王祥獻(xiàn)，穆 銳，黃質(zhì)宏，孔伏祥，張 琪，張 弘

(1.貴州大學(xué) a.土木工程學(xué)院; b.人民武裝學(xué)院， 貴陽(yáng) 550025；2.陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系， 重慶 401331; 3.貴陽(yáng)市烏當(dāng)區(qū)住建局， 貴陽(yáng) 550000)

工程爆破開(kāi)挖是當(dāng)今基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵施工技術(shù)，特別是在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。但隨著爆破開(kāi)挖施工的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，其對(duì)周圍環(huán)境帶來(lái)的影響也是爆破施工技術(shù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)，許多學(xué)者在爆破開(kāi)挖技術(shù)方面做了大量的研究工作，主要包括理論研究、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及數(shù)值模擬幾個(gè)方面，具體情況如：

理論研究方面，萬(wàn)嗣鵬等[1]考慮爆破振動(dòng)速度為影響因素，基于準(zhǔn)巖體強(qiáng)度，采用量綱法對(duì)爆破振動(dòng)速度的公式進(jìn)行修正；楊招偉等[2]基于地表實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)試驗(yàn)，提出了快速確定巖體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的新方法；王林臺(tái)等[3]根據(jù)模態(tài)參數(shù)，利用質(zhì)阻彈模型的動(dòng)力微分方程，建立Simulink動(dòng)力仿真模型；梅比等[4]將HHT算法引入MP算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，降低了MP算法運(yùn)算復(fù)雜程度，更有利于爆破理論分析研究?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究方面，公偉增[5]、朱利明[6]、管曉明[7]等研究了隧道爆破開(kāi)挖施工對(duì)已有建筑物的振動(dòng)影響規(guī)律，從而確立了相應(yīng)合理的爆破施工方案；程存玉等[8]以實(shí)際爆破工程為背景，研究了爆破振動(dòng)對(duì)路基邊坡振動(dòng)影響的規(guī)律。數(shù)值模擬研究方面，李鵬[9]、賈磊[10]、于建新[11]、凌天龍[12]等利用數(shù)值模擬將理論應(yīng)用于實(shí)際爆破，研究結(jié)果表明，數(shù)值模擬與實(shí)際工程基本吻合，論證了數(shù)值模型的可行性。

從已有研究成果來(lái)看，大多現(xiàn)有研究成果分析了爆破開(kāi)挖施工對(duì)實(shí)際工程中的影響作用，雖取得了較為豐富的成果，但由于露天爆破開(kāi)挖施工方案、建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地特征的差異性大，很難直接借鑒。鑒于此，筆者從實(shí)際工程出發(fā)，研究了露天爆破開(kāi)挖對(duì)既有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵振動(dòng)特征(振動(dòng)速度和主振頻率)的變化規(guī)律影響，采用最小二乘法對(duì)修正的薩道夫斯基公式進(jìn)行回歸分析及預(yù)測(cè)，建立了徑向X、切向Y、豎向Z方向上振動(dòng)速度的經(jīng)驗(yàn)公式，以期能為類似露天爆破開(kāi)挖工程提供相應(yīng)的理論依據(jù)及參考價(jià)值。

1 工程概況

1.1 坐標(biāo)方位

在場(chǎng)地平整工程中，擬修建筑類型為電商綜合物流博覽園，位于福泉市。場(chǎng)地平整以爆破開(kāi)挖為主，主要對(duì)規(guī)劃建筑物范圍內(nèi)的山體進(jìn)行場(chǎng)地平整，如圖1所示。擬建場(chǎng)地的地貌特征起伏較大，地面標(biāo)高在820.5～891.78 m之間，最大高差約71.28 m。而場(chǎng)地平整設(shè)計(jì)的標(biāo)高約為850 m左右，擬建場(chǎng)地東南側(cè)道路平場(chǎng)回填，東南側(cè)存在高約0～33.3 m、長(zhǎng)約467 m的填方邊坡。

