爆破振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)探討
2015-05-08
一、爆破地震效應(yīng)及監(jiān)測過程
炸藥爆炸會(huì)產(chǎn)生沖擊波，該波在巖石中傳播會(huì)逐漸衰減為應(yīng)力波，能量逐漸減小。當(dāng)其再破壞巖石，只能引起巖石質(zhì)點(diǎn)的彈性振動(dòng)，便形成地震波。地震波的能量只占爆炸總能量的2-6%。根據(jù)地震波傳播路徑的不同，可分為兩類:一類是沿著巖體內(nèi)部傳播，稱為體波；另一類是沿巖石表面?zhèn)鞑?，稱為面波。體波又可分為縱波和橫波，面波可分為瑞利波和拉夫波。其中，瑞利波頻率低、衰減慢、振幅大，周期和擾動(dòng)時(shí)間長，所攜帶能量很大，是造成爆破地震的主要因素。
1、爆破地震安全評價(jià)的方法
主要有三種方法：爆破地震烈度法、動(dòng)力分析法和單一參數(shù)法。前兩種方法或精度不夠或理論不夠完善，均很少采用。單一參數(shù)法控制指標(biāo)有地面質(zhì)點(diǎn)最大振速、最大加速度、最大位移、能量比等，其中質(zhì)點(diǎn)最大振速法最為方便，各國大多采用其為安全評定標(biāo)準(zhǔn)。
我國《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)中地面建筑物的爆破振動(dòng)判據(jù)，采用保護(hù)對象在地點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度可由相互垂直度的水平徑向速度、水平切向速度和垂直速度合成，其中水平徑向速度、水平切向速度均較小，所以我們只需測得垂直速度即可。
2、爆破振動(dòng)監(jiān)測一般過程
2.1 測點(diǎn)的選取
地面建筑物和構(gòu)筑物為保護(hù)對象。根據(jù)已有研究成果，爆破時(shí)基礎(chǔ)的速度峰值大于柱子的速度峰值；柱子的速度峰值大于墻體、屋面板和圈梁的速度峰值；基礎(chǔ)上表面的速度峰值大于下表面的速度峰值；墻體下方的速度峰值大于墻體上方的速度峰值。因此，測點(diǎn)選取基礎(chǔ)上表面；若基礎(chǔ)埋于土層下，則選擇最靠近基礎(chǔ)且堅(jiān)實(shí)的散水作為測點(diǎn)。
2.2 探頭的布置
一般來說，若地質(zhì)情況不變，離爆源近的點(diǎn)振速大于遠(yuǎn)離爆源的點(diǎn)。故保護(hù)對象選擇離爆源最近的建筑。探頭置于轉(zhuǎn)角處基礎(chǔ)上，通過延長線，可使一臺(tái)儀器同時(shí)測得三點(diǎn)處的振速，以便更全面的了解爆破對整座建筑的影響。探頭需要使用石膏與基礎(chǔ)粘結(jié)牢固。
3、現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)施
監(jiān)測點(diǎn)位置確定后，使用生石膏粉加水調(diào)制成漿糊狀，將傳感器黏結(jié)在隧道內(nèi)平整面的測點(diǎn)上，約10min石膏凝固后即可進(jìn)行測試。在安裝過程中，垂直速度傳感器應(yīng)該盡量保持與水平面垂直；水平速度傳感器的安裝應(yīng)該與水平面平行，水平速度傳感器的水平方向有一氣泡，如安裝處于水平狀態(tài)時(shí)氣泡應(yīng)該在刻度的中間位置。如采用三相速度測試（垂、徑、切向）,用垂直傳感器測量垂向的速度，用兩只水平傳感器分別測量徑向、切向的速度。安裝徑向水平傳感器應(yīng)該水平指向爆心，切向水平速度傳感器則與徑向垂直并且和地面保持水平。
二、爆破震動(dòng)監(jiān)測中應(yīng)注意事項(xiàng)
爆破震動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)的選取應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：
(1)為了確保隧道結(jié)構(gòu)的安全，需要在隧道內(nèi)合理布設(shè)測點(diǎn)。
(2)測點(diǎn)數(shù)目要足夠多，以便有足夠的數(shù)據(jù)分析地面震動(dòng)傳播的衰減規(guī)律以及和爆心距等參數(shù)的關(guān)系。
(3)應(yīng)考慮不同地貌、地質(zhì)條件的影響，便于了解分析這些因素條件對爆破震動(dòng)效應(yīng)的影響規(guī)律。
(4)測點(diǎn)數(shù)目及布設(shè)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。
三、測試結(jié)果分析
(1)波形分析
爆破振動(dòng)波形的特征是短間隔多次振動(dòng)，因?yàn)橐淮伪仆ǔ６际欠侄纹鸨?，每段爆破將根?jù)藥量和爆破條件的變化（如夾制條件、炮孔分散性、裝藥結(jié)構(gòu)等不同）而產(chǎn)生不同的振動(dòng)峰值，因此在波形分析中根據(jù)不同時(shí)刻的峰值變化，首先將不同起爆段分別對應(yīng)的峰值振速查找出，這樣一次爆破測振可獲得更多的比例距離條件下的峰值振速信息，增加了振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的可靠性、準(zhǔn)確性，也提高了振動(dòng)測試的效率。
(2)主振頻率
