高邊坡爆破振動(dòng)傳播規(guī)律及其控制技術(shù)

林海松

(南寧交通投資集團(tuán)有限公司，南寧 530022)

控制爆破技術(shù)作為一種高效的施工技術(shù)，長(zhǎng)期受到工程建設(shè)領(lǐng)域的青睞，被廣泛應(yīng)用于水利水電工程、道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、礦產(chǎn)開(kāi)采及城鎮(zhèn)建(構(gòu))筑物的拆除等領(lǐng)域。在水利水電工程中，鑒于土石方開(kāi)挖規(guī)模大、機(jī)械施工成本高、交通設(shè)施不便等原因，采用控制爆破技術(shù)進(jìn)行巖土的開(kāi)挖往往是較為安全、經(jīng)濟(jì)及快速的施工手段。但是，爆破作業(yè)為工程及建設(shè)施工帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生許多負(fù)面效應(yīng)，如爆破振動(dòng)、爆破飛石、沖擊波、噪聲、爆破煙塵等有害效應(yīng)。隨著人民生活水平及我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，相關(guān)法律、法規(guī)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格規(guī)定了爆破有害效應(yīng)的安全允許值。因此，分析、研究爆破有害效應(yīng)的產(chǎn)生及衰減規(guī)律，進(jìn)而提出對(duì)應(yīng)的控制措施，減弱爆破危害，同時(shí)兼顧爆破效果是工程爆破領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。爆破振動(dòng)作為爆破過(guò)程中最為顯著的有害效應(yīng)，近年來(lái)是爆破工程技術(shù)領(lǐng)域及科學(xué)研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)。但由于炸藥爆炸過(guò)程的瞬時(shí)性，加上爆破作用的介質(zhì)常常為巖石、土體，均為不連續(xù)介質(zhì)，使爆破振動(dòng)波傳播過(guò)程具有較大的模糊性、復(fù)雜性及隨機(jī)性。因此，開(kāi)展爆破振動(dòng)的相關(guān)研究工作十分困難[1]。

爆破振動(dòng)的傳播及衰減受多種因素的影響，主要包括爆區(qū)地質(zhì)情況、爆破時(shí)的最大段藥量、傳播距離及爆區(qū)地形地貌等。前蘇聯(lián)爆破專家薩道夫斯基提出：爆破所產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度與爆破時(shí)的最大段藥量Q及爆源距R成函數(shù)關(guān)系。傳統(tǒng)的爆破振動(dòng)研究方法則是通過(guò)大量的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用薩道夫斯基公式進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸，進(jìn)而求解出相關(guān)的未知參數(shù)K、α的值[2]：

(1)

由于與爆破振動(dòng)相關(guān)的因素較多，且其與爆破振動(dòng)的傳播與衰減規(guī)律之間有著十分復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，加上相關(guān)基礎(chǔ)理論研究的不足，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式不能較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)的傳播規(guī)律。周同齡等[3]、王在泉等[4]、唐海等[5]、張勤彬等[6]通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證，在爆破區(qū)域與爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間存在明顯高程差的條件下，采用傳統(tǒng)的薩道夫斯基公式進(jìn)行爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)時(shí)，其結(jié)果精度較低。因此，在具有明顯高程差的爆破區(qū)域進(jìn)行爆破振動(dòng)相關(guān)研究工作時(shí)，應(yīng)考慮高程效應(yīng)對(duì)爆破振動(dòng)傳播及衰減規(guī)律的影響。

1 反映高程效應(yīng)的爆破振動(dòng)分析

無(wú)論在科學(xué)研究還是工程技術(shù)領(lǐng)域中，每一個(gè)單一的物理量都和其他單一的各物理量之間存在著相互關(guān)系，利用特定的分析方法推導(dǎo)出因變量與自變量間的函數(shù)關(guān)系是其基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)。量綱分析方法則是利用各物理量間所遵循的固定表達(dá)形式來(lái)分析各物理量之間的函數(shù)關(guān)系。在對(duì)某個(gè)特定的因變量進(jìn)行分析時(shí)，必須系統(tǒng)完整地找出與之相關(guān)的各個(gè)自變量，并統(tǒng)一單位制，在量綱分析方法中，最重要的則是所有物理量的量綱需滿足齊次定理，量綱齊次定律中規(guī)定等式兩邊的量綱必須一致。π定理(又稱布金漢定理)提出了：一個(gè)實(shí)際問(wèn)題中有n個(gè)自變量，已選取m個(gè)(n>m)具有獨(dú)立單位制的物理量存在，則該問(wèn)題中存在有n-m個(gè)無(wú)量綱的變量[7]。

