爆破振動在層狀巖體中的衰減特性試驗(yàn)研究

田樂， 蔡金龍， 高旭輝

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003)

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爆破振動在層狀巖體中的衰減特性試驗(yàn)研究

田樂， 蔡金龍， 高旭輝

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003)

結(jié)合某濱海引水渠工程案例，采用現(xiàn)場爆破試驗(yàn)與爆破振動測試相結(jié)合的方法，獲得了層狀巖體場地條件下爆破振動沿不同路徑的傳播與衰減特征。結(jié)果表明：在層狀巖體中，沿地層走向傳播的爆破振動速度衰減最慢,垂直地層走向傳播的衰減最快；對于本場地的陡傾角地層，穿越地層層理后的垂直向振動速度值小于同位置的水平切向振動速度值；另外，根據(jù)臨近被保護(hù)物的振動速度控制要求和場地的各向異性振動傳播特征，提出了采用分區(qū)爆破設(shè)計(jì)施工的振動控制措施，有效地保證了臨近建筑物的安全和項(xiàng)目的整體建設(shè)工期。爆破振動危害的測試分析方法及成果可為類似工程案例的研究和施工提供借鑒與參考。

爆破振動;衰減特性；層狀巖體;敏感區(qū)域;分區(qū)控制

爆破開挖的高效性，使其成為目前工程巖體開挖的主要手段。與此同時，爆破施工產(chǎn)生的應(yīng)力波也會對周邊環(huán)境造成危害，特別是在爆破設(shè)計(jì)缺乏針對性或施工監(jiān)管不到位的情況下，強(qiáng)烈的爆破振動往往會造成附近建筑的結(jié)構(gòu)開裂、變形甚至坍塌，危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

影響爆破振動衰減特性的主要因素包括：巖體作為傳導(dǎo)材料的阻尼特性，結(jié)構(gòu)面對振動波的反射及透射削弱作用以及地形地貌條件對振動波的繞射消耗。其中巖體結(jié)構(gòu)面的影響最為復(fù)雜，目前尚處于探索性研究階段。例如：王明洋等[1]、李夕兵[2]通過理論研究，提出了應(yīng)力波垂直通過單一線性結(jié)構(gòu)面的理論模型和對應(yīng)的透射、反射系數(shù)；Zhao等[3]、Cai等[4]、Li等[5]進(jìn)一步對多平行線性變形結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力波多次反射問題進(jìn)行了研究，劉亞群等[6]、趙堅(jiān)等[7]、Chen等[8]則借助于UDEC軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算驗(yàn)證；Zhao等[9-10]、俞縉等[11]、宋林等[12]針對大幅值爆破振動的結(jié)構(gòu)面非線性變形特性，研究了結(jié)構(gòu)面非線性對應(yīng)力波傳播的影響規(guī)律與理論機(jī)制。隨著試驗(yàn)手段和測試技術(shù)的進(jìn)步，關(guān)于節(jié)理巖體應(yīng)力波傳播特性[13]、走向角度影響[14]以及透反射與衰減[15]方面的理論研究成果得到了一些研究者的試驗(yàn)驗(yàn)證。

然而，目前關(guān)于結(jié)構(gòu)面對應(yīng)力波傳播規(guī)律影響的研究，理論方面都進(jìn)行了簡化，室內(nèi)試驗(yàn)也是在忽略結(jié)構(gòu)面張開度、填充情況、吻合度等因素影響的情況下進(jìn)行的；并且都集中在結(jié)構(gòu)面與巖層垂直或平行這兩種理想條件下，與結(jié)構(gòu)面復(fù)雜切割的實(shí)際工程巖體條件具有很大的區(qū)別，目前的研究成果還遠(yuǎn)不能滿足精確控制工程爆破振動災(zāi)害的應(yīng)用要求。