圖1 爆區(qū)周圍平面布置及環(huán)境示意圖

1.2 地質(zhì)情況

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查及勘察結(jié)果，場(chǎng)地范圍內(nèi)覆蓋土層為第四系耕植土及紅黏土層，下伏分布基巖為二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P2w)中至厚層狀灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀正常，呈單斜產(chǎn)出，據(jù)場(chǎng)地周圍基巖出露點(diǎn)測(cè)得其傾向102°，傾角21°。場(chǎng)地基巖發(fā)育含有3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，第一組節(jié)理產(chǎn)狀130°～145°∠45°～60°，第二組節(jié)理產(chǎn)狀310°～330°∠50°～60°，第三組節(jié)理產(chǎn)狀45°～55°∠75°～80°，節(jié)理線密度為2～5組/m，延伸長(zhǎng)度0.1～2.5 m不等，節(jié)理裂隙張開(kāi)度2～5 mm，節(jié)理裂隙面以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，局部為硅質(zhì)膠結(jié)，結(jié)構(gòu)面結(jié)合較差，巖體完整性較差。隨開(kāi)挖深度的增加，巖石的硬度隨之增大，其單軸抗壓強(qiáng)度為37.66 MPa，對(duì)于爆破開(kāi)挖施工不利，影響范圍相對(duì)較大。因此，需要對(duì)爆破區(qū)周圍的既有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵振動(dòng)特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

1.3 爆破周邊環(huán)境

爆破區(qū)周圍存在大量的建筑群和橋梁結(jié)構(gòu)，具體的爆區(qū)周圍環(huán)境，如圖1所示。建筑物、橋梁等既有結(jié)構(gòu)離爆破區(qū)的具體情況見(jiàn)表1。

表1 既有結(jié)構(gòu)的基本情況

2 爆破監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案

從現(xiàn)場(chǎng)勘查情況看，三江口大橋(326 m)、灑金河大橋(275 m)、金雞山大橋(345 m)距離爆破區(qū)相對(duì)較遠(yuǎn)，灑金河將其與爆破區(qū)隔開(kāi)，存在天然的減震器，露天爆破振動(dòng)對(duì)其影響不大。根據(jù)《中國(guó)地震烈度表》(GBT17742—2008)[13]和《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)[14]的規(guī)定，可不對(duì)其進(jìn)行爆破振動(dòng)的監(jiān)測(cè)。但將軍橋和在建樓房離爆破區(qū)相對(duì)較近，爆源距分別為113 m和131 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查可知，將軍橋的橋面(X、Y水平徑向和切向)和橋墩(Z鉛直方向)均出現(xiàn)裂縫，且在靠近爆破區(qū)的一側(cè)較多，橋梁等級(jí)為一級(jí)。從裂縫規(guī)律和現(xiàn)場(chǎng)情況分析，確定振動(dòng)速度的安全限值為2.0 cm/s。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)爆破方法及炮孔設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)采用電子雷管起爆法與孔內(nèi)延時(shí)起爆法相結(jié)合的爆破方式，選用乳化炸藥，其中：電子雷管起爆法起整體控制作用，孔內(nèi)延時(shí)起爆法控制炮孔間的爆破方式。炮孔平面布置的爆破參數(shù)見(jiàn)表2，具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示，爆破起爆網(wǎng)路如圖3所示。

表2 炮孔平面布置的爆破參數(shù)

圖2 裝藥結(jié)構(gòu) 圖3 爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)示意圖

2.2 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)示分布

根據(jù)將軍橋的裂縫分布情況以及在建房屋的實(shí)際情況，在離爆破區(qū)最危險(xiǎn)的地方設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)爆破測(cè)點(diǎn)，隨爆破源的移動(dòng)，測(cè)點(diǎn)與爆破源的距離將發(fā)生改變，測(cè)點(diǎn)分布情況如圖4所示。

圖4 爆破監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布情況

2.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試步驟

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用TC-4850爆破測(cè)振儀。測(cè)量三矢量振動(dòng)速度時(shí)，Z向?yàn)殂U直方向，X方向指向爆破源，為水平徑向，則Y向?yàn)樗角邢?，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試步驟如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試步驟框圖

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和原始爆破參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 測(cè)點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向上的測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1 爆心距距對(duì)關(guān)鍵振動(dòng)特征的影響

考慮監(jiān)測(cè)設(shè)備自身原因以及測(cè)試操作誤差，為研究露天爆破施工對(duì)關(guān)鍵振動(dòng)特征及其衰減規(guī)律，將測(cè)點(diǎn)及爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，剔除其中離散性較大的數(shù)據(jù)，得到35組有效數(shù)據(jù)，主要包括X、Y、Z三個(gè)方向上的振動(dòng)速度、主振頻率、爆心距距等數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。根據(jù)表3中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度和主振頻率隨爆心距距增大的變化規(guī)律及趨勢(shì)，如圖6、圖7所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度隨爆心距距的變化規(guī)律示意圖