現(xiàn)今振動(dòng)測試儀配套軟件中都已帶有FFT分析工具軟件，今后需要提供小波分析、HHT分析等多種分析方法，選取所關(guān)心的振動(dòng)波形段進(jìn)行頻譜分析是測試結(jié)果分析的重要部分，頻譜分析需要作統(tǒng)一規(guī)定。
(3)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間
爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分為一段振波持續(xù)時(shí)間和全部爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。一段振波可分成主振段和尾振段。從初至波到幅值衰減到A=Amax/e以為主振波，主振波歷時(shí)為段振波持續(xù)時(shí)間。根據(jù)段振波持續(xù)時(shí)間可確定合理微差起爆間隔時(shí)間，可分析介質(zhì)的阻尼特征等。全部爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間指振動(dòng)波初始到結(jié)束的持續(xù)時(shí)間，大多數(shù)情況下對全部爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間并不關(guān)心，但它也是反應(yīng)爆破振動(dòng)強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一，在考慮振動(dòng)疲勞破壞時(shí)有一定意義。
(4)地震波傳播速度(Vw)
利用地震波波形時(shí)標(biāo)，可以讀出振波初至該測點(diǎn)的時(shí)刻，計(jì)算出不同測點(diǎn)初至波的時(shí)差(tW=tB-tA)，以及不同測點(diǎn)至爆源的距離差(RW=RB-RA)，地震波波速VW=RW/tW。當(dāng)測點(diǎn)距離太近時(shí)，由于時(shí)差太小，若采樣頻率過低，地震波波速計(jì)算精度低、誤差大。因此需作波速計(jì)算時(shí)應(yīng)使兩點(diǎn)間距加大，并且保證兩測點(diǎn)同時(shí)觸發(fā)記錄。
四、工程實(shí)例
某隧道是某市改善進(jìn)入某風(fēng)景區(qū)的交通條件而新建的一條城市公路隧道，它連接南山路和中山南路，處于某湖東側(cè)，穿過山體。在隧道拱頂上方有一建筑群。
隧道設(shè)計(jì)凈寬15m、全長739.99m，里程樁號(hào)為k0＋365.738～k1＋159.728。其中穿越建筑群段全長303m，其里程樁號(hào)為k0＋717～k1＋020。建筑群房屋為磚混結(jié)構(gòu)。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）的規(guī)定要求，在施工爆破掘進(jìn)該隧道建筑群段的過程中，需要對其房屋地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測，在監(jiān)測數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下進(jìn)行爆破施工作業(yè)。
1、爆破振動(dòng)監(jiān)測
1.1監(jiān)測的儀器和方法
本次爆破振動(dòng)監(jiān)測采用了由DSVM-4C型振動(dòng)測試儀、891－Ⅱ型拾振器、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等組成的測試系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。
該測試系統(tǒng)中的拾振器1、2、3分別測量振動(dòng)速度的水平徑向分量Vr、水平切向分量Vτ和垂直分量VZ。量測過程中振動(dòng)測試儀自動(dòng)采集、存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。每次測量結(jié)束后，及時(shí)對結(jié)果進(jìn)行分析，指導(dǎo)下次爆破方案設(shè)計(jì)。
由于爆破震動(dòng)效應(yīng)隨著傳播距離的增大逐漸衰減，因此，每次測試時(shí)基本上是在離爆破點(diǎn)較近的測點(diǎn)進(jìn)行測試。每次測量結(jié)束后，立即對測試結(jié)果進(jìn)行整理分析，并參照監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合隧道的埋深、周邊建筑物分布情況確定下一次爆破的參數(shù)、施工進(jìn)度，從而確保了爆破作業(yè)順利、安全地進(jìn)行。
1.2監(jiān)測點(diǎn)的布置
根據(jù)建筑群與隧道的空間位置及距離，在建筑群房屋地面共布置了22個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。其中，進(jìn)口端從k0＋700到k0＋880分別在大約每間隔12～16m的地方布置了13個(gè)測點(diǎn)；出口端從k0＋900到k1＋040也分別在大約每間隔15～18 m的地方布置了9個(gè)測點(diǎn)。
1.3監(jiān)測的結(jié)果
共獲79組數(shù)據(jù)。
2、爆破振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果的回歸分析
