高速公路橋梁挖孔灌注樁樁基控制爆破施工安全距離的確定

■廖大剛

（福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004）

0 引言

工程施工經(jīng)常會(huì)運(yùn)用爆破的方法，這能極大程度地提高施工效率，為施工帶來(lái)便利。但爆破施工往往也會(huì)帶來(lái)一定的有害效應(yīng)，例如爆破振動(dòng)、空氣沖擊波、爆破飛石、噪聲和粉塵，這些當(dāng)中爆破振動(dòng)是公認(rèn)的爆破有害效應(yīng)之首，其雖然產(chǎn)生于巖體的彈性震動(dòng)范圍區(qū)內(nèi)，不會(huì)造成爆區(qū)周圍保護(hù)物的地基巖石破壞，但它會(huì)使得保護(hù)物產(chǎn)生傾斜、破壞甚至倒塌，當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到或接近保護(hù)物的自振頻率時(shí)，振動(dòng)對(duì)保護(hù)物的影響就愈大。因此，有必要對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行控制。其中最有效的方法就是使保護(hù)物位于爆破安全距離以外。所謂爆破安全距離即在爆破有害效應(yīng)的影響時(shí)能保證保護(hù)物安全的前提下，爆源與保護(hù)物之間的距離。故爆破安全距離的確定顯得尤為重要。

關(guān)于爆破安全距離的確定研究，張亞賓等[1]在爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，研究了露天邊坡爆破安全距離的確定。趙豐等[2]基于已有的爆破振動(dòng)速度衰減模型及有限元模擬結(jié)果，研究了新建鐵路隧道上跨既有公路隧道時(shí)控制爆破安全距離的確定。張濤等[3]借助于圍巖中地震波傳播速度解析解，研究了隧道掘進(jìn)爆破振動(dòng)作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全距離。葉洲元等[4]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立了爆破振動(dòng)安全距離計(jì)算優(yōu)化模型，并編寫了Visual Basic語(yǔ)言計(jì)算程序，結(jié)合實(shí)例探討了某土石方爆破安全距離的確定。本文主要討論通過(guò)薩道夫斯基公式反演計(jì)算的方法確定橋梁樁基爆破施工的安全距離。

1 基本原理

1.1 地震波的產(chǎn)生及其表示

炸藥引爆后會(huì)形成壓力突變、能量極高、破壞能力極強(qiáng)的沖擊波，其強(qiáng)烈地沖擊炸藥周圍的巖體，能夠直接將

式中：V為質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速速，cm/s；Q為裝藥量 （齊發(fā)爆破時(shí)為單次總藥量，微差爆破時(shí)為單段最大裝藥量），kg；R為測(cè)點(diǎn)與爆源中心的距離；K、α為與地質(zhì)條件有關(guān)的衰減指數(shù)。

1.2 監(jiān)測(cè)原理

采用爆破測(cè)振儀對(duì)地震波進(jìn)行采集，其基于電測(cè)法的原理。電測(cè)法的要點(diǎn)是利用敏感元件在磁場(chǎng)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生與地震具有一定比例關(guān)系的電信號(hào)，從而將地巖層壓碎，從而產(chǎn)生粉碎圈并使得沖擊波能量大幅降低，導(dǎo)致沖擊波衰變?yōu)閼?yīng)力波。應(yīng)力波只能引起巖層產(chǎn)生裂隙，繼而形成裂隙圈[5]。當(dāng)應(yīng)力波通過(guò)裂隙圈時(shí)，大部分能量被用于裂隙的起裂、擴(kuò)展引起其強(qiáng)度大幅度衰減，大約在距離炮孔中心150倍炮孔半徑以外時(shí)，應(yīng)力波再也不能引起巖石的破裂而只能引起巖石質(zhì)點(diǎn)的彈性振動(dòng)，造成地面震動(dòng)，即為地震波效應(yīng)[6]。當(dāng)?shù)卣鸩ㄐ?yīng)嚴(yán)重時(shí)，可能對(duì)周圍構(gòu)建物造成安全隱患。

通常，可采用爆破振動(dòng)速度、加速度、位移、頻率、持續(xù)時(shí)間等參量來(lái)衡量地震波的振動(dòng)強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者認(rèn)為，爆破振動(dòng)速度相比于其他幾個(gè)參數(shù)，與巖體性質(zhì)有較穩(wěn)定的關(guān)系，更能排除巖土因素的影響，且振速與結(jié)構(gòu)的破壞特征關(guān)系較密切，故宜采用振動(dòng)速度作為地震波 強(qiáng) 度 的 衡 量 標(biāo) 準(zhǔn)[7]～[10]。

研究和實(shí)踐表明，爆破振動(dòng)速度與炸藥量、爆心距、地質(zhì)地形條件、裝藥結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)[11]，常采用經(jīng)驗(yàn)公式表示。傳統(tǒng)的振動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式為前蘇聯(lián)M·A薩道夫斯基提出的薩氏公式[12]：震波在介質(zhì)中的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，然后對(duì)電學(xué)量進(jìn)行測(cè)量，最終反算得到所要測(cè)量的地震波強(qiáng)度。

