土石方爆破工程振動(dòng)對(duì)人體舒適度影響的評(píng)估及運(yùn)用

馬浩原　張智宇

摘要：根據(jù)目前的國(guó)內(nèi)外爆破振動(dòng)對(duì)人體影響的標(biāo)準(zhǔn)以及時(shí)域?yàn)V波器技術(shù)，結(jié)合云南省蒙自繞城高速公路雷公哨段爆破開挖工程案例，確立了一個(gè)有效的爆破振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法，并對(duì)該案例評(píng)價(jià)過程和評(píng)價(jià)結(jié)果做了闡述與驗(yàn)證。其結(jié)果表明，現(xiàn)實(shí)狀況與這種評(píng)價(jià)方法所得到的結(jié)論是相一致的；同時(shí)從結(jié)論中我們還看到，即便是一次很小的、不能夠?qū)е聯(lián)p傷建筑物的爆破振動(dòng)，居民也會(huì)有抱怨、甚至投訴。因此，在爆破施工時(shí)，在保證施工安全，正常的情況下要充分以舒適性研究的有關(guān)成果及觀點(diǎn)為依據(jù)，盡量減少現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)周邊居民的不利影響，從而避免矛盾沖突的產(chǎn)生。

Abstract： According to the current domestic and international standards of blasting vibration's impact on human and time domain filter technology， combined with blasting excavation engineering cases of Yunnan Mengzi city highway Tripterygium wilfordii section， established an effective evaluation method forv blasting vibration comfortablity and made elaborate and verification about this case's evaluation process and evaluation results. The result shows that the reality is consistent with the conclusion of this evaluating method； and we also see from the conclusion， though a little， with no damage to building blasting vibration can lead to residents' grumble， and even complain. The result shows that the reality is consistent with the conclusion of this evaluating method； and we also see from the conclusion， though a little， with no damage to building blasting vibration can lead to residents' grumble， and even complain. Therefore， when blasting construction， under ensuring construction safety and normal circumstance，we should fully based on related results and opinions of comfortablity studies， minimize site construction's adverse effect on surrounded residents， thereby avoiding contradiction and conflict.

關(guān)鍵詞：舒適性；爆破；振動(dòng)響應(yīng)；振動(dòng)劑量；評(píng)價(jià)

Key words： comfortablity；blast；vibration response；vibration dose；evaluation

中圖分類號(hào)：TD235 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）06-0195-03

0 引言

當(dāng)前在村莊附近進(jìn)行土石方爆破時(shí)，往往只關(guān)注爆破形成的地質(zhì)振動(dòng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)周邊建筑物的不利影響，卻忽略了爆破振動(dòng)對(duì)人體造成的潛在危害。雖然根據(jù)目前的科研分析資料[1]，并未明確指出爆破振動(dòng)會(huì)對(duì)人體造成直接的健康危害，但從廣義健康學(xué)角度來看，爆破振動(dòng)會(huì)影響和干擾施工現(xiàn)場(chǎng)附近居民正常的工作、學(xué)習(xí)與生活，引發(fā)居民的不適并有可能因此而導(dǎo)致投訴或沖突。

爆破振動(dòng)的舒適性研究是一項(xiàng)綜合性的科研課題，其中包含了爆炸力學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、信息學(xué)、生物動(dòng)力學(xué)等眾多學(xué)科的有關(guān)知識(shí)，是人體在自然狀態(tài)下對(duì)爆破地震效應(yīng)舒適程度所做出的分析與評(píng)估。在爆破施工時(shí)，要充分以舒適性研究的有關(guān)成果及觀點(diǎn)為依據(jù)，盡量減少現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)周邊居民的不利影響，從而避免矛盾沖突的產(chǎn)生，為工程的順利開展創(chuàng)造良好的群眾基礎(chǔ)。因此，科學(xué)、合理的舒適性評(píng)估機(jī)制是必不可少的。現(xiàn)結(jié)合云南省蒙自繞城高速公路雷公哨段爆破開挖工程案例，介紹一種爆破振動(dòng)舒適性的評(píng)估方法。

1 評(píng)估方法

基于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的振動(dòng)程度對(duì)人體舒適度的影響標(biāo)準(zhǔn)可知，目前大多數(shù)的舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)僅僅體現(xiàn)的是機(jī)械振動(dòng)對(duì)人體舒適度的影響作用，其余類型的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和方法都是建立在這種評(píng)估基礎(chǔ)之上。通常情況下，振動(dòng)舒適度的評(píng)估步驟具體如下：