工程實(shí)踐及相關(guān)研究表明，采用傳統(tǒng)的薩道夫斯基公式表征爆破振動(dòng)的傳播及衰減規(guī)律僅適用于場(chǎng)地較為平整的爆破區(qū)域。在爆破區(qū)域與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間存在明顯高程差的條件下，采用此預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式表征爆破振動(dòng)的傳播規(guī)律十分不準(zhǔn)確。因此，需引入高程差H表征對(duì)爆破振動(dòng)傳播及衰減規(guī)律的影響。

在爆破振動(dòng)傳播過(guò)程中，爆破所引起的建(構(gòu))筑物質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度v不僅和爆破最大段裝藥量Q、爆源距R、爆破振動(dòng)波的傳播介質(zhì)及爆破區(qū)域地質(zhì)地形地貌有關(guān)，還和爆源與測(cè)點(diǎn)間的高程差H、巖體的密度ρ、爆破振動(dòng)波波速c、炸藥爆轟時(shí)間t有關(guān)[6]，根據(jù)量綱分析可得出10個(gè)與爆破振動(dòng)波相關(guān)的物理量(見(jiàn)表1)。

表1 爆破振動(dòng)所包含的物理量

根據(jù)表1所列出的因變量及自變量可知，爆破振動(dòng)波傳播過(guò)程主要涉及了10個(gè)變量，則變量總數(shù)n=10，其中取Q、R、c取為具有獨(dú)立量綱的物理量，即m=3，根據(jù)π定理，爆破振動(dòng)速度的量綱分析問(wèn)題中存在n-m=7個(gè)無(wú)量綱的變量，無(wú)量綱參數(shù)以π為代表：

(2)

式中：v、Q、R、c的單位制分別為L(zhǎng)T-1、M、L、LT-1，根據(jù)π定理可知，為使等式兩邊成立，等式右側(cè)的分子分母的量綱需滿足齊次定理，則待定參數(shù)α、β、γ的值為α=0、β=0、γ=1，于是可以得出π=v/c。

同理，根據(jù)量綱齊次定理可以得出其余幾個(gè)無(wú)量綱參量為

(3)

通過(guò)化簡(jiǎn)可以得出π1～π6分別為

(4)

由此可知爆破所引起的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度與上述無(wú)量綱量存在一定的函數(shù)關(guān)系，其表達(dá)式如下[7]

(5)

對(duì)于特定的爆破環(huán)境，爆破振動(dòng)波的傳播速度c及巖體的密度ρ均可視為常量，本文僅探討爆破振動(dòng)與最大段藥量Q、爆源距R、高程差H及場(chǎng)地系數(shù)K之間的相互關(guān)系，故爆破所引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度可以轉(zhuǎn)化為

(6)

考慮H/R與爆破振動(dòng)波傳播與衰減間的相互關(guān)系，將等式兩端取對(duì)數(shù)得出

(7)

(8)

根據(jù)式(8)，令lnK1=α1，去掉等式兩邊的取對(duì)數(shù)符號(hào)可得

(9)

得出的是不考慮高程差情況下的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度，也正是傳統(tǒng)的薩道夫斯基公式，故將式(9)帶入式(7)中，得出

(10)

假設(shè)lnK2=α2，則在考慮高程效應(yīng)后，爆破振動(dòng)峰值速度計(jì)算公式可以表達(dá)為

(11)

式中：K1為場(chǎng)地系數(shù)；K2為地形地貌影響系數(shù)；Q為爆破最大同段藥量；α為衰減系數(shù)；H為測(cè)點(diǎn)與爆源之間的高程差；R為爆源距，即爆源中心與測(cè)點(diǎn)的直線距離；β為高程影響系數(shù)。

