增速先快后慢。切向峰值振速隨著樓層高度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小，到達最小值時再增加。徑向峰值振速隨著樓層高度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小、再增加后減小的變化趨勢。在垂向方向上，出現(xiàn)了高層放大效應，到達頂層時，垂向峰值振速大于徑向峰值振速和切向峰值振速。

由圖6可知，隨著樓層高度的增加，在切向方向上，主頻率始終保持不變，徑向方向上，主頻率先快速減小為 1#測點的一半，然后隨著高度的增加，再增加后減小，減小到8.24 Hz時不再變化。垂向方向上，主頻率先快速減小，減小到 8.85 Hz時，隨著樓層高度的增加，主頻率保持不變。

圖5 三維峰值振速隨樓層高度的變化

圖6 三維振動主頻率隨樓層高度的變化

圖7 振動持續(xù)時間隨樓層高度的變化

由圖7可知，三維振動持續(xù)時間隨著樓層高度增加的變化規(guī)律為：隨著樓層高度的增加，在徑向方向和切向方向上，振動持續(xù)時間都是先減小后增加，增加到一定的數(shù)值后，隨著高度的增加，持續(xù)時間保持不變。垂直方向上，持續(xù)時間先緩慢減小，當樓層高度為15 m～45 m時，持續(xù)時間快速下降，當樓層高度大于45 m時，隨著樓層高度的增加，持續(xù)時間快速增加，在樓頂時，持續(xù)時間小于樓層底部。

5 結論

（1）爆破振動波從爆源處傳播到建筑物的過程中，垂向峰值振速的衰減速度大于切向的，徑向峰值振速的衰減速度介于切向和垂向的之間。通過實測數(shù)據(jù)擬合的薩道夫斯基公式，平均誤差率為4.2%，實測結果與計算結果相符合。

（2）垂向峰值振速隨著樓層高度的增加而增加，增速先快后慢，具有明顯的高層放大效應，建筑物中的最大峰值振速為樓房頂層的垂向峰值振速。

（3）隨著樓層高度的增加，切向主頻率保持不變，垂向為先快速減小，之后保持不變，徑向為先快速減小，后增加再減小。

（4）振動持續(xù)時間隨著樓層高度的增加，徑向與切向先減小后增加，增加到一定的數(shù)值后保持不變，垂向為先緩慢減小，后快速減小，再快速增加。