中深孔爆破震動效應(yīng)對鄰近建筑物的影響與安全控制

李是良,邱進(jìn)芬,李必紅,吳克剛,任才清

(國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院, 湖南長沙 410073)

中深孔爆破震動效應(yīng)對鄰近建筑物的影響與安全控制

李是良,邱進(jìn)芬,李必紅,吳克剛,任才清

(國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院, 湖南長沙 410073)

以冷水江市一土石方爆破工程為例,介紹了施工過程中預(yù)防和控制爆破地震的技術(shù)措施,通過計(jì)算控制與監(jiān)測校正,動態(tài)調(diào)整裝藥參數(shù),嚴(yán)格控制單孔藥量,并采取微差爆破、開挖減震孔及優(yōu)選最小抵抗線方向等措施,有效降低了爆破震動效應(yīng)的危害,確保了周圍建筑及人員的安全,使石方工程提前順利完工。

中深孔爆破;爆破地震效應(yīng);微差爆破;減震孔;安全控制

0 引 言

爆破技術(shù)是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的一項(xiàng)重要工程技術(shù),發(fā)揮著越來越重要的作用。它能夠大大加快土木工程建設(shè)的速度、節(jié)省施工成本,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。但由于爆破施工環(huán)境 (地質(zhì)和周圍居民)的復(fù)雜性及理論的不成熟性,爆破引起的路塹邊坡失穩(wěn)、滑坡、建筑結(jié)構(gòu)受損等災(zāi)害性事故時(shí)有發(fā)生。特別是爆破地震效應(yīng)對周圍建筑物造成的破壞現(xiàn)象,因其普遍性、難控制性易引起民事糾紛,受到社會和政府的普遍關(guān)注[1,2]。

爆破地震效應(yīng)是由炸藥的一小部分能量轉(zhuǎn)換為地震波引起的。爆破震動具有震動幅值大、頻率高、衰減快和持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn),其強(qiáng)度和破壞效應(yīng)隨著爆心距的增加而減弱。爆破震動的發(fā)生與傳播雖然時(shí)間很短,但如果控制措施不當(dāng),仍會使爆破區(qū)附近的建 (構(gòu))筑物產(chǎn)生顛簸、搖晃、開裂、倒塌等破壞效應(yīng)[3,4]。因此,必須加強(qiáng)對爆破地震效應(yīng)的檢測和控制,盡量減小爆破震動的危害,確保爆破區(qū)周圍人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文以某爆破工程為案例,介紹其爆破施工方案的防震與減震措施。

1 工程概況

冷水江市城東生態(tài)移民安置一期土石方爆破工程,位于冷水江市生態(tài)園區(qū)道路工程站前西路一標(biāo)段桃樹山。施工區(qū)域周圍建筑物布局如圖1所示。施工區(qū)域臨近師范學(xué)校教學(xué)樓、大建煤礦家屬住宅樓和城市街道,最近距離不足 10 m,現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜,地形落差大,場地極不平整,爆破巖體巖性主要為煤層頁巖,硬度較大,抗壓強(qiáng)度大約 60 MPa,屬于次堅(jiān)石。附近居民對爆破振動、爆破飛石及炮煙等爆破危害的反映強(qiáng)烈,一度嚴(yán)重阻礙施工的正常進(jìn)行。

圖1 施工區(qū)域周圍建筑物布局

2 爆破施工防震與減震措施

2.1 嚴(yán)格控制單孔藥量

研究表明,爆破震動強(qiáng)度與炸藥量密切相關(guān)[5]。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003),確定周圍建筑所允許的爆破地震安全峰值為 2～3.0 cm/s,并結(jié)合內(nèi)部裝藥、松動微差控制爆破的特點(diǎn),由薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式得到離爆源不同距離 R處起爆的最大藥量為:

式中:vmax——最大爆破振動速度;

Qmax——最大單段起爆裝藥量;

R——爆點(diǎn)中心至被保護(hù)目標(biāo)的距離;

a——地震波衰減指數(shù);

