高邊坡爆破振動監(jiān)測及其傳播規(guī)律研究

李學鋒凌宇恒陳善江蔣文俊

(1.廣西大學資源環(huán)境與材料學院, 廣西南寧530004;2.中鐵二局集團成都新技術爆破工程有限公司四川成都610031;3.中國中鐵爆破安全技術中心, 四川成都610031)

0 引言

隨著爆破技術在基礎建設領域的廣泛應用，工程爆破在建設過程中帶來較大經濟效益的同時，人們越來越關注爆破作業(yè)時所產生的有害效應，爆破有害效應主要包括爆破飛石、振動、噪聲、沖擊波及有毒有害氣體等。爆破點周邊的建(構)筑物開裂破壞、門窗振裂、邊坡失穩(wěn)滑塌以及人畜受驚等均為工程爆破施工中常常出現的振害問題，進而引起了許多工程糾紛，帶來了較壞的社會影響，所以預測及控制爆破所產生的振動效應已經成為了工程領域及學術研究領域關注的重點問題。因此，相關學者及工程技術人員對爆破振動的產生和傳播相關理論、振動測試技術及方法、爆破振動破壞準則等問題進行了大量的研究。但由于振動波的傳播介質為非均質的巖土，其傳播過程的隨機性、模糊性及不確定性增大了相關研究工作的難度，如何準確地預測爆破振動峰值速度，研究爆破振動的傳播規(guī)律，進而采取有效的措施控制振動所帶來的危害，已經成為爆破施工安全技術研究的主要內容[1]。

20世紀60年代末，美國采礦行業(yè)開始關注到爆破振動對建(構)筑物的影響，政府開始重視爆破作業(yè)所產生的振動危害效應，科學研究及工程技術領域逐步將工作重心轉移到了爆破振動的預測及控制研究上。爆破振動的強度主要可以由質點振動峰值速度、質點振動的加速度及質點振動位移等物理量表征。在實際工程應用中，常常對爆破所產生的振動質點峰值速度進行預測分析，依據該變量的大小來表征爆破振動效應對被保護對象的影響程度。

本文采用廣西某高邊坡的爆破振動峰值速度監(jiān)測結果，通過不同的數學模型對該高邊坡的爆破振動進行表征，對比分析了采用線性及非線性回歸分析方法的預測精度，得出能較為準確的表征該高邊坡爆破振動波傳播與衰減規(guī)律的經驗公式，進而能提前預測高邊坡爆破作業(yè)時所產生的爆破振動大小，提出相應對策措施，并不斷優(yōu)化、改進爆破作業(yè)參數，在改善爆破效果的同時，進一步控制爆破振動危害。

1 質點振動峰值速度預測模型

1962年,中科院謝毓壽等[2]對不同地形地質條件下的巖體的爆破振動波進行了現場實測，通過波形轉化及回歸分析的方法較早地求解出了表征爆破振動衰減的相關經驗公式。在我國應用最為廣泛的爆破振動速度預測經驗公式為俄國爆破專家薩道夫斯基所提出的預測模型，傳統(tǒng)的爆破振動預測方法，常用實際工程中得到的現場爆破振動實測數據，根據薩道夫斯基公式進行回歸分析，然后得到未知參數K、α的值[3-5]：

(1)

式中：K為與巖體的性質、爆破作業(yè)參數和爆破方法有關的場地系數；Q為最大同段藥量，kg；R為爆源距，即爆源中心與測點的直線距離，m；α為爆破振動衰減系數。

許多工程實踐表明，采用薩道夫斯基公式預測周圍質點的爆破振動峰值速度，在平整的地形條件下的精確度較高，但是在預測地形地貌變化較大的質點振動峰值速度時，其精確度將會大大降低。因此，后續(xù)的研究相繼引入了高程差對爆破振動峰值速度的影響。文獻[6-8]通過無量綱分析及爆破振動傳播相關理論推導了考慮高程效應的振動峰值速度預測經驗公式。

(2)