2 工程應(yīng)用

1)工程概況。該航運(yùn)過(guò)壩工程位于廣西壯族自治區(qū)南寧市，處于該地區(qū)主要水系的核心部位，該工程是迎接廣西壯族自治區(qū)成立60周年的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，建成后將成為該地區(qū)的一處綜合性水利樞紐工程。該航運(yùn)過(guò)壩工程為單線單級(jí)2 000 t的船閘，設(shè)計(jì)水頭高度為8.38 m，輸水系統(tǒng)采用閘室底長(zhǎng)廊道側(cè)支孔形式輸水。該工程主要包括上游引航道、船閘主體(包括進(jìn)水口、跨船閘交通橋，上、下閘首、閘室)、下游引航道以及上、下游連接段航道、船舶侯閘錨地等，該工程軸線直線段總長(zhǎng)約2.8 km。由于施工期間涉及規(guī)模較大的巖土開(kāi)挖，且施工區(qū)域主要為巖質(zhì)堅(jiān)硬的灰?guī)r，巖體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，風(fēng)化程度不高，土石方開(kāi)挖量約為1 500 萬(wàn)m3，采用傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)挖施工進(jìn)度相對(duì)較慢、成本較高，不能滿足該工程施工進(jìn)度的要求，故選用爆破技術(shù)進(jìn)行巖土開(kāi)挖作業(yè)[8]。

2)爆破參數(shù)及起爆網(wǎng)路。爆破施工區(qū)域采用深孔臺(tái)階爆破方式，炮孔直徑d取90 mm，藥卷直徑取70 mm，臺(tái)階爆破高度H取9 m，超深h取1 m，炮孔深度L取10 m，底盤(pán)抵抗線W0取3.5 m，孔距a取3.5 m，排距b取3 m，填塞長(zhǎng)度l不小于3.5 m，單孔裝藥量Q為40 kg。

為了對(duì)比不同爆破器材的減振效果，共進(jìn)行了兩次對(duì)比性爆破試驗(yàn)，并采用不同的起爆網(wǎng)路，第1次采用孔外多孔間延時(shí)的導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路，孔內(nèi)采用高段位MS15段雷管進(jìn)行延時(shí)，孔外采用低段位MS3段進(jìn)行接力傳爆，每3發(fā)為一簇聯(lián)；第2次采用數(shù)碼電子雷管逐孔起爆網(wǎng)路，孔間延時(shí)50 ms[8]。

3)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。由于爆破區(qū)域周邊環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，零散民房位于爆破區(qū)域的西北側(cè)，距離爆區(qū)中心最近僅有268 m，除此之外還有在建的船閘主體工程、壩體及護(hù)坡等附屬建(構(gòu))筑物，為了對(duì)爆區(qū)周邊的民用建筑、一期船閘主體工程及新澆筑的護(hù)坡進(jìn)行保護(hù)，在爆破點(diǎn)附近設(shè)置了5處爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)。

圖1 爆區(qū)周邊環(huán)境及爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置
Fig.1 Layout of monitoring points for blasting vibration and surrounding environment in blasting area

3 高邊坡爆破振動(dòng)傳播規(guī)律

1)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析。在5個(gè)需要被保護(hù)的建(構(gòu))筑物近爆區(qū)端各安裝上1臺(tái)中科院中科測(cè)控生產(chǎn)的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀TC-4850，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄。為了真實(shí)的反映爆破所引起的建(構(gòu))筑物質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均采用石膏耦合劑將振動(dòng)傳感器與地基貼合在一起，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)峰值速度如表2所示。

