中歐爆破振動標準比較

王 燕，孫偉博，佟彥軍

(1.西安科技大學能源學院，西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，西安 710054；3.北方特種能源集團有限公司，西安 710061)

工程爆破在經(jīng)濟建設中發(fā)揮著重要作用，同時爆破對建筑物和周圍環(huán)境也造成的一定的影響[1]。由爆破引起的爆破振動、爆破空氣沖擊波、噪音、爆破飛石和有毒氣體是工程爆破的5大危害，其中，爆破振動是危害之首[2-3]。為此，國內(nèi)外對爆破振動進行了長期的研究[4-7]，并通過制定爆破振動安全允許標準的方式規(guī)范工程爆破施工，以期控制爆破振動對建筑物和周圍環(huán)境的影響。由于爆破振動問題的復雜性，世界各國針對不同的振動源和保護對象都有著不同的標準。隨著我國工程項目的全球化，在美洲、非洲、歐洲等地區(qū)有越來越多中國企業(yè)開展爆破工程。了解各地區(qū)爆破振動標準的特點，對于企業(yè)在爆破作業(yè)期間控制爆破振動，保護環(huán)境有著重要的意義。歐洲40多個國家和地區(qū)基本都有自己的爆破振動標準，相同區(qū)域國家的爆破標準比較接近，筆者有代表性的分別從南歐、西歐和北歐選取德國建筑物振動標準DIN 4150、西班牙爆破振動標準UNE 22381、瑞典爆破振動標準SS 4604866，并結(jié)合我國爆破安全規(guī)程GB 6722-2014中對爆破振動方面的規(guī)定，從保護對象、安全允許質(zhì)點振動速度和質(zhì)點振動速度確定方法3個方面探討標準之間的異同點。

1 保護對象

西班牙UNE 22381標準[8]中保護對象分為3類，第1類：工業(yè)建筑及倉庫；第2類：住宅樓、辦公、購物和娛樂等建筑物以及對振動沒有特別敏感的古跡；第3類：對振動敏感的古跡。德國DIN 4150標準[9]中保護對象分了3類。第1類：商業(yè)、工業(yè)及類似建筑物；第2類：住宅類建筑物；第3類：其他對振動敏感的建筑物。同時對管道的振動也按材質(zhì)不同分了3類進行了限定，第1類：鋼管及焊接鋼管；第2類：黏土，混凝土，鋼筋混凝土，預應力混凝土，其他金屬管；第3類：石材，塑料管。瑞典SS 4604866標準[10]中保護對象分為5類。第1類：重型結(jié)構，例如橋梁，碼頭，防御設施等；第2類：預制構件的工業(yè)和辦公樓；第3類：普通住宅；第4類：特別敏感的普通建筑物、高拱形建筑物或大跨度建筑物；第5類：特別敏感的歷史文化建筑物等。我國GB 6722-2014標準[11]中保護對象分為10類：包括土窯洞、土坯房、毛石房屋；一般民用建筑物；工業(yè)和商業(yè)建筑物；一般古建筑與古跡；運行中的水電站及發(fā)電廠中心控制室設備；水工隧洞；交通隧道，礦山巷道；永久性巖石高邊坡和初凝至28 d的新澆大體積混凝土。從保護對象分類上來看，在建筑物方面我國標準與德國標準接近，在古跡方面，我國標準與西班牙標準接近。不同之處在于德國標準對管道做了單獨的分類，西班牙和瑞典標準對古跡進行了分類，而我國標準涵蓋的范圍更廣泛。

2 安全允許質(zhì)點振動速度

2.1 西班牙UNE 22381標準

西班牙UNE 22381爆破振動標準中對安全允許質(zhì)點振速的要求如表1所示。

表1 安全允許質(zhì)點振動速度(UNE 22381)

當振動頻率為15～75 Hz時，按式(1)計算安全允許質(zhì)點振動速度。

v=2πfd

(1)

式中：v為質(zhì)點振動速度，mm/s；f為頻率，Hz；d為允許位移，mm。

同時，于雙對數(shù)坐標系中建立與表1標準對應的質(zhì)點允許振動速度與頻率關系(見圖1)。

圖1 安全允許質(zhì)點振動速度與頻率關系(UNE 22381)

