爆破振動(dòng)參數(shù)在南水北調(diào)工程城鎮(zhèn)控制爆破中的運(yùn)用

周洪強(qiáng)，屈江昆，支維定

（1.黃河水電工程建設(shè)有限公司，河南鄭州450000；2.中國水利水電第十工程局三分局，四川 都江堰 611830；3.三門峽黃河明珠（集團(tuán)）有限公司，河南 三門峽472000）

隨著爆破技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各種建筑工程活動(dòng)更加強(qiáng)烈，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性鑒定不僅要針對(duì)滑坡、崩塌、泥石泥、地裂縫、地面塌陷、地面沉降等現(xiàn)象進(jìn)行定性分析，而且要利用一些相關(guān)學(xué)科的指標(biāo)，及相關(guān)的計(jì)算參數(shù)來定量分析構(gòu)筑物的穩(wěn)定性及破壞因素。下面以南水北調(diào)工程實(shí)例為參考，在此針對(duì)爆破振動(dòng)參數(shù)在城鎮(zhèn)控制爆破及地質(zhì)災(zāi)害鑒定中應(yīng)用的有關(guān)問題作一些探討。

1 工程概況

南水北調(diào)工程JL06標(biāo)石方爆破區(qū)位于西邵明村西側(cè)，與村民居住區(qū)毗鄰，爆破區(qū)與民房最近距離172 m，爆破環(huán)境條件復(fù)雜。渠道開挖斷面為梯形，設(shè)計(jì)底寬22 m，邊坡坡比為 1∶1～1∶2，每 6～8 m 設(shè)一級(jí)馬道，邊坡共設(shè) 5 級(jí)馬道，渠道最大挖深約34 m。爆破石方為灰?guī)r、砂巖等巖體地質(zhì)條件，從局部揭露情況觀察可以看出，其為垂直層理，邊坡巖體屬于Ⅳ，Ⅴ類巖體，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，并存在很多泥巖夾層，邊坡及馬道采用光面爆破一次爆破成型有很大難度。在此情況下,采用了適宜的施工爆破技術(shù)——以淺孔、深孔控制爆破為主，采用預(yù)裂爆破減震措施,邊坡光面爆破方案，收到了良好的效果。同時(shí)采取了必要的安全防護(hù)措施,減小了對(duì)居民正常生活的擾亂,為工程順利進(jìn)行創(chuàng)造了條件。

2 不規(guī)范爆破的危害

在以往的爆破工程中，存在很多不規(guī)范爆破實(shí)例，靠近城鎮(zhèn)的控制爆破工程，往往對(duì)城鎮(zhèn)居民生活擾動(dòng)較大；在一些地質(zhì)情況復(fù)雜的地區(qū)，爆破施工對(duì)后期的圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生了極大的破壞作用，從而導(dǎo)致出現(xiàn)很多后期的安全隱患，甚至引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。隨著國家環(huán)保規(guī)定的日趨嚴(yán)格以及對(duì)環(huán)境安全要求水平的不斷提高，人們?cè)絹碓疥P(guān)注廣泛應(yīng)用的爆破手段尤其是不規(guī)范爆破手段對(duì)周圍環(huán)境及建筑物的影響，更確切地說就是關(guān)注爆破產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊波導(dǎo)致對(duì)建筑物的破壞和對(duì)周圍安全生活環(huán)境的惡化影響，應(yīng)運(yùn)用國家相關(guān)規(guī)程鑒定被損壞的環(huán)境及建筑物。

3 爆破振動(dòng)參數(shù)的確定

3.1 安全允許距離

3.1.1 爆破振動(dòng)安全允許距離(R)

式中：R——爆破振動(dòng)安全允許距離，m；Q——炸藥用量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大一段藥量，kg；V——保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的安全允許速度，cm/s；K——與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