表2 各測(cè)點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度

由表2可知，最大段起爆藥量不同時(shí)，所對(duì)應(yīng)的爆破峰值振動(dòng)速度也有較大差別，最大段藥量越大，爆破所產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度也就越大，減小最大段起爆藥量，爆破所產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度也大大減小。通過(guò)多次爆破振動(dòng)測(cè)試還可以發(fā)現(xiàn)，采用導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，其所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)主頻大部分都小于采用數(shù)碼電子雷管的爆破振動(dòng)主頻，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)，頻率越高的爆破振動(dòng)速度安全允許值越大[9]，故采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路在精確延時(shí)及提高爆破振動(dòng)主頻上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2)爆破振動(dòng)的非線性回歸分析。非線性回歸分析方法是利用已知數(shù)學(xué)模型中因變量與自變量之間的非線性關(guān)系，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)牛頓迭代原理進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸，求解方程中的未知參數(shù)，進(jìn)而獲得相應(yīng)的具體表達(dá)式的一種科學(xué)研究方法[10]。

根據(jù)式(1)傳統(tǒng)的薩道夫斯基公式及式(11)考慮高程效應(yīng)的爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)模型，采用表2的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析，通過(guò)回歸分析軟件，編寫(xiě)相應(yīng)代碼得出了兩種不同預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)值(見(jiàn)表3)，并得出了式(1)中的未知參數(shù)K為145.00，α為1.474；式(11)中的未知參數(shù)K1為143.65，K2為0.123，α為0.847，β為0.044；則采用式(1)進(jìn)行非線性回歸得到的預(yù)測(cè)模型為

(12)

采用式(11)進(jìn)行非線性回歸得到的預(yù)測(cè)模型為

(13)

表3 非線性回歸得到的PPV預(yù)測(cè)值

3)高邊坡爆破振動(dòng)傳播規(guī)律。實(shí)際工程中一般采用爆破振動(dòng)峰值速度來(lái)反映爆破振動(dòng)的強(qiáng)度，根據(jù)表2所得到的爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)值及表3爆破振動(dòng)速度預(yù)測(cè)值，通過(guò)比較5個(gè)對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)峰值速度結(jié)果，得到了實(shí)測(cè)值與采用式(12)、式(13)兩種不同預(yù)測(cè)模型所得到的預(yù)測(cè)值之間的關(guān)系(見(jiàn)圖2)。

圖2 實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)峰值速度及預(yù)測(cè)值的對(duì)比
Fig.2 Comparison of measuredPPVand predicted values

由圖2可知，采用傳統(tǒng)的薩道夫斯基公式在高程差變化較為明顯的區(qū)域進(jìn)行爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)時(shí)，其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于改進(jìn)后的考慮高程效應(yīng)的爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)模型。采用式(12)進(jìn)行爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)時(shí)，其精度為83.48%，平均偏差為16.52%；采用式(13)進(jìn)行爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)時(shí)，其精度為97.03%，平均偏差為2.97%，精度較高，說(shuō)明采用改進(jìn)后考慮高程效應(yīng)的式(13)能較好的反映該地區(qū)爆破振動(dòng)的傳播及衰減規(guī)律。

結(jié)合表2、表3(測(cè)點(diǎn)2～測(cè)點(diǎn)4)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)值可以得出：在水平距離L大致相同的情況下，高程越大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的爆破振動(dòng)峰值速度越大，正高程對(duì)爆破振動(dòng)具有一定的放大效應(yīng)，但由于爆破振動(dòng)波傳播過(guò)程中會(huì)有能量的消耗，該放大效應(yīng)并非隨著高程的不斷增加而一直增加，當(dāng)其增大到一定程度時(shí)，放大效應(yīng)表現(xiàn)得不明顯，甚至表現(xiàn)為削弱效應(yīng)。

4 爆破振動(dòng)控制技術(shù)

無(wú)論是工程領(lǐng)域還是科學(xué)研究領(lǐng)域，爆破振動(dòng)研究的最終目的均是分析其傳播衰減規(guī)律，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施來(lái)控制爆破振動(dòng)的危害，進(jìn)而減小爆破振動(dòng)產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)。當(dāng)前爆破振動(dòng)控制技術(shù)主要分為3大類：爆破振動(dòng)主動(dòng)防護(hù)技術(shù)、被動(dòng)防護(hù)技術(shù)、保護(hù)性防護(hù)技術(shù)。