在監(jiān)測初期根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)對爆破地震波傳播衰減監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了2次回歸分析，第1次是根據(jù)施工到k0+567位置時(shí)所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析；第2次是根據(jù)施工到k0+679位置時(shí)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，將為及時(shí)調(diào)整爆破設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。
2.1.回歸數(shù)學(xué)模型
根據(jù)我國《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）及國內(nèi)外的一些研究成果，在中國和前蘇聯(lián)地區(qū)爆破振動(dòng)傳播與衰減規(guī)律普遍都采用薩道夫斯基的經(jīng)驗(yàn)公式。
已有的研究表明，在預(yù)測中考慮了傳播介質(zhì)條件、炸藥量和爆心距測點(diǎn)的距離等主要因素，但忽略了測點(diǎn)距爆心的高差距離、爆破振動(dòng)主頻等因素；而這些因素在某些特定的條件下也是影響質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的主要因素；又由于各測點(diǎn)之間的高差不在0.5m～1.5m范圍內(nèi)，那么就必須考慮高程差對地震波傳播的影響。因此，在隧道開挖爆破施工中，為了使預(yù)測爆破振動(dòng)更準(zhǔn)確、符合實(shí)際情況，在質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度預(yù)測公式中應(yīng)增加高差影響系數(shù)。
2.2回歸結(jié)果分析
從監(jiān)測的數(shù)據(jù)來看，在未進(jìn)入建筑群段前，在隧道爆破點(diǎn)正上方地面測得的振動(dòng)速度基本上在1～6cm/s之間；而進(jìn)入建筑群段后，通過爆破監(jiān)測的信息反饋，逐漸調(diào)整裝藥量使在建筑群房屋地面測得的振動(dòng)速度值均小于1.5cm/s，且95%以上小于1.0cm/s，并符合《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）關(guān)于磚房地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度不得超過2～3cm/s的要求。其信息化爆破施工監(jiān)測較好地指導(dǎo)了后續(xù)階段隧道的爆破作業(yè)。
3、爆破振動(dòng)控制技術(shù)
3.1選擇合理的爆破時(shí)差
對于本研究的短進(jìn)尺的隧道施工爆破工程，對低段位各排炮孔之間采取了合理的時(shí)差間隔，并保證了主震動(dòng)頻率不接近于被保護(hù)建筑物的自振頻率，同時(shí)使地震波之間不產(chǎn)生疊加。因此，為了不使后一段地震波與前段相疊加，故應(yīng)適當(dāng)增加使用的非電導(dǎo)爆管(或電雷管)段數(shù)，使前后段爆破時(shí)差≥100～150ms，從而確定了合理的微差時(shí)間。
3.2控制段最大裝藥量Q
通過本次爆破振動(dòng)監(jiān)測表明，當(dāng)降低起爆藥量時(shí)，可以使質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度減小，達(dá)到減振的目的。
3.3采用微差起爆
在爆破施工中，通過適當(dāng)布置起爆順序，采用跳段起爆，多次分批起爆，將首先破壞被爆巖石的拱形結(jié)構(gòu)使其具有自坍趨勢，達(dá)到了減少裝藥量的目的。
3.4控制掘進(jìn)進(jìn)尺
為控制總裝藥量的單段藥量，在立交段的進(jìn)尺控制在1m以內(nèi)，其它地段的爆破進(jìn)尺控制在1.5m以內(nèi)，并采用分臺(tái)階分部小導(dǎo)洞掘進(jìn)，從而控制了單段藥量，使爆破震動(dòng)效應(yīng)控制在較低的水平。
3.5采用預(yù)裂爆破
實(shí)踐表明，預(yù)裂爆破降震率大都在30 %以上，效果好的預(yù)裂爆破降震率可達(dá)50 %以上，預(yù)裂爆破已成為常用的有效降震措施。因此，對于本研究的爆破工程可以適當(dāng)采取預(yù)裂爆破，以減低爆破振動(dòng)。
五、結(jié)束語
只有在進(jìn)入建筑群段前經(jīng)過反復(fù)的爆破實(shí)驗(yàn)并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及其回歸分析，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整了爆破參數(shù)，采取了控制掘進(jìn)進(jìn)尺、控制單段最大裝藥量、多次分批引爆以及分臺(tái)階分部小導(dǎo)洞掘進(jìn)等措施，從而將爆破震動(dòng)效應(yīng)控制在較低的水平，來確保地表建筑群的安全和爆破作業(yè)的安全。