式中：K為場地系數，K2為地貌影響因素，α為衰減系數，β為高程差影響因素，其他符號意義與式(1)相同。

2 工程概況

該工程為硬巖質高邊坡，項目地點位于廣西河池市東蘭縣，該項目為連通河池至百色高速的關鍵節(jié)點，該段高邊坡爆破作業(yè)區(qū)域環(huán)境復雜，爆破點臨近村莊民宅，地形地貌及地質條件變化較大，為了控制及削弱爆破作業(yè)時所引起的建(構)筑物質點振動及其他爆破危害效應，設計在該段高邊坡采用數碼電子雷管起爆技術。

圖1 爆區(qū)環(huán)境及測點布置Fig.1 Surroundings of blast zone and measurement points

爆破施工區(qū)域周邊環(huán)境十分復雜，密集村莊位于爆破區(qū)域的北偏東方向，爆區(qū)中心距最近一處的建筑物只有70 m，另外6處建筑物坐落于爆區(qū)東偏南方向，其均在紅線范圍內，均為待拆遷房屋，國道323線處于爆破北方向92 m處，西側距離80 m為該主體工程的在建橋梁。該段高邊坡巖性為硬巖質灰?guī)r，不規(guī)則微晶交織結構，以層狀及塊狀構造為主，爆破區(qū)域巖體較為堅硬、完整，局部稍有溶蝕現象，裂隙泥質充填。該區(qū)域地形地貌變化較大，且距離國道323線及需保護建(構)筑物較近，高邊坡爆破施工期間存在較大的隱患及風險。爆區(qū)為陡峭山坡地形，爆區(qū)中心與保護對象監(jiān)測點間存在約35 m的高差，根據現場踏勘結果，在爆區(qū)東北方向選取了3個爆破振動監(jiān)測點，需保護建(構)筑物主要為磚混及框架結構，爆區(qū)周邊環(huán)境及監(jiān)測點布置示意圖如圖1所示。

3 爆破參數

為了保護周邊民房及新建橋梁，整個高邊坡爆破開挖采用深孔松動控制爆破施工技術方案。該方案的主要目的是對巖石進行松動爆破，然后采用液壓破碎錘進行二次破碎，最后用挖掘機及車輛進行鏟裝清運?？紤]為控制及減小爆破所產生的振動效應和其他爆破有害效應，采用數碼電子雷管起爆網路，使用逐孔起爆技術。

該高邊坡采用臺階爆破，一次爆破開挖高度為10 m。采用垂直深孔臺階的爆破方式，炮孔直徑d為90 mm，臺階高度H為10 m，鉆孔超深h為1 m，底盤抵抗線W0為(25～40)d，該工程取W0為3.5 m，炮孔填塞長度應不小于3.5 m，炮孔間距a取3 m，孔間排距b取2.7 m，采用梅花形布置炮孔。炸藥采用二號巖石乳化炸藥，藥具直徑為70 mm，采用高精度電子數碼電子雷管起爆網路，第1次爆破作業(yè)時，最大單響藥量為68 kg;第2次爆破作業(yè)時，最大單響藥量為50 kg;第3次爆破作業(yè)時，為了減小爆破振動效應，第3次爆破設計試用了逐孔起爆技術，孔間延期時間設定為35 ms，最大單響藥量為40 kg，裝藥方式為人工連續(xù)裝藥[9],該工程的起爆網路連接及設置延期時間如圖2所示。為預防爆破飛散物對周邊保護對象及居民人身安全造成影響及威脅，在爆區(qū)與被保護對象間搭設了一處防護用腳手架(長為65 m、高為15 m、寬為1 m)，并設置了兩道土工布防護網，同時采用柔性沙袋在炮孔孔口進行蓋壓，再采用無紡布對爆區(qū)進行二次覆蓋，以進一步確保爆破施工安全。

圖2 數碼電子雷管起爆網路Fig.2 Diagram of initiation network of digital electronic detonator

4 監(jiān)測結果與分析

4.1 測點布置

圖3 2號測點安裝Fig.3 Layout of the 2# measurement point

該段高邊坡共進行了3次爆破作業(yè)，每次爆破時均在預先選定的監(jiān)測點采用TC-4850爆破測振儀對爆破振動進行監(jiān)測，為了真實反映爆破作業(yè)產生的振動峰值速度的大小，在3個監(jiān)測點位置處采用石膏耦合劑將拾振傳感器與建筑物地基進行粘連，儀器安裝如圖3所示。