圖中不同頻率下質(zhì)點的安全允許振動速度值具有唯一性。例如，頻率為20 Hz時第3類保護對象的質(zhì)點安全允許振動速度為5.278 mm/s。

2.2 德國DIN 4150標準

德國DIN 4150振動標準將振動分為短期振動和長期振動2種。短期振動是指不足以引起結(jié)構疲勞破壞且不會產(chǎn)生共振的振動信號。不屬于短期振動范疇的即為長期振動。爆破振動一般屬于短期振動。DIN 4150標準中對短期振動質(zhì)點安全允許振動速度的要求如表2所示。

表2 安全允許質(zhì)點振動速度(DIN 4150)

對于超過100 Hz的振動，取50～100 Hz一列對應值作為最小振動允許值。在DIN 4150標準中除了對建筑物的振動上限做出了要求外，還對建筑物頂端的最大允許振動速度進行了要求，要求建筑物頂層外墻平面的振動速度不超過表中的限定值。標準同時給出了與表2對應的關系(見圖2)。

圖2 安全允許質(zhì)點振動速度(DIN 4150)

對于管道，DIN 4150標準中規(guī)定1、2、3類的短時振動速度上限分別為100、80、50 mm/s。對于長期振動，1、2、3類建筑物的振動速度上限分別為10、5、2.5 mm/s；1、2、3類管道的振動速度上限為短期振動的50%。

2.3 瑞典SS 4604866標準

瑞典SS 4604866振動標準是通過式(2)計算建筑物最大允許垂直振動速度。以最大允許垂直振動速度為標準值，不考慮質(zhì)點的振動頻率。

v=v0FbFmFdFt

(2)

式中：v為最大允許垂直振動速度；v0為未經(jīng)校正的允許垂直振動速度，mm/s；Fb為建筑物系數(shù)；Fm為材料系數(shù)；Fd為距離系數(shù)；Ft為作業(yè)時間系數(shù)。

未經(jīng)校正的允許垂直振動速度v0取值如表3所示，不同結(jié)構的建筑物系數(shù)、材料系數(shù)分別如表4、表5所示。

表3 不同基礎上的未校正垂直振動速度

表4 不同結(jié)構的建筑物系數(shù)

表5 建筑物材料系數(shù)

距離系數(shù)通過公式計算得到，距離小于10 m時，F(xiàn)d=1.91·d-0.28；距離為10～350 m時,對于不同基礎類型，分別為黏土Fd=1.56·d-0.19，砂質(zhì)Fd=1.91·d-0.29，石質(zhì)Fd=2.57·d-0.42；當距離超過350 m時，黏土、砂質(zhì)和石質(zhì)對應的距離系數(shù)分別為0.50、0.35和0.22。距離系數(shù)可以用雙對數(shù)坐標表示(見圖3)。

圖3 未校正振動速度與距離關系

作業(yè)時間系數(shù)有2個，對于隧道、地下空間工程、道路開挖、基礎工程和類似的建筑項目Ft=1.0；對于如采石場和礦山的固定設施Ft=0.25。

2.4 爆破安全規(guī)程GB 6722

我國《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014 )中雖然明確了爆破振動控制標準[11],但是沒有給出與之對應的安全允許質(zhì)點振動速度與頻率關系曲線圖，因此不能夠確定在對應頻率區(qū)間內(nèi)安全允許質(zhì)點振動速度是否和頻率成線性關系。如果假設安全允許質(zhì)點振動速度與頻率成線性關系，且假設頻率上限為100 Hz時(標準中露天淺孔爆破和地下深孔爆破推薦的頻率上限為100 Hz)，根據(jù)我國《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)爆破振動控制標準可以得到頻率與安全允許質(zhì)點振動速度關系如圖4所示。

圖4 安全允許質(zhì)點振動速度與頻率關系

但是對于礦山巷道和永久性巖石高邊坡2種保護對象，第2段和第3段頻率區(qū)間(以50 Hz為界)有重疊部分，可能會出現(xiàn)高頻振動安全允許質(zhì)點振動速度低于低頻振動安全允許質(zhì)點振動速度的現(xiàn)象。如對于礦山巷道，32 Hz的安全允許質(zhì)點振動速度約為220 mm/s，55 Hz的安全允許質(zhì)點振動速度僅為205 mm/s。如果假設頻率上限為300 Hz時(標準中地下淺孔爆破推薦的振動上限為300 Hz)，第3段頻率區(qū)間(大于50 Hz)曲線的斜率比上限100 Hz的斜率要低，所以，在相同頻率下，不同頻率上限對應的質(zhì)點允許振動速度不同。這一點與西班牙和德國標準有所不同。從參照標準控制爆破振動的角度考慮，標準中的數(shù)值應該是準確唯一的，這一方面我國標準還有進一步完善的空間。