①確定人體生理坐標(biāo)軸，并將實(shí)測(cè)的信號(hào)在生理坐標(biāo)軸上表示出來；

②將實(shí)測(cè)的震動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)目標(biāo)濾波器得到相應(yīng)生理坐標(biāo)上的震動(dòng)計(jì)權(quán)加速度函數(shù)aw；

③利用計(jì)權(quán)函數(shù)得出相應(yīng)的劑量，得出結(jié)論。下文就對(duì)每一個(gè)評(píng)估步驟做出進(jìn)一步說明。

1.1 確定生理坐標(biāo)

人體感官的特殊性決定了生理坐標(biāo)會(huì)隨著其姿勢(shì)的變動(dòng)而變動(dòng)，也就是說，在不同的生理坐標(biāo)下，同一振動(dòng)對(duì)人體的影響作用存在客觀差異，人體對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度的感知并不是一成不變的，因此，在進(jìn)行振動(dòng)舒適度評(píng)估時(shí)，首先就要確定具體的姿勢(shì)條件[3]。圖1展示的是人體最常見的3種姿勢(shì)相應(yīng)的生理坐標(biāo)系，其中人體感知振動(dòng)的具體部位將作為坐標(biāo)原點(diǎn)。本課題具體研究了站立姿勢(shì)下，爆破振動(dòng)對(duì)人體的影響作用。對(duì)于其他姿勢(shì)的評(píng)價(jià)過程只是在計(jì)權(quán)軸的上存在差異，計(jì)算過程相同。

1.2 選擇適合的濾波器

以國(guó)際通用的人體對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)（ISO—2631、BS—6841）為基礎(chǔ)，采用不同的頻率計(jì)權(quán)函數(shù)來表征人體對(duì)不同頻率振動(dòng)信號(hào)感受的差異。因此，在進(jìn)行表征時(shí)，必須對(duì)實(shí)際探測(cè)的原始信號(hào)進(jìn)行濾波，根據(jù)信號(hào)頻率分解到相應(yīng)的生理坐標(biāo)軸中。在進(jìn)行原始信號(hào)的計(jì)權(quán)處理時(shí)，通常采取國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中[2-6]推薦使用整體頻率計(jì)權(quán)曲線和1/3倍帶寬頻率計(jì)權(quán)等頻域?yàn)V波計(jì)權(quán)方式，但是用這種方法進(jìn)行處理時(shí)，需要將實(shí)測(cè)的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，這就加大了處理過程的難度。為解決這一問題，本文特采取時(shí)域數(shù)字濾波器技術(shù)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理，濾波表達(dá)式如下[7]：

式中：a（t）表示實(shí)測(cè)信號(hào)；aw（t）表示頻率計(jì)權(quán)后的振動(dòng)信號(hào)；ak、bj均為濾波系數(shù)；M為濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)的零點(diǎn)數(shù)，取值為2；N為系統(tǒng)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)數(shù)，取值為2。系統(tǒng)內(nèi)傳遞函數(shù)可表示為[7]：

需要注意的是，濾波系數(shù)ak、bj會(huì)由于濾波器類型的不同而有所區(qū)別，在進(jìn)行具體處理時(shí)要根據(jù)濾波器的類型進(jìn)行選擇和確定，相關(guān)系數(shù)如表1所示。

表1中的A、B、C、D分別表示將頻率濾波器中的濾波頻率曲變后的形式，可統(tǒng)一表示為φi=tan（fcπ/fs）。式中：φi表示參數(shù)A、B、C、D；fc表示各個(gè)濾波器的中心頻率，其中，fcA、fcB、fcC、fcD分別取值0.7943、100、5.684、5.68；fs表示采樣頻率。

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

振動(dòng)對(duì)人體的影響程度通常有以下三種評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[2]：加速度均方根權(quán)值：awrms，m/s2。振動(dòng)劑量VDV，m/s1.75，估計(jì)振動(dòng)劑量eVDV，m/s1.75。三種指標(biāo)分別按如下公式計(jì)算：

式中：awrms、VDV、eVDV分別表示加速度均方根權(quán)值、振動(dòng)劑量和估計(jì)振動(dòng)劑量；aw（t）表示實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)加速度計(jì)權(quán)時(shí)程函數(shù)；T為振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。

爆破所引發(fā)的振動(dòng)并不是由單一方向進(jìn)行傳播的，而是從空間的三個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行。因此在進(jìn)行舒適性評(píng)估時(shí)要全面分析所有方向的震動(dòng)效應(yīng)，并將其具體影響效果折算到Z軸上統(tǒng)一評(píng)估，相關(guān)的折算表達(dá)式如下[4，5]：

