基于爆破振動(dòng)的新澆混凝土現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)探討*

潘長(zhǎng)春

（安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南232001）

近年來(lái)隨精細(xì)爆破理論進(jìn)步，爆破器材革新，爆破安全質(zhì)量得到提高，但爆炸產(chǎn)生爆破振動(dòng)對(duì)環(huán)境危害非常嚴(yán)重[1-3]。為快速施工，爆破開挖與鄰近混凝土澆筑常平行作業(yè)，爆破振動(dòng)使新澆混凝土開裂或在基巖交界面產(chǎn)生裂隙。因此，新澆混凝土在爆破振動(dòng)作用下安全問(wèn)題受到廣泛關(guān)注，為確保新澆混凝土質(zhì)量，須嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)和安全標(biāo)準(zhǔn)。本文簡(jiǎn)述并分析爆破振動(dòng)破壞失穩(wěn)機(jī)理，從國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和成果及各國(guó)各行爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)等角度出發(fā)，闡述了爆破振動(dòng)對(duì)新澆混凝土影響和現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)缺陷，為制定新澆混凝土爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 爆破振動(dòng)破壞機(jī)理

國(guó)內(nèi)外多數(shù)學(xué)者認(rèn)為爆破破壞機(jī)理是反射拉應(yīng)力波和爆炸氣體壓力共同作用的：首先沖擊壓力壓碎巖石，隨后應(yīng)力波在壓碎區(qū)域外產(chǎn)生徑向裂隙，爆轟氣體產(chǎn)物繼續(xù)壓縮巖石，在拉伸應(yīng)力和氣楔的雙重作用下，初始裂隙繼續(xù)延伸和張開，周圍巖石質(zhì)點(diǎn)出現(xiàn)切向拉伸及徑向位移，形成分布不規(guī)則的裂紋，攜帶著較大能量的雙重拉伸波應(yīng)力的綜合效應(yīng)作用是巖石破壞重要條件，同時(shí)爆炸氣體不斷傳遞能量，發(fā)展裂隙，加速巖石破壞、失穩(wěn)和分離[4-6]。

2 現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)及討論

表1 新澆大體積混凝土的振動(dòng)速度安全標(biāo)準(zhǔn)

表2 新澆混凝土的振動(dòng)速度安全標(biāo)準(zhǔn)

20 世紀(jì)60年代國(guó)外主要考慮爆破開挖對(duì)新澆襯砌混凝土、噴射混凝土及灌漿帷幕等施工影響問(wèn)題。如部分國(guó)外禁止在齡期＜1d 混凝土附近進(jìn)行爆破施工，允許在齡期1～5d 混凝土30m 外爆破施工，并規(guī)定爆振速度＜5cm/s[7]。

文獻(xiàn)[8]對(duì)于齡期≤20h 混凝土，處于初凝至終凝期間，后期強(qiáng)度受爆破振動(dòng)影響較?。魂惷鞯萚9]對(duì)比不同類型爆破地震波及入射角度，提出了新澆混凝土安全振動(dòng)速度計(jì)算方法；蔣楠等[10]研究爆破應(yīng)力波體波對(duì)隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)中P 波占主導(dǎo)地位，其安全標(biāo)準(zhǔn)≤14.51cm/s；吳帥峰等[11]研究爆破對(duì)新澆混凝土強(qiáng)度影響，提出6h、12h 等齡期內(nèi)的混凝土安全振速2cm/s；朱傳統(tǒng)等[12]利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，提出以質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度為新澆大體積混凝土安全標(biāo)準(zhǔn)，匯編了規(guī)范[13]，見表1。

規(guī)范[14]和規(guī)范[15]在混凝土澆筑等過(guò)程中，若鄰近部位鉆孔爆破，為確保爆破時(shí)混凝土、灌漿、預(yù)應(yīng)力錨桿不受影響，須控制爆破，規(guī)范[14]比規(guī)范[15]要求偏高，見表2、3。

表3 新澆大體積混凝土、灌漿區(qū)與錨噴支護(hù)的振動(dòng)速度安全標(biāo)準(zhǔn)

表4、5 通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，給出國(guó)內(nèi)外工程新澆混凝土安全標(biāo)準(zhǔn)，且國(guó)外部分試驗(yàn)表明，現(xiàn)行新澆筑混凝土安全標(biāo)準(zhǔn)具有較大安全空間[16]。

表4 國(guó)內(nèi)部分水電工程新澆混凝土振動(dòng)速度安全標(biāo)準(zhǔn)

表5 國(guó)外部分水電工程新澆混凝土振動(dòng)速度安全標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)的《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）[17]對(duì)新澆大體積混凝土的爆破振動(dòng)判據(jù)，采用保護(hù)對(duì)象所在地基礎(chǔ)質(zhì)點(diǎn)峰值速度和主頻，將爆破地震波頻帶細(xì)劃為若干段，提出了各頻率范圍中的安全允許振動(dòng)速度，見表6，相比之下我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)偏于保守。