圖7 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻率隨爆心距距的變化規(guī)律示意圖

由圖6可知，測(cè)點(diǎn)在徑向X、切向Y、豎向Z三個(gè)方向的峰值振速在安全控制值2.0 cm/s范圍內(nèi)，這說(shuō)明該露天爆破施工方法是安全可行的。徑向X、切向Y、豎向Z三個(gè)方向上的振動(dòng)速度均隨爆心距距的增大而逐漸減小。徑向上振動(dòng)速度的變幅最大，切向Y、豎向Z次之?？梢钥闯?，相對(duì)于爆破引起的波形傳播，當(dāng)振動(dòng)方向與徑向平行時(shí)，由于疊加作用影響質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)較大，相反其他方向的振動(dòng)作用相對(duì)較弱。由此可知，爆破振動(dòng)在徑向上的作用最大，其次是切向Y，最后是豎向Z。

同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度受較近爆源區(qū)域作用較大，振動(dòng)速度V隨爆心距距的增大衰減作用較強(qiáng)；受遠(yuǎn)爆源區(qū)域的作用相對(duì)較小，振動(dòng)速度隨爆心距距的增大衰減作用逐漸減緩，減幅變小。

由圖7可知，隨爆心距距的增大，測(cè)點(diǎn)在徑向X、切向Y、豎向Z三個(gè)方向上的主振頻率存在一定的變化，但規(guī)律性不明顯，主振頻率主要集中在20～50 Hz范圍內(nèi)。但當(dāng)爆心距距在154 m、190 m時(shí)，分別出現(xiàn)了主振頻率峰值，兩個(gè)波峰之間可形成主振頻率干涉現(xiàn)象，距離周期約為35 m，當(dāng)爆心距為154 m時(shí)，峰值頻率為81.63 Hz；當(dāng)爆心距為190 m時(shí)，峰值頻率為93.02 Hz。因此，在類似工程中應(yīng)注意結(jié)構(gòu)自身的主振頻率，避免出現(xiàn)在這一范圍內(nèi)。

3.2 振動(dòng)速度衰減規(guī)律回歸理論分析

目前，薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式是國(guó)內(nèi)外工程界使用最為廣泛的振動(dòng)速度計(jì)算公式，其表達(dá)式如下[13]。

(1)

式中：V為振動(dòng)速度(cm/s)；Q為起爆過(guò)程中最大單響的炸藥量(kg)；R為測(cè)點(diǎn)與爆源之間的距離，即爆心距(m)；K、α是與巖土介質(zhì)有關(guān)的參數(shù)；β是與裝藥結(jié)構(gòu)方式有關(guān)的參數(shù)，集中藥包取1/3，柱裝藥包取1/2。由《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)和《中國(guó)地震烈度表》(GBT17742—2008)可知，在我國(guó)的工程中推薦使用修正后的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，為能反映爆破振動(dòng)的衰減規(guī)律，定義K、α為衰減參數(shù)。即

(2)

將式(2)兩邊同取以10為底的自然對(duì)數(shù)得

(3)

令y=lgV，x=lg(Q1/3/R)，b=lgK，k=α，將式(3)變換為式(4)

y=kx+b

(4)

采用最小二乘法回歸理論對(duì)測(cè)點(diǎn)徑向X、切向Y、豎向Z三個(gè)方向的振動(dòng)速度公式進(jìn)行研究[15]。通過(guò)回歸分析，試圖建立徑向X、切向Y、豎向Z三個(gè)方向振動(dòng)速度的經(jīng)驗(yàn)公式。也可以由此對(duì)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度矢量合成進(jìn)行分析研究。

3.3 振動(dòng)速度衰減規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式的建立

根據(jù)回歸分析可知，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的單孔藥量Q，爆心距R，振動(dòng)速度V的數(shù)據(jù)，采用上述理論進(jìn)行擬合，其中橫坐標(biāo)為x=lg(Q1/3/R)，縱坐標(biāo)為y=lgV，得到了徑向X、切向Y、豎向Z三個(gè)方向上的振動(dòng)速度擬合曲線，如圖8所示。

由圖8(a)可知，得到徑向X的擬合分析關(guān)系為式(5)，相關(guān)系數(shù)為0.818 3。

y=1.627 20x+2.558 4

(5)

由圖8(b)可知，得到切向Y的擬合分析關(guān)系為式(6)，相關(guān)系數(shù)為0.818 8。

y=1.386 63x+1.986 2

(6)