1)爆破振動(dòng)主動(dòng)防護(hù)技術(shù)。主要是通過(guò)控制爆源能量的釋放，從根本上減小爆破振動(dòng)效應(yīng)。爆破工程實(shí)踐中，技術(shù)人員通常采用控制最大單段起爆藥量、合理調(diào)整延時(shí)時(shí)間、合理設(shè)置孔網(wǎng)參數(shù)等技術(shù)對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行控制。近年來(lái)，數(shù)碼電子雷管憑借其精確的延時(shí)性能及有效提高爆破振動(dòng)主頻的特征，在全國(guó)各地得到了廣泛的應(yīng)用及推廣，大大減小了爆破振動(dòng)的危害效應(yīng)。

2)爆破振動(dòng)被動(dòng)防護(hù)技術(shù)。該類技術(shù)主要是通過(guò)傳播途徑削弱爆破振動(dòng)波的能量，進(jìn)而控制爆破振動(dòng)有害效應(yīng)。其主要的技術(shù)措施有，在爆區(qū)及被保護(hù)對(duì)象間開(kāi)挖減振溝、采用預(yù)裂爆破技術(shù)及孔底空氣間隔技術(shù)等。相關(guān)研究表明，減振溝寬度越大、深度越深，控制爆破振動(dòng)危害的能力就越強(qiáng)，預(yù)裂爆破技術(shù)及孔底空氣間隔裝藥技術(shù)也能在一定程度上削弱爆破振動(dòng)的危害。

3)爆破振動(dòng)保護(hù)性防護(hù)技術(shù)。此類技術(shù)主要是對(duì)被保護(hù)對(duì)象進(jìn)行加固處理，以預(yù)防爆破振動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響。但是，此技術(shù)實(shí)施成本較高，一般僅用于重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象的爆破振動(dòng)控制中。

5 結(jié)論

1)通過(guò)理論推導(dǎo)得出了反映高程效應(yīng)的爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)模型，經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證，得出了在具有明顯高程差的爆破區(qū)域，采用傳統(tǒng)的薩道夫斯基公式進(jìn)行爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)時(shí)，其精度較低，平均偏差為16.52%。采用改進(jìn)后反映高程效應(yīng)的預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)精度較高，達(dá)97.03%，能較好地反映該工程的爆破振動(dòng)傳播及衰減規(guī)律。

2)通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出：在水平距離L大致相同的情況下，正高程對(duì)爆破振動(dòng)具有一定的放大效應(yīng)，但該放大效應(yīng)并非隨著高程的不斷增加而一直增加，當(dāng)其增大到一定程度時(shí)，放大效應(yīng)表現(xiàn)得不明顯，甚至表現(xiàn)出削弱效應(yīng)。

3)兩次爆破作業(yè)時(shí)儀器所監(jiān)測(cè)、記錄的爆破振動(dòng)均小于2 cm/s，依照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)中的規(guī)定[9]，該高邊坡的爆破施工不會(huì)對(duì)船閘壩體、新澆筑的護(hù)坡及測(cè)點(diǎn)所在民房造成較大的損傷。

4)減小最大單段起爆藥量能大大減弱爆破振動(dòng)效應(yīng)，數(shù)碼電子雷管的應(yīng)用有助于削弱爆破振動(dòng)危害，同時(shí)采用數(shù)碼電子雷管可以一定程度的提高爆破振動(dòng)波的頻率，對(duì)保護(hù)建(構(gòu))筑物具有積極意義；同時(shí)，對(duì)于重要建(構(gòu))筑物保護(hù)，可在爆區(qū)及被保護(hù)建筑間開(kāi)挖一條減振溝或鉆鑿一定數(shù)量的減振炮孔(不裝藥)，用于緩沖、釋放爆破振動(dòng)波的能量，另外還可以采用預(yù)裂爆破技術(shù)、孔內(nèi)空氣間隔裝藥減振技術(shù)對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行預(yù)防、控制[11]，但實(shí)踐表明，單純采用某一種減振技術(shù)的減振效果并不理想，同類工程可采用綜合減振技術(shù)來(lái)控制爆破振動(dòng)危害。