對于一般民用、工業(yè)和商業(yè)建筑，德國的標準對振動要求較高，西班牙標準相對較低，我國標準居中。

3 質(zhì)點振動速度確定方法

3.1 西班牙UNE 22381標準

UNE 22381標準中通過圖例的方式說明了爆破引起振動的波形形態(tài)，振動傳感器的測量方向，并規(guī)定可采用傅里葉變換(FFT)或信號響應譜的方法對振動信號進行處理。采用信號響應譜方法時，可用半周期方法確定頻率，即按照式(3)計算峰值頻率：

(3)

沒有規(guī)定采用FFT進行信號分析時采用何種窗函數(shù)，僅在標準中給出了采用FFT和信號響應譜方法處理信號的圖例。

標準中同時規(guī)定了振動傳感器的固定方式(見圖5)。

圖5 振動傳感器固定方式

加速度小于0.2g的振動，用傳感器下方設置方形底座的方式固定傳感器；加速度大于0.2g的振動，對于松軟的土地用長探針固定傳感器，對于堅硬的土地用銷釘固定傳感器。

3.2 德國DIN 4150標準

DIN 4150標準中通過附錄舉例的方式說明了獲取振動頻率的方法。首先確定峰值振動速度位置，然后將峰值振動速度附近乘以如式4所示的漢寧窗函數(shù)，最后對處理后的數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，得到峰值頻率。

hw(t)=

(4)

3.3 瑞典SS 4604866標準

SS 4604866標準中給出了振動傳感器的固定要求，盡量進入建筑物內(nèi)部測量振動，傳感器要盡量連接到建筑物的支撐部位。標準中還給出了振動傳感器的性能要求，測量范圍1.0～250 mm/s，測量精度高于10 mm/s，80 Hz下誤差不超過5%等。

3.4 爆破安全規(guī)程GB 6722

《爆破安全規(guī)程》中沒有對振動傳感器的安裝方法和爆破振動信號的處理方法做出規(guī)定。但在中國爆破行業(yè)協(xié)會《爆破振動監(jiān)測技術規(guī)范》中對振動傳感器的安裝及爆破振動信號的處理進行了相關規(guī)定[12-13]?！侗普駝颖O(jiān)測技術規(guī)范》標準中提出通過矩形窗的傅里葉變換確定質(zhì)點振動速度，并給出了振動傳感器的固定方法。

4 結(jié)語

1)西班牙、德國和瑞典振動標準的保護對象主要是針對爆破作業(yè)對外部一般建筑物等做出的規(guī)定，對于如礦山隧道、巖石邊坡等未做規(guī)定。我國標準涵蓋的保護對象范圍更加廣泛。

2)西班牙和德國振動標準中不同類別的安全允許振動速度在不同頻率下取值是唯一的，便于比較、判別振動速度是否超過安全允許振動速度。瑞典振動標準雖然沒有考慮頻率，但不同情況下安全允許振動速度取值也是唯一的。我國標準中只標明了安全允許振動速度的范圍，但沒有明確振動頻率與振動速度的對應關系圖，這會導致相同振動頻率、振動速度條件下可能會做出符合或不符合安全允許振動速度兩種不同的判別，這一點上我國標準還應該進一步完善。

3)西班牙和德國振動標準都提出了質(zhì)點運動速度確定方法，德國振動標準給出了窗函數(shù)的形式，西班牙振動標準給出了振動傳感器的安裝方法。瑞典標準給出了傳感器的性能要求。我國《爆破安全規(guī)程》中雖然沒有提出質(zhì)點振動速度確定方法，但在最近頒布的《爆破振動監(jiān)測技術規(guī)范》中提出了相應的確定方法和傳感器固定方法，這對《爆破安全規(guī)程》是一個很好的補充。