K——爆破方式、距離、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)。

K、a值按表1選取[6]。

表1 不同類型巖石的 K、a值

根據(jù)計(jì)算、測振與試爆結(jié)果,校正 K值和 a值,得出動態(tài)變化單孔裝藥量、分區(qū)域嚴(yán)格控制藥量等結(jié)論。在距離居民樓或師范教學(xué)樓 30 m范圍內(nèi),單孔藥量嚴(yán)格控制在 5 kg以下;30～50 m范圍內(nèi),單孔藥量控制在 12～16 kg;50 m范圍以外,單孔藥量控制在 30 kg以下。

在實(shí)際施工過程中,要合理確定鉆孔深度、靈活布置孔網(wǎng)參數(shù),在距離居民樓或師范教學(xué)樓 50 m范圍內(nèi),降低臺階爆破高度 (即控制孔深),同時(shí)調(diào)整孔距 (a)和排距(b),使單孔藥量嚴(yán)格控制在允許的范圍內(nèi)。

2.2 采用微差爆破技術(shù)

國內(nèi)爆破行業(yè)采用微差起爆技術(shù)降震已有多年歷史,積累了許多成功經(jīng)驗(yàn),如大區(qū)微差爆破技術(shù)、等間隔微差爆破技術(shù)、孔內(nèi)微差爆破技術(shù)等[7]。試驗(yàn)結(jié)果表明,在總裝藥量及其他條件相同的情況下,微差爆破比齊發(fā)爆破的振動速度可降低 40%～60%[8]。

微差爆破時(shí)間間隔應(yīng)使各段別爆破地震波主震相不疊加,且時(shí)間間隔越大,減震效果越好。微差間隔時(shí)間可按式 (2)計(jì)算:

式中:△t——微差間隔時(shí)間,ms;

W1——臺階底盤抵抗線,m;

Kp——巖石裂隙系數(shù),裂隙少的巖石,Kp=0.5;

f——巖石堅(jiān)固性系數(shù)。

本工程中,綜合考慮爆破區(qū)巖石地質(zhì)類型及周圍居民建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn),認(rèn)為最佳微差爆破時(shí)間間隔最好大于 100 ms[9]。

本項(xiàng)目施工過程中,為滿足地震波既不疊加又可一次多爆破方量,還要確保爆破網(wǎng)絡(luò)絕對安全的要求,設(shè)計(jì)采用Ms-5段 (110 ms)導(dǎo)爆管雷管和 Hs-8段 (3500 ms)導(dǎo)爆管雷管微差爆破,單次可爆破超過 2000 m3的石方。

2.3 預(yù)先開設(shè)減震孔

截?cái)嗟卣鸩ǖ膫鞑ヂ窂揭部梢詫?shí)現(xiàn)有效減震,通常在爆破源和被保護(hù)建筑物之間開挖一條一定深度和寬度的塹溝,其深度要超過被保護(hù)建筑物地基的深度。在爆源和被保護(hù)建筑物之間產(chǎn)生孔隙面,可作為阻擋爆破地震波的一道屏障,當(dāng)?shù)卣鸩ǖ膫鞑サ竭_(dá)此界面時(shí),將發(fā)生反射,從而降低爆破震動的強(qiáng)度[10]。

由于本工程地質(zhì)巖石屬于硬度較大的煤層頁巖,因此挖機(jī)機(jī)械開挖困難;且因?yàn)榫嚯x居民樓較近,預(yù)裂爆破時(shí)幾十個(gè)炮孔同響所帶來的震動效應(yīng)較大,對建筑物有一定危害,因此,實(shí)際施工過程中采取鉆減震孔的方案,如圖2所示。在距離居民樓外圍墻 10 m處垂直地面鉆一排減震孔,孔徑 130 mm,孔深 10 m(低于居民樓地基),孔距 30 cm,成直線排列。師范教學(xué)樓與爆破施工區(qū)之間原有一條寬約 7 m、深至地基的開挖溝,可利用其作為減震溝。

圖2 減震孔布局

2.4 優(yōu)選最小抵抗線方向

根據(jù)最小抵抗線原理,在最小抵抗線平行方向上,介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到的約束最小,巖石中容易生成裂縫,壓縮應(yīng)力波能夠最先到達(dá)并且發(fā)生反射,使巖石介質(zhì)裂縫增多,最終破裂成碎塊;爆炸氣體易于沖進(jìn)最小抵抗線方向的巖石裂縫并最終推動碎石塊沿著最小抵抗線方向拋出。因此,在最小抵抗線方向上,炸藥爆炸剩余的能量大部分形成空氣沖擊波,少量轉(zhuǎn)化為地震波,地震強(qiáng)度最弱;最小抵抗線相反方向爆破震動強(qiáng)度最大,兩側(cè)居中[11]。