因此，筆者基于某濱海電廠引水渠爆破開挖案例，針對典型的層狀巖體場地條件，利用現(xiàn)場爆破振動測試手段，獲取了沿地層走向和斜交地層走向的振動特征，分析了爆破振動沿不同路徑的傳導(dǎo)特性，并針對現(xiàn)場的爆破設(shè)計(jì)施工提出了改進(jìn)建議。在當(dāng)前研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均不能夠滿足實(shí)際爆破振動災(zāi)害控制需求的背景下，此次的測試數(shù)據(jù)與分析成果具有一定的實(shí)際意義，可為類似研究和工程提供參考。

1　工程概況

某濱海電廠的引水渠工程開挖現(xiàn)場布置如圖1所示。引水渠截面設(shè)計(jì)為混凝土襯砌梯形，渠道底寬18 m、頂寬32 m，總長度2.6 km，擬采用爆破開挖。在距離引水渠開挖區(qū)域180 m左右有一處國家基本氣象站，需要對爆破開挖引發(fā)的地面振動進(jìn)行控制，避免對氣象站的儀器和結(jié)構(gòu)造成損壞。場地地層主要為中風(fēng)化薄層—中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r，走向NE25°～30°、傾向SE、傾角50°～55°，開挖后巖體現(xiàn)場照片如圖2所示。

圖1　工程現(xiàn)場布置示意圖

圖2　開挖后的巖層照片

在爆破振動監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)：在爆破參數(shù)基本相同的條件下，存在一個敏感施工區(qū)域，當(dāng)爆破開挖部位與氣象站處于同一巖層時，氣象站處地質(zhì)點(diǎn)的振動速度明顯偏大。場地巖層的爆破振動傳播具有非常明顯的各向異性特征。

2　試驗(yàn)方案

為獲取爆破振動沿不同路徑的傳播特性，提出滿足于振動限制要求的爆破施工參數(shù)，在現(xiàn)場進(jìn)行了爆破試驗(yàn)和振動速度測試，具體方案如下并如圖1所示。

①在振動敏感區(qū)域，進(jìn)行不同段藥量的試驗(yàn)爆破；段藥量從15 kg開始，每次增加5 kg直至45 kg。②沿爆破孔與氣象站共同所在巖層(A傳播路徑)，布設(shè)3個振動速度監(jiān)測點(diǎn)，編號分別為A1、A2、A3。③在與A1、A2、A3監(jiān)測點(diǎn)平行、但沒有爆破孔和氣象站的地層(B傳播路徑)布設(shè)B1、B2、B3 3個振動速度監(jiān)測點(diǎn)。④沿著引水渠走向(C傳播路徑)，布設(shè)C1、C2、C3 3個振動速度監(jiān)測點(diǎn)。⑤根據(jù)爆源位置，每個監(jiān)測點(diǎn)均布設(shè)水平徑向、水平切向、垂直向3個振動速度傳感器。振動速度測試采用TC4850型爆破測振儀。

根據(jù)振動速度監(jiān)測結(jié)果，分別獲得沿A、B、C傳播路徑的振動衰減規(guī)律，為后續(xù)的振動控制分析和爆破設(shè)計(jì)調(diào)整提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3　結(jié)果與分析

現(xiàn)場共進(jìn)行了7次爆破試驗(yàn)，每次在不同傳播路徑上均各設(shè)3個監(jiān)測點(diǎn)，A、B、C傳播路徑上均獲得了21組振動速度數(shù)據(jù)，分別見表1—3。

表1　A傳播路徑的爆破振動速度測試結(jié)果

表2　B傳播路徑的爆破振動速度測試結(jié)果

續(xù)表

表3　C傳播路徑的爆破振動速度測試結(jié)果

對上述振動速度測試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可獲得不同傳播路徑的振動速度衰減公式，并以之為基礎(chǔ)，進(jìn)一步根據(jù)氣象臺處的振動速度限值和爆源距離確定合適的爆破施工藥量。

3.1振動速度衰減公式

《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[16]建議采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式將各個監(jiān)測點(diǎn)的爆破振動速度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，公式為

V=k·(Q1/3/R)α。

(1)

式中：V為爆破引起的最大地質(zhì)點(diǎn)振動速度，cm/s；Q為單段炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大一段的段藥量，kg；R為爆源距，m；k、α均為與爆破點(diǎn)至測點(diǎn)之間的巖性、地形和地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