圖1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

1.3 數(shù)據(jù)處理原理及安全距離的計(jì)算

對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，一般采用基于最小二乘法原理的線性回歸分析方法。

設(shè)有一組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：(x1,y1)、(x2,y2)…(xn,yn)，若其滿足回歸方程y=kx+b，那么根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)最大似然估計(jì)法，當(dāng)對(duì)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，令最小時(shí)，即可取得最優(yōu)的線性回歸方程。

要求得的最小值，由求最值的條件可知，需要滿足：

即需要滿足：

由上式可解得待定系數(shù)k、b的最大似然估計(jì)值為：

對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

在式（5）的基礎(chǔ)上，令，結(jié)合式（2～4）可得：

至此可以得到薩氏公式的各個(gè)待定系數(shù)，亦即完成了薩氏公式的擬合。在此基礎(chǔ)上，若給定最大允許振動(dòng)速度，則可以反演計(jì)算得到爆破安全距離：

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某高速公路橋梁樁基為挖孔灌注樁，實(shí)施淺孔爆破作業(yè)，最大藥量為14kg。施工所在地地表為沉積砂土，淺層為砂巖，中部為較硬花崗巖，深部為堅(jiān)硬花崗巖。爆區(qū)周邊環(huán)境為：在爆區(qū)北側(cè)有一條村道，沿村道兩側(cè)分布有居民房，均屬于一般民用建筑物（磚房），最近的房屋與樁基的距離約為30m；村道北側(cè)有一變電箱及數(shù)根高壓線桿，如圖2所示。為了解爆點(diǎn)的作業(yè)影響范圍，進(jìn)一步為指導(dǎo)施工方案的修正、控制和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，本次試驗(yàn)通過(guò)快速、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度，擬合得到地震波傳播的衰減規(guī)律，最終反演計(jì)算得到爆源的安全距離。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置平面圖

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

針對(duì)工程特點(diǎn)和居民房屋的分布情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置選在了較為開(kāi)闊的荒廢農(nóng)田上。監(jiān)測(cè)過(guò)程采用了5套成都交博科技有限公司生產(chǎn)的L20-N型智能爆破測(cè)振儀，設(shè)備采樣頻率為10k，觸發(fā)電平設(shè)置為0.03cm/s，采樣長(zhǎng)度為4s。測(cè)點(diǎn)平面布置圖如圖2所示。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

因試驗(yàn)條件有限，僅進(jìn)行了一次爆破振動(dòng)的測(cè)試，共取得4組振動(dòng)數(shù)據(jù)，列于表1中（其中4#測(cè)點(diǎn)的儀器未受觸發(fā)）。同時(shí)，受篇幅所限，僅給出2#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)波形圖，如圖3所示（圖中橫軸表示時(shí)間s，縱軸表示振幅 cm/s）。

表1 測(cè)振數(shù)據(jù)表

圖3 典型爆破振動(dòng)速度波形圖

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 薩氏公式回歸分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理原理，可得到本次監(jiān)測(cè)巖體中地震波的傳播規(guī)律：

（1）水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度回歸結(jié)果如圖4所示，其中 K=167.74，α=2.86，γ=0.822振動(dòng)速度衰減規(guī)律為：

（2）水平切向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度回歸結(jié)果如圖5所示，其中 K=38.84，α=2.21，γ=0.916，振動(dòng)速度衰減規(guī)律為：

（3）垂直質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度回歸結(jié)果如圖6所示，其中K=03.45，α=2.23，γ=0.851，振動(dòng)速度衰減規(guī)律為：

圖4 V徑向回歸曲線

圖5 V切向回歸曲線

圖6 V垂直回歸曲線

2.4.2 安全距離分析

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）[13]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振動(dòng)主頻率，確定最大允許振動(dòng)速度為2.0cm/s。由式（7）可計(jì)算得到不同藥量下的安全距離，如表2所示。

表2 爆破安全距離計(jì)算表

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)擬合地震波傳播的衰減規(guī)律從而反演計(jì)算爆破安全距離，可得到水平徑向、水平切向、垂直方向上的三種結(jié)果，應(yīng)以三者中的最大值作為參考值。

（2）因爆破現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性及諸多因素的不確定性，建議實(shí)際工程中按計(jì)算結(jié)果的1.1～1.5倍取值。

（3）《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014） 給出了爆區(qū)不同巖性的 、的取值，可在無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下參考，若盲目按此數(shù)據(jù)類比取值是不客觀的，會(huì)造成爆破安全距離的計(jì)算誤差，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到的 、值能在一定程度上減小誤差。

（4）因試驗(yàn)條件有限，試驗(yàn)取得的振動(dòng)數(shù)據(jù)較少，導(dǎo)致各向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度擬合中相關(guān)系數(shù)較小，回歸結(jié)果稍有欠缺。今后類似工程爆破安全距離的確定，可按本文方法，增加試驗(yàn)次數(shù)進(jìn)一步完善。

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