本工程施工過程中,從減震和控制飛石危害綜合考慮,使被保護(hù)建筑物位于最小抵抗線的兩側(cè)位置上,如圖3所示。在靠近居民樓一側(cè),串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)炮孔一般分 2排,按炮孔編號從小到大的順序依次起爆。前后 2排炮孔的最小抵抗線方向均朝向馬路,這樣就使居民樓處于最小抵抗線方向的兩側(cè),盡量減小居民樓處的爆破震動強(qiáng)度。

圖3 炮孔分布

3 結(jié)果與討論

采用上述減震措施后,爆破地震效應(yīng)帶來的危害明顯降低,實(shí)測震動數(shù)據(jù)見表2。其中測點(diǎn) 1和測點(diǎn) 2是用來測試同一次爆破的振動數(shù)據(jù),爆源位于靠近師范教學(xué)樓 30 m處,兩測點(diǎn)分別位于師范教學(xué)樓和居民樓地基處,如圖1所示;測點(diǎn) 3、4、5、6的位置如圖3所示,測試同一次爆破的振動數(shù)據(jù),測點(diǎn)3、4分別位于減震孔兩側(cè)距爆源相同距離處,兩點(diǎn)連線與減震孔連線基本垂直;測點(diǎn) 5與測點(diǎn) 6的布局類似于測點(diǎn) 3和測點(diǎn) 4的布局。

表2中數(shù)據(jù)顯示,1、2兩測點(diǎn)處的垂直振動速度都小于 1.5 cm/s,水平振動速度均小于 0.2 cm/s,且都隨著距爆源距離的增大而減小。結(jié)果表明,通過采取綜合減震措施,爆破震動效應(yīng)明顯減弱。

表2 爆破震動測量結(jié)果

測點(diǎn) 3、4、5、6處的數(shù)據(jù)顯示,垂直振動速度都小于 1.5 cm/s,水平振動速度都小于 0.12 cm/s,且減震孔一側(cè)垂直方向的振動速度峰值比沒有減震孔一側(cè)的約降低 15%左右,說明減震孔具有一定的減震效果。

通過計(jì)算控制、監(jiān)測校正、動態(tài)調(diào)整裝藥參數(shù)、打減震孔、微差爆破等措施,有效降低了爆破震動效應(yīng)對周圍居民樓、師范教學(xué)樓及人員造成的危害,為化解阻工矛盾做出了重要貢獻(xiàn),使 11萬 m3石方工程提前完成施工任務(wù)。

[1] 林琪偉.爆破振動對房屋影響的評價(jià)與控制研究[J].福建建筑,2009,136(10):89-90.

[2] 王新建.爆破振動公害及其控制研究[J].公安大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2002,29(3):76-79.

[3] 林從謀,楊林德.深孔爆破震動對城市環(huán)境的危害及控制技術(shù) [J].爆破 ,2003,9(增 ):88-90.

[4] 夏紅兵,汪海波,宗 琦.爆破震動效應(yīng)控制技術(shù)綜合分析[J].工程爆破,2007,13(2):83-86.

[5] 高爾新,楊仁樹.爆破工程[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[6] GB 6722-2003.爆破安全規(guī)程[S].

[7] 邢光武,鄭炳旭,魏曉林.延時(shí)起爆干擾減震爆破技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2009,29(4):95-97.

[8] 顧毅成.爆破工程施工與安全[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[9] 方顏空,文永勝,顧亮業(yè),等.淺析爆破地震波產(chǎn)生的原因及控制方法[J].礦業(yè)工程,2009,7(3):37-39.

[10] 方 向,高振儒,李的林,等.降低爆破震動效應(yīng)的幾種方法[J].爆破器材,2003,2(3):22-25.

[11] 杜 青,馬 秋,孫 偉,等.爆破振動對露天礦邊坡的影響及其防治[J].云南冶金,2008,37(6):12-15.

2011-07-06)

李是良 (1979-),男,博士,講師,主要從事新型火炸藥研究和爆破工程的設(shè)計(jì)與施工,Email:slnudt2003@yahoo.com.cn。