3.2回歸分析結(jié)果

氣象站、爆破點(diǎn)及各測點(diǎn)間的高差很小，可按式(1)對各測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，可以得到各傳播路徑上的爆破振動衰減公式參數(shù)，見表4。

表4　不同傳播路徑的振動速度衰減公式參數(shù)

試驗(yàn)爆破沿不同傳播路徑的水平徑向、水平切向和垂直向的監(jiān)測結(jié)果與回歸曲線如圖3所示。

由表4和圖3可知：3個傳播路徑上的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律性較好，對應(yīng)的振動速度衰減公式參數(shù)擬合計(jì)算的相關(guān)系數(shù)均較大，現(xiàn)場測試結(jié)果具有較高的可靠性。

圖3　沿不同傳播路徑的振動速度及其回歸曲線

3.3振動衰減特性分析

為了更直觀地分析爆破振動沿不同路徑的衰減特性，利用公式(1)和表4中的k、α參數(shù)值，分別計(jì)算不同傳播路徑和方向的爆破振動速度量值，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同傳播路徑的振動速度計(jì)算值

由圖4可知：在爆源距相等的條件下，沿A傳播路徑的水平徑向、水平切向及垂直向的地質(zhì)點(diǎn)振動速度值最大，沿C傳播路徑的速度值最小、沿B傳播路徑的速度值居中。

巖體層理對應(yīng)力波的傳播存在一定的反射和透射削弱作用，層理越不平整、張開度越大、充填物性質(zhì)越差對應(yīng)力波傳播的削弱效應(yīng)越明顯。由于A傳播路徑沿著巖體層理走向，穿過的層理面的數(shù)量最少，經(jīng)歷相同傳播距離后的應(yīng)力波削弱效應(yīng)最弱，因此對應(yīng)的爆破振動速度值最大；反之，由于C傳播路徑與巖層走向大角度相交，經(jīng)歷相同傳播距離所穿越的層理面最多，應(yīng)力波削弱效應(yīng)強(qiáng)，對應(yīng)的爆破振動速度值也最小。B傳播路徑介于A、C傳播路徑中間，對應(yīng)的振動速度值也處于二者之間。

另外，對于每個傳播路徑上的3個方向，均是水平徑向的振動速度值最大，水平切向的其次，垂直向的最小。各個傳播路徑的水平切向振動速度值均大于垂直向振動速度值，這是由于在本場地條件下，較密集的大傾角(50°～55°)層理對應(yīng)力波的垂直向振動削弱效應(yīng)較明顯造成的。

3.4施工控制標(biāo)準(zhǔn)與方法

根據(jù)氣象站相關(guān)管理部門要求，為保證氣象站的正常運(yùn)行和監(jiān)測精度，需要對氣象站處地質(zhì)點(diǎn)的爆破振動進(jìn)行嚴(yán)格控制，爆破施工引起該處的地質(zhì)點(diǎn)振動速度值不得超過0.5 cm/s。

為給爆破設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)，需要根據(jù)氣象站處的振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)，利用爆破振動衰減公式獲取適宜的爆破段藥量。同時，為了盡量降低氣象站處振動速度限制對爆破施工進(jìn)度的影響，將振動敏感區(qū)、臨近區(qū)、一般區(qū)域進(jìn)行區(qū)分，并采用不同的爆破設(shè)計(jì)和施工參數(shù)。爆破施工控制分區(qū)如圖5所示。

圖5　爆破施工控制分區(qū)示意圖

由圖5可以看出：A傳播路徑上的爆破振動速度衰減最慢，同樣藥量引起氣象臺處的振動速度值最大。因此，將氣象臺基礎(chǔ)沿著A方向所對應(yīng)的引水渠爆破開挖范圍定義為敏感區(qū)域；對應(yīng)地，B傳播路徑對應(yīng)的爆破開挖范圍定義為臨近區(qū)域，為保證氣象站處的安全，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場測試結(jié)果，臨近區(qū)域的長度設(shè)為30 m，其余區(qū)域定義為一般區(qū)域。