由圖8(c)可知，得到豎向Z的擬合分析關(guān)系為式(7)，相關(guān)系數(shù)為0.810 3。

圖8 測(cè)點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向上振動(dòng)速度的擬合曲線

y=1.497 37x+2.159 1

(7)

由式(3)聯(lián)立式(5)、式(6)、式(7)得到徑向X、切向Y、豎向Z衰減參數(shù)K、α，具體參數(shù)值見(jiàn)表4。

表4 測(cè)點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向上振動(dòng)速度的衰減參數(shù)

由表4及式(3)可得徑向X、切向Y、豎向Z三個(gè)方向上的振動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式，即式(8)～式(10)：

1) 徑向X振動(dòng)速度的經(jīng)驗(yàn)公式

(8)

2) 切向Y振動(dòng)速度的經(jīng)驗(yàn)公式

(9)

3) 豎向Z振動(dòng)速度的經(jīng)驗(yàn)公式

(10)

在類似工程中，可結(jié)合爆心的裝藥量Q和既有結(jié)構(gòu)的爆心矩R，采用式(8)～式(10)對(duì)既有結(jié)構(gòu)X、Y、Z三個(gè)方向上的振動(dòng)速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果可在爆破時(shí)對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)是否需要采取防護(hù)措施及進(jìn)行初步判斷，提供重要參考價(jià)值。

3.4 主振頻率變化規(guī)律分析

在實(shí)際爆破工程中，有時(shí)相鄰建筑物間的振動(dòng)規(guī)律也存在較大差別，這主要與爆破振動(dòng)產(chǎn)生的主振頻率有關(guān)。當(dāng)爆破的主振頻率與建筑物的固有頻率相近時(shí)，很容易引發(fā)建筑物的共振現(xiàn)象，造成建筑物更大的破壞。圖9給出了爆破振動(dòng)產(chǎn)生徑向X、切向Y、豎向Z三個(gè)方向上的主振頻率隨爆心距的變化規(guī)律及趨勢(shì)。

由圖9可知，各個(gè)方向上的主振頻率隨爆心距的增大呈微小的變化趨勢(shì)，其中徑向X的主振頻率隨爆心距的增大而微弱減?。磺邢験和豎向Z的主振頻率隨爆心距的增大而微弱增大，但3個(gè)方向的主振頻率隨爆心距增大的變化不顯著。這說(shuō)明主振頻率受爆心距的影響相對(duì)較小，原因在于爆破振動(dòng)產(chǎn)生主振頻率是測(cè)點(diǎn)的固有頻率，在傳播的過(guò)程中，爆破源和傳播的介質(zhì)沒(méi)有發(fā)生改變，所以主振頻率隨爆心距的增大變化不明顯。由表3可知，主振頻率主要集中分布在20～50 Hz范圍內(nèi)，一般而言，中低層建筑物固有頻率為1～10 Hz，高層建筑物的固有頻率更低。這可以判斷，該工程爆破施工不會(huì)引起既有結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。但在此范圍外，存在小范圍的高頻和低頻振動(dòng)作用，可能會(huì)對(duì)建筑物造成較大的危害。因此，在制定爆破振動(dòng)控制措施時(shí)，不能忽略這部分作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)采取相應(yīng)的防范措施。

圖9 測(cè)點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向上主振頻率的變化規(guī)律圖

4 結(jié)論

1) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，測(cè)點(diǎn)的徑向X、切向Y、豎向Z的振動(dòng)速度未超過(guò)規(guī)定限值，最大振動(dòng)速度為0.746 cm/s，小于限值2.0 cm/s.這說(shuō)明露天爆破振動(dòng)安全、可靠、穩(wěn)定。

2) 徑向X、切向Y、豎向Z三個(gè)方向上的振動(dòng)速度隨爆心距增大而減小且衰減幅度較大，其中徑向振動(dòng)速度衰減最為顯著。主振頻率受爆心距的影響相對(duì)較小，但固有頻率在20～50 Hz的既有結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取相應(yīng)的防范措施。

3) 基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法對(duì)修正后的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行回歸預(yù)測(cè)，建立了測(cè)點(diǎn)在徑向X、切向Y、豎向Z上的振動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式，可較好地描述三個(gè)方向上振動(dòng)速度的衰減規(guī)律，同時(shí)可對(duì)測(cè)點(diǎn)的爆破振動(dòng)速度進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。研究結(jié)果可為類似爆破工程提供相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及參考依據(jù)，具有工程應(yīng)用價(jià)值。