王凱旋，胡 萍，周建新

(中國安全生產(chǎn)科學研究院，北京 100012)

0 引言

礦產(chǎn)資源在國民經(jīng)濟與社會發(fā)展中具有重要地位，但礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中引起的周邊環(huán)境擾動和建筑結構損傷時有發(fā)生，這不僅對礦山安全生產(chǎn)和礦工生命安全造成直接危害，還常有礦山地質災害發(fā)生，對周邊建筑物和居民的生命財產(chǎn)安全構成威脅。

近年來礦山爆破振動下建筑物的力學響應問題成為學術界的熱點和難點問題，相關研究成果較多。范勇等[1]運用基于確定的高端墻爆破振動安全控制標準，對側向爆破荷載作用下地下廠房高端墻安全性進行分析；賈磊等[2]建立爆破施工對既有襯砌振動影響的數(shù)值模型，給出數(shù)值計算中爆破荷載的波形、荷載峰值、加載時間的模擬方法，并研究爆破開挖進尺、間距及埋深等因素對既有鄰近隧道的影響；包輝[3]基于大量爆破振動實際監(jiān)測效據(jù)，對爆破振動速度反應譜譜面積SR與爆破地震波信號各特征量進行關聯(lián)分析，研究SR對建筑結構振動損傷的影響和關聯(lián)；李永靖[4]運用疲勞累計損傷理論，建立頻繁礦震作用下鋼筋混凝土框架結構層次上的損傷模型；吳仕鵬[5]系統(tǒng)歸納爆破振動波的形成、參數(shù)及影響，對振動荷載作用下建筑物發(fā)生共振的現(xiàn)象進行理論分析，形成單、多自由度體系的振動方程；張玉成等[6]針對隧道開挖爆破施工對既有建筑物的影響，將孔狀爆破荷載等效成面荷載進行爆炸作用的模擬，使得數(shù)值分析更加簡化；董隴軍等[7]對質點振動速度、爆破振動主頻率等8個影響因子進行分析研究，建立露天采礦爆破振動對砌體結構破壞效應預測的Fisher判別模型。

鑒于此，研究礦山爆破振動對于周邊環(huán)境及人員保護具有重要意義。目前學者們針對礦山開采誘發(fā)的礦震影響研究主要包括以下2種思路：1)對建筑物簡化為僅考慮烈度因素，從而分析單次地震荷載作用下的結構力學響應；2)僅針對單個結構構件，依據(jù)實驗中試塊在頻繁振動荷載作用的累積損傷規(guī)律，得到經(jīng)驗性的結構累積損傷模型?，F(xiàn)有研究主要包括以下需要改進的內容：1)需準確描述振動波如何通過巖土體傳遞至建筑物，并給出爆破振動源與建筑物在不同間距下結構的加速度反應譜或位移反應譜；2)需加強對頻繁礦震下的結構累積損傷破壞規(guī)律的監(jiān)測，輔以理論經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬成果進行驗證和拓展分析；3)需針對不同的建筑物正常使用要求，給出頻繁礦震相應的爆破安全允許距離。

綜上所述，本文根據(jù)某鐵礦實際作業(yè)區(qū)內擬規(guī)劃建筑物的工程案例，對結構累積損傷和擬規(guī)劃建筑選址進行研究；現(xiàn)場開展振動監(jiān)測并結合修正后的撒道夫斯基公式得到振動速度等參數(shù)，依據(jù)不同類型建筑物正常使用相應的振動速度，得到單次爆破振動安全允許距離；采用ANSYS有限元建模得到頻繁爆破振動下建筑物的動力力學響應，并分析結構軟化效應和應力疲勞損傷，從而指導投資及規(guī)劃建設。

1 爆破振動下建筑物結構損傷機理

1.1 爆破振動引發(fā)建筑物共振

爆破振動破壞效應實質上是1個動態(tài)破壞過程，爆破瞬間產(chǎn)生巨大的能量并以能量波的形式沿介質向四周擴散，引起質點振動。樓房可簡化成下端為固定支座、上端為自由支座的構件桿。爆破產(chǎn)生的動力荷載-應力波傳遞形式有徑向、切向和垂向3種形式，分別引起建筑物“水平搖擺” “左右扭轉”和“上下顛簸”，如同在風荷載的作用下，建筑物產(chǎn)生“鞭梢效應”，此時建筑物頂端振動及變形最大[8]。由于建筑物結構型式和構件連接變化多樣，在復雜應力共同作用下，某些門窗洞口、樓梯間等位置可能產(chǎn)生應力集中破壞或微損傷，故不能簡化為均質的彈性體。