而新澆筑混凝土與基巖結(jié)合面是混凝土體強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)，考慮到混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓，因此，防止新澆筑混凝土與基巖結(jié)合面拉斷破壞成為振動(dòng)控制的關(guān)鍵，需滿足[18]：

為了避免在新澆混凝土中出現(xiàn)拉應(yīng)力，保證基巖和新澆筑混凝土結(jié)合面上應(yīng)力與位移的連續(xù)性，及基巖對(duì)新澆混凝土的約束作用，得新澆混凝土振動(dòng)極限速度：

式中：v 和E 為基巖泊松比和彈性模量，cR為Rayleigh 波速，cP和cS為巖土介質(zhì)縱波和橫波波速。

由上述可知：為保證爆破開挖時(shí)新澆混凝土穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就降低爆破振動(dòng)對(duì)新澆混凝土破壞進(jìn)行了深入研究，且提出具體條件下的爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)踐表明現(xiàn)有安全標(biāo)準(zhǔn)尚存在缺陷。

（1）發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)的確定，沒(méi)有細(xì)化爆破地震波的種類，研究表明[18]：在確定安全標(biāo)準(zhǔn)時(shí)值得關(guān)注不同爆破地震波種類，混淆使用可能帶來(lái)工程安全隱患。

（2）隨著工程運(yùn)用，單一標(biāo)準(zhǔn)很難解釋振動(dòng)破壞現(xiàn)象，國(guó)外開始采納“主頻率+質(zhì)點(diǎn)臨界速度”為安全標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)露天礦務(wù)局的標(biāo)準(zhǔn)（OSM 標(biāo)準(zhǔn)）是國(guó)際上常用雙因素安全標(biāo)準(zhǔn)，如表7 所示。

表6 新澆大體積混凝土的振動(dòng)速度安全標(biāo)準(zhǔn)

表7 OSM 的安全允許標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)爆破安全規(guī)程（GB6722-2014）考慮了雙因素合理性，按各自固有頻率劃定不同標(biāo)準(zhǔn)，如表8 所示。

現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)均突出頻率重要性，大量文獻(xiàn)表明：爆炸信號(hào)頻率往往頻帶范圍廣，頻譜特征不相同，屬于隨機(jī)非平穩(wěn)信號(hào)。在不同新澆混凝土情況下，要精細(xì)這種寬頻帶、多主頻地震波，目前未有準(zhǔn)確分析技術(shù)，導(dǎo)致主頻選取波動(dòng)大，與實(shí)際往往不符，所以，工程實(shí)踐中采用雙因素判斷是否會(huì)產(chǎn)生破壞常常失準(zhǔn)。

（3）爆破振動(dòng)設(shè)計(jì)采用光面爆破、預(yù)裂爆破、微差爆破等精準(zhǔn)控制技術(shù)，降低振動(dòng)損害，隨著電子雷管應(yīng)用，峰值速度得到降低，但延長(zhǎng)了振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。同時(shí)，由于主頻率降低、持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，使得新澆混凝土振動(dòng)疊加突出。眾所周知，新澆混凝土爆破振動(dòng)響應(yīng)與幅值、頻率、持續(xù)時(shí)間等綜合因素有關(guān)?，F(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)卻未體現(xiàn)出持續(xù)時(shí)間和累積效應(yīng)的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)體安全是不利的。

（4）現(xiàn)行新澆混凝土安全標(biāo)準(zhǔn)主要考慮混凝土齡期影響，隨齡期增長(zhǎng)，振動(dòng)臨界速度就越大，但不同新澆混凝土結(jié)構(gòu)抗振能力未予考慮，爆破應(yīng)力波從新澆混凝土與基巖接觸面投射到混凝土中產(chǎn)生動(dòng)荷載超過(guò)其極限強(qiáng)度就會(huì)破壞。

（5）現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)又以現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)新澆混凝土臨界振速為依據(jù)，常把安全控制標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)制定的過(guò)高或過(guò)低。從工程實(shí)踐看，過(guò)高標(biāo)準(zhǔn)對(duì)爆破精準(zhǔn)控制技術(shù)要求較高，會(huì)延緩施工，加大成本，過(guò)低標(biāo)準(zhǔn)又不能保證新澆混凝土穩(wěn)定性，甚至?xí)斐善茐摹?/p>

3 結(jié)束語(yǔ)

爆破振動(dòng)對(duì)新澆混凝土這種特殊結(jié)構(gòu)的影響，涉及到爆破地形地質(zhì)條件、地震波種類與傳播途徑，炸藥性能、爆破技術(shù)和新澆混凝土結(jié)構(gòu)本身等諸多因素，包含爆炸力學(xué)、巖石動(dòng)力學(xué)和工程爆破等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，是一個(gè)老而新的復(fù)雜的問(wèn)題。在參與國(guó)家基金課題研究中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行新澆混凝土爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)存在缺陷?；诖?，筆者通過(guò)對(duì)現(xiàn)有新澆混凝土爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)的分析討論，加強(qiáng)了解新澆混凝土受爆破振動(dòng)的影響，以期在新澆混凝土爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)上取得新進(jìn)展。