K，a值可根據(jù)下面的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行回歸分析：

式中：r——傳感器測(cè)試點(diǎn)與爆破點(diǎn)之間的距離，m；m——當(dāng)藥包尺寸或同段炮孔的分布范圍與測(cè)點(diǎn)距之比小于1/10時(shí)，可以認(rèn)為同段爆破藥包為點(diǎn)藥包，m=1/3，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離與同段藥包分散相當(dāng)時(shí)m=1/2。一般K，a值與爆破區(qū)地形、地質(zhì)條件和爆破自查報(bào)告相關(guān)，K值更依賴于爆破條件的變化，a值主要取決于地形，地質(zhì)條件的變化，爆破臨空條件好，夾制作用小，K值就小，反之 K值就大；若地形平坦，巖體完整、堅(jiān)硬，a值變小，反之，破碎、軟弱巖體、起伏地形，a值趨大。K值范圍大部分在50～10 000之內(nèi)，a值在1.3～3.0之間。參照GB6722—2003《爆破安全規(guī)程》爆破區(qū)不同巖性的K，a值見表1。

表 1爆破區(qū)不同巖性的 K，a值

3.1.2 爆破沖擊波安全允許距離

地表裸露爆破量大的情況下，在非地質(zhì)災(zāi)害鑒定時(shí)，還需分析地表空氣中沖擊波對(duì)建筑物的危害?？諝鉀_擊波超壓值（ΔP，105 Pa）的計(jì)算公式如下：

在計(jì)算時(shí)，應(yīng)該核算不同保護(hù)對(duì)象在不同環(huán)境所受到的空氣沖擊波超壓值。

3.2 振動(dòng)頻率

房屋的振動(dòng)頻率是決定結(jié)構(gòu)能否受到破裂危害的重要參數(shù)之一，這其中當(dāng)然與房屋的結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同巖性的地基和不同房屋的結(jié)構(gòu)有不同的頻率，不同高度建筑物的頻率也不一樣。建筑物地面以上部分有放大水平方向的地面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，響應(yīng)取決于建筑物的固有頻率，對(duì) 1～2層的民房來講其固有頻率為4～12 Hz，美國礦業(yè)局對(duì)46種不同房屋進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最大的放大因子(上層樓相對(duì)于地面水平的激振響應(yīng)與時(shí)間相聯(lián)系的系數(shù))為2～4，與激振頻率在4～12 Hz范圍內(nèi)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)因子0.5倍相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于一棟房子，它的方向不同，響應(yīng)的程度也不一樣，這是因?yàn)樗鼈兘Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度的不同。我國在GB6722-2033規(guī)程里作了明確的規(guī)定：構(gòu)筑物的頻率為主振頻率，系指最大振幅所對(duì)應(yīng)的頻率；頻率范圍可根據(jù)類似工程或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形選擇，選取頻率時(shí)亦可參考下列數(shù)據(jù)：硐室爆破小20 Hz，深孔爆破 10～60 Hz，淺孔爆破40～100 Hz。

表2 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

3.3 振動(dòng)速度

1）不同巖性地基的振動(dòng)速度 (瑞典的“ 標(biāo)準(zhǔn)”)：松散的冰磧、砂、卵、粘土層，V≤1.8 cm/s；堅(jiān)密的冰磧層、砂巖、軟質(zhì)灰?guī)r，V≤3.5 cm/s；花崗巖、片麻巖、石灰?guī)r、石英砂巖，V≤7 cm/s。

2）從有關(guān)資料獲悉，房屋的振速在 1.27 cm/s時(shí)，一般磚混結(jié)構(gòu)的民房有5%產(chǎn)生裂縫的可能，我國根據(jù)保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)安全速度規(guī)定見表 2。

4 爆破對(duì)建筑物影響的安全距離

4.1 爆破安全監(jiān)測(cè)試驗(yàn)參數(shù)（見表3）

表3 爆破安全監(jiān)測(cè)試驗(yàn)參數(shù)表

4.2 監(jiān)測(cè)儀器

根據(jù)GB6722-2003的規(guī)定，爆破振動(dòng)控制主要以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為主。因此，監(jiān)測(cè)采用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度傳感器，配接IDTS3850型爆破振動(dòng)記錄儀。IDTS 3850振動(dòng)記錄儀采用自動(dòng)觸發(fā)，自動(dòng)記錄模式，當(dāng)爆破振動(dòng)信號(hào)達(dá)到預(yù)先設(shè)置的觸發(fā)電平時(shí)，觸發(fā)控制電路啟動(dòng)采集，儀器將自動(dòng)記錄爆破地震波振動(dòng)速度變化過程。然后通過記錄儀的RS232接口與計(jì)算機(jī)連接，由專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。為保證現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠，對(duì)所有儀器進(jìn)行了整機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定。具體測(cè)試系統(tǒng)：速度傳感器→IDTS3850爆破振動(dòng)記錄儀→計(jì)算機(jī)專用分析軟件→打印輸出。