式中：awrmsx，awrmsy，awrmsz，VDVX，VDVy，VDVz，eVDVX，eVDVy和eVDVz分別為X軸、Y軸和Z軸的計(jì)權(quán)均方根加速度、振動(dòng)劑量和估算振動(dòng)劑量；awrms為折算的總計(jì)權(quán)均方根加速度，VDV為折算的總振動(dòng)劑量，eVDV為折算的總估計(jì)振動(dòng)劑量；系數(shù)1.4是在人體最敏感的頻率范圍內(nèi)相同響應(yīng)的垂向與縱、橫向曲線之比。

基于我國(guó)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)[5]的相關(guān)規(guī)定，在普通居民區(qū)中，白天允許的振動(dòng)加速度最高不得超過70dB（0.00316m/s2），夜間限值為67dB（0.00224m/s2）。當(dāng)通過振動(dòng)加速度均方根方法得出的振動(dòng)結(jié)果已經(jīng)超出上述規(guī)定限值時(shí)，要結(jié)合振動(dòng)劑量VDV進(jìn)行修正評(píng)估，并具體以ISO10137[6]的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定具體的影響程度并對(duì)居民投訴發(fā)生的可能性進(jìn)行評(píng)估分析：0.2～0.4（投訴的可能性?。?.4～0.8（投訴的可能性適中）；0.8～1.6（投訴的可能性大）。

2 工程背景及其運(yùn)用

云南省蒙自繞城高速公路雷公哨段爆破開挖工程周圍環(huán)境較復(fù)雜，距村莊直線距離較近，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2003）相關(guān)規(guī)定，此振動(dòng)速度不足以對(duì)當(dāng)?shù)鼐用窠ㄖㄈ渴嵌哟u混結(jié)構(gòu)）造成破壞（破壞振速≥ 2cm/s）。根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用竦姆从臣巴对V情況判斷，認(rèn)為此案例應(yīng)屬于爆破振動(dòng)舒適性而非安全問題的范疇，現(xiàn)對(duì)此結(jié)論做出驗(yàn)證。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集使用TC-4850振動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄儀，采樣頻率設(shè)置為8kHz，分別選取3個(gè)點(diǎn)布置傳感器采樣（1號(hào)點(diǎn)：距爆區(qū)150m的居民房地板上；2號(hào)點(diǎn)：距爆區(qū)300m居民房2樓房頂上；3號(hào)點(diǎn)：距離爆區(qū)400m的居民房地板上），同時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向（垂直方向CH1、水平徑向CH2和水平切向CH3）的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本工程振動(dòng)信號(hào)的濾波參數(shù)如表2所示。

對(duì)于不同姿勢(shì)不同身體部位的振動(dòng)舒適性評(píng)判一般都是通過三重濾波器（Hh、Hl、Ht）對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻率計(jì)權(quán)，只是在濾波順序上存在差異[2]，由于測(cè)量時(shí)人們都處于站姿，所以表中只給出了站立姿勢(shì)下的舒適度計(jì)算參數(shù)，其計(jì)權(quán)原理參照式（2）。根據(jù)公式（3～8）分別得到人體對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)響應(yīng)舒適性的評(píng)價(jià)劑量具體參數(shù)如表3所示。

由表3可見站立姿勢(shì)所感受的振動(dòng)加速度超過了我國(guó)規(guī)定的舒適振動(dòng)加速度限值，需進(jìn)一步據(jù)振動(dòng)劑量判定振動(dòng)信號(hào)的舒適性情況。根據(jù)表3顯示，站立姿勢(shì)下的綜合振動(dòng)劑量基本都介于0.2～0.4范圍內(nèi)，被投訴的可能性較小，只有距離爆區(qū)較近的測(cè)點(diǎn)1處的綜合振動(dòng)劑量在0.6～1.6之間，有被投訴的可能性。

3 結(jié)論

由上述案例可見，由于每個(gè)人受教育情況不同以及自身多方面情況的因素影響，一些很小的爆破振動(dòng)都會(huì)引起居民的恐慌和投訴。目前，爆破振動(dòng)影響的評(píng)判基本是參照機(jī)械振動(dòng)的舒適性標(biāo)準(zhǔn)，我們很難給出一個(gè)定量的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)適用于不同的人群，整個(gè)評(píng)判過程應(yīng)該是科學(xué)理論和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)合。目前這一鄰域的研究還是剛剛起步，接下來還需要做大量的調(diào)查研究和大膽的嘗試。

參考文獻(xiàn)：

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