根據(jù)不同傳播路徑上的爆破振動衰減規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，可以得到氣象站處地質(zhì)點(diǎn)的爆破振動速度與不同傳播路徑上爆破施工的允許段藥量之間的關(guān)系，如圖6所示。由圖可知：當(dāng)氣象站處地質(zhì)點(diǎn)的爆破振動速度為0.5 cm/s時，A、B、C傳播路徑上(分別對應(yīng)于敏感、臨近、一般區(qū)域)允許的爆破施工段藥量分別為52、195、420 kg。

圖6　氣象站處振動速度與允許段藥量之間的關(guān)系

3.5分區(qū)開挖方案的振動控制效果

由于此次爆破施工采用毫秒微差起爆網(wǎng)絡(luò)，臨近區(qū)域和一般區(qū)域最大段藥量限制基本不會對正常的爆破設(shè)計(jì)和施工造成影響。

對于振動敏感區(qū)的爆破施工，設(shè)計(jì)單位根據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)對爆破方案進(jìn)行了優(yōu)化，采用分層爆破和逐孔微差起爆的方式，降低了單次起爆的段藥量(實(shí)際按照不大于45 kg設(shè)計(jì))和爆破振動強(qiáng)度。

跟蹤監(jiān)測結(jié)果表明，采用上述控制方案的爆破施工，氣象站處的振動速度值均小于0.5 cm/s，有效地保證了氣象站的正常運(yùn)行。同時，由于采用分區(qū)控制方式，爆破振動限制對整個引水渠開挖的整體進(jìn)度影響不大，保證了建設(shè)項(xiàng)目的按期完工。

4　結(jié)語

結(jié)合某濱海引水渠工程案例，利用爆破試驗(yàn)與振動測試相結(jié)合的手段，獲取了層狀巖體條件下爆破振動沿不同路徑的傳播規(guī)律；并基于試驗(yàn)和測試結(jié)果，確定了保證臨近建筑物安全的爆破施工參數(shù)，有效地保證了臨近建筑物的安全和項(xiàng)目的建設(shè)工期。主要得到以下結(jié)論：

1)在層狀巖體中，爆破振動沿地層走向方向傳播的衰減速度最慢；并且，隨著傳播方向與地層走向夾角的增大(≤90°)，爆破振動強(qiáng)度的衰減加劇。

2)在研究區(qū)高傾角層狀巖體場地條件下，垂直向爆破振動在穿越層理面后的強(qiáng)度衰減較明顯，實(shí)測值小于同點(diǎn)位的水平切向振動速度值。

3)對于層狀巖體場地條件并存在被保護(hù)建筑物的爆破施工，應(yīng)通過爆破振動現(xiàn)場測試來確定爆破振動沿不同路徑的衰減特性；根據(jù)被保護(hù)建筑物與爆源之間的位置關(guān)系，確定振動敏感施工區(qū)域；針對不同區(qū)域的振動危害程度，分別制定控制標(biāo)準(zhǔn)和施工參數(shù)，以盡量降低對爆破施工進(jìn)度的影響。

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(責(zé)任編輯：喬翠平)

Experimental Study on the Attenuation Characteristic of Blasting Vibration in Straepsied Rock Masses

TIAN Le, CAI Jinlong, GAO Xuhui

(Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China)

Combining on-site blasting experiment with blasting vibration test, the characteristics of propagation and attenuation of the blasting vibration under the straepsied rock masses were obtained. The results showed that the vibration velocity attenuated lowest along the direction of the formation, and the fast in the vertical direction. For the steep dip layer in this site, the vertical vibration velocity was larger than the horizontal after going through the bedding. Furthermore, based on the requirement of vibration velocity near the protected building and the characteristics of anisotropic propagation, the control measures of partition blasting and excavation were proposed. It has effectively ensured the safety of the building and the construction period of the project. The analysis methods and results of blasting vibration test can provide a useful and important reference for the similar construction cases.

blasting vibration; the characteristics of attenuation; straepsied rock masses; sensitive area; district control

2016-06-16

田樂(1982—),男,河南漯河人,工程師,主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察方面的研究。E-mail:17887185@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.05.015

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1002-5634(2016)05-0082-06