4.2 監(jiān)測結果

該工程的爆破振動峰值速度采用成都中科院中科測控中心自主研發(fā)的TC-4850型爆破測振儀，對爆破區(qū)域東北側3個具有代表性的建筑物進行了振動測試，各監(jiān)測點所對應的質點振動峰值速度如表1所示。

表1 各測點的爆破振動峰值速度Tab.1 Blasting vibration peak velocity of the 9 measurement points

圖4 不同最大段藥量下對應的爆破振動峰值速度Fig.4 Measured blasting vibration peak velocity for different charge

工程中采用監(jiān)測質點的振動峰值速度表征爆破作業(yè)所產生的振動強度大小，根據表1所得數據，通過對比分析3次不同的監(jiān)測結果，得到了該段高邊坡不同的最大同段藥量與爆破振動峰值速度間的關系曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，不同最大同段裝藥量所對應的爆破振動峰值速度不同，最大同段藥量越大，爆破振動峰值速度越大，減小最大同段藥量可以有效的控制爆破所產生的振動質點峰值速度。

4.3 爆破振動回歸分析

回歸分析通常分為線性回歸分析及非線性回歸分析。線性回歸是根據自變量及因變量之間的線性關系建立數學模型進而進行回歸分析的方法，非線性回歸則是依據自變量與因變量之間復雜的非線性關系建立數學模型、回歸分析的方法[10-13]。

4.3.1 線性回歸分析

(3)

采用考慮高程效應的回歸方程得到的表征式為：

(4)

采用式(1)、(2)線性回歸得到的預測值與實測值之間的相對誤差分別為21.84 %、5 %，預測值如表2所示。

表2 線性回歸得到的爆破振動峰值速度預測值Tab.2 Predicted blasting vibration peak velocity by linear regression

4.3.2 非線性回歸分析

采用1stOpt數據處理軟件進行非線性回歸分析，具體步驟如下：

step 1：確定自變量；

step 2：確定待定參數；

step 3：確定非線性回歸數學模型；

step 4：列出自變量對應參數值；

step 5：導出待定參數值。

根據非線性回歸分析結果，采用式(1)回歸分析得到的預測模型為：

(5)

采用式(2)的預測模型回歸分析得到的經驗公式為：

(6)

采用式(1)、(2)非線性回歸得到的預測值與實測值之間的相對誤差分別為21.76 %、5 %，預測值如表3所示。

表3 非線性回歸得到的爆破振動峰值速度預測值Tab.3 Predicted blasting vibration peak velocity by nonlinear regression

圖5 實測爆破振動峰值速度及預測值的對比Fig.5 Comparison of measured blasting vibration peak velocity and predicted values

4.4 分析結果

根據對上圖的對比分析可以看出，無論是采用線性回歸還是非線性回歸分析方法，傳統(tǒng)的不考慮高程效應的爆破振動速度預測經驗公式的精確度較低；采用考慮高程效應的回歸經驗公式的預測精度較高，能較好的反映該段高邊坡的爆破振動傳播規(guī)律。

5 結論

通過分析現場爆破振動峰值速度的監(jiān)測結果，經數據回歸處理后，得出了如下結論：

① 采用一般的爆破振動預測經驗公式(薩道夫斯基公式)進行模型建立、數據回歸得到的爆破振動峰值速度預測經驗公式的精度偏低，不能較好地反映該段高邊坡的爆破振動波的傳播及衰減規(guī)律；

② 引入高程差后的爆破振動峰值速度預測模型的預測精度高于薩道夫斯基公式，且對實測數據進行非線性回歸所得到的預測經驗公式(6)能較準確地表征該邊坡爆破振動波的傳播及衰減規(guī)律；

③ 控制及減小最大同段起爆藥量能有效的減弱爆破振動危害效應，大大地減小爆破施工作業(yè)引起的建(構)筑物質點峰值振動速度的大??；

④ 對該段高邊坡采用數碼電子雷管逐孔起爆技術有效的控制了爆破振動有害效應，也取得了較好的爆破破碎效果。同時，采用數碼電子雷管起爆網路可以有效的對爆破網路進行檢測，以提高準爆率，保證爆破安全，并可以比較靈活、容易的實現逐孔起爆網路的設置及網路連接，在類似的工程中可采用數碼電子雷管實現逐孔起爆或控制最大單響藥量以減小爆破振動的危害效應。