4.3 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)爆破區(qū)周邊環(huán)境條件和監(jiān)測(cè)要求，重點(diǎn)對(duì)西邵明村民房基礎(chǔ)進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)共布置了5個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，各點(diǎn)均布置鉛垂向和水平徑向2臺(tái)傳感器。

4.4 觀測(cè)結(jié)果

2010年11月10日，結(jié)合渠道石方爆破施工進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測(cè)。爆破方式分臺(tái)階爆破和掏槽爆破兩種。IDTS 3850振動(dòng)記錄儀設(shè)置觸發(fā)電平0.031 2 V，即振速值為0.10 cm/s。在爆破前，儀器處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)鉛垂向振速或水平徑向振速達(dá)到0.10 cm/s時(shí)，儀器自動(dòng)啟動(dòng)采集，記錄爆破地震波全過程。

從實(shí)測(cè)各點(diǎn)振動(dòng)速度值和典型波形(略)可以看出：

1）爆破地震動(dòng)的產(chǎn)生、傳播受爆破規(guī)模和地形地質(zhì)條件影響外，與爆破方式、破碎巖體有無拋擲空間有很大關(guān)系。掏槽爆破由于破碎巖體受周圍巖體夾制作用產(chǎn)生的地震動(dòng)能量相對(duì)較大，而臺(tái)階爆破前排無堆積，有充分拋擲空間，爆破地震動(dòng)能量較小。因此，實(shí)測(cè)民房基礎(chǔ)振速值第二次爆破測(cè)值大于第一次、第三次爆破測(cè)值。

2）爆破區(qū)為風(fēng)化剝蝕高丘地貌，上部地層為黃土狀壤土，下部為泥巖、石灰?guī)r等，爆破區(qū)高程相對(duì)高于西邵明村民房，爆破后產(chǎn)生的地震波沿黃土地層衰減較快。實(shí)測(cè)172 m處民房基礎(chǔ)最大振速為0.52 cm/s，300 m處民房基礎(chǔ)最大振速為0.18 cm/s，且主振頻率均大于10 Hz，這說明地震波衰減較快，速度幅值較小。

依據(jù)國家爆破安全規(guī)程，一般磚房當(dāng)振動(dòng)頻率在10～50 Hz范圍時(shí)，其爆破振動(dòng)安全允許振速為2.3～2.8 cm/s；土坯房、毛石房屋當(dāng)振動(dòng)頻率在10～50 Hz范圍時(shí)，其爆破振動(dòng)安全允許振速為0.7～1.2 cm/s。西邵明村居住民房為磚混結(jié)構(gòu)，建造年代不同，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)距爆源172 m處（第一測(cè)點(diǎn)）的民房基礎(chǔ)振速最大，水平徑向最大振速為0.52 cm/s，鉛垂向最大振速為0.33 cm/s，主頻均大于10 Hz，其余4點(diǎn)振速值都小于第一點(diǎn)，均小于國家爆破安全規(guī)程的安全允許值，且具有較大的安全余度。從現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)結(jié)果來看，掏槽爆破產(chǎn)生的地震動(dòng)相對(duì)較大，因此，建議在距離民房較近地區(qū)，進(jìn)行掏槽爆破和渠道右岸爆破時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制爆破規(guī)模、最大單響藥量，優(yōu)化孔間、排間毫秒時(shí)差，并進(jìn)行必要的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以確保工程安全實(shí)施和周圍環(huán)境的安全。

［1］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB6722—2003，爆破安全規(guī)程［S］.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［2］GB50292—1999，民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］中國葛洲壩集團(tuán)公司三峽工程施工指揮部.DLT5135—2001水利水電工程爆破施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，2002.