1.2 環(huán)境擾動引起結構二次損傷

在復雜的地質環(huán)境下，爆破產(chǎn)生的動力荷載-應力波在巖層節(jié)理或斷層帶發(fā)生發(fā)射和折射，對周邊巖層承載結構產(chǎn)生擾動，應力應變狀態(tài)變化，形成斷裂帶，甚至發(fā)生土層的“噴砂” “液化”的現(xiàn)象，或引起采空區(qū)塌陷，進而誘發(fā)礦震，對建筑物結構產(chǎn)生二次傷害。

1.3 爆破振動下結構損傷的影響因素

根據(jù)文獻[9]及試驗測試分析，得出爆破振動下建筑物結構損傷的影響因素來源主要為地質條件、爆破源及建筑物3個方面，見表1。

表1 影響因素分類及內容

2 礦爆臨近建筑物安全允許距離

北京某鐵礦廠建于1971年，采用無底柱分段崩落法，利用鑿巖臺車鉆鑿1～2排76～80 mm的扇形炮孔，裝填黏性粒狀銨油炸藥，最大起爆藥量1 780～1 920 kg/次，單響最大藥量為72 kg。礦爆作業(yè)區(qū)內規(guī)劃建設科研基地項目，總面積約2萬m2。

2.1 震動參數(shù)確定

采用NUBOX-6016型智能振動監(jiān)測儀，使用石膏作為傳感器與地表巖石之間的黏結劑，確保傳感器與地表巖石粘合固結良好，如圖1所示。在擬規(guī)劃建設區(qū)域內，測點距離爆破源位置150 m左右。測得爆破振動時間-加速度曲線，如圖2所示。

圖1 爆破振動傳感器安裝

圖2 爆破振動波的時間-加速度曲線

2.2 單次振動時建筑物安全允許距離

《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[10]中對建筑物保護的爆破振動速度安全允許標準進行劃分，見表2。

表2 爆破振動速度安全允許標準

鐵礦作業(yè)區(qū)地形復雜，且受高差、采空區(qū)等多重因素影響，為便于計算分析，假定不考慮地質及建筑物因素的作用，僅考慮爆破振動源的影響，則振動速度的撒道夫斯基公式[10]修正為式(1)：

(1)

式中：V為振動速度，mm/s；Q為炸藥量，kg；R為爆心距，m；K，α為與爆破點地形、地質等條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，取α=1.3，K=300(軟巖石)；n為與裝藥條件和爆心距有關的指數(shù)，爆心距較大時取為1/3；δ為高差影響系數(shù)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)確定，取1。根據(jù)式(1)，假定藥量Q和爆心位置不變，得出爆破振動安全允許距離r，如式(2)所示：

(2)

取可以確保不同形式和用途的建筑物正常使用的振動速度V進行計算，得到相應的爆破振動安全允許距離r，如圖3所示。

由式(2)與圖3可知，爆破振動安全允許距離r與振動速度V呈負相關，建筑物抵抗振動能力越強，允許振動速度越大，則相應爆破振動安全允許距離r越小，故建筑物抵抗振動能力的排序為：鋼混結構房屋>砌體結構房屋>新澆混凝土養(yǎng)護>建筑物內有精密科研設備使用。對于圖3所示的4種建筑物，圖3(a)～(c)均在r之外，可以正常使用，而圖3(d)在r之內，礦爆會對精密科研設備的正常使用造成一定影響?？紤]到頻繁爆破振動對建筑物正常使用的影響，建議擬規(guī)劃建設的項目應重新選址且距離爆破振動源位置200 m以上(一般居住或辦公用途)或1 km以上(精密儀器設備等用途)。

圖3 對應不同建筑形式和用途的爆破振動安全允許距離

3 長期頻繁振動作用下建筑物結構安全壽命預測

單次爆破振動對建筑物安全使用不會構成威脅，僅會對部分精密儀器的使用造成不利影響，但礦震長期作用下的結構累積損傷不可忽視[11]。建筑物結構累計損傷可以通過結構強度、剛度的退化或應變、固有頻率的變化來表征，這里采用結構固有頻率變化來求解建筑物第j個構件的損傷值dj，如式(3)所示[12]：

(3)

式中：f0為構件初始時的固有頻率，Hz；fj為構件損傷后的固有頻率，Hz。

根據(jù)建筑物各個構件的頻率變化和線性加權組合方法得到整體結構的損傷值D，如式(4)所示：

(4)

式中：f0j為第j個構件初始時的固有頻率，Hz；fij為第j個構件損傷后的固有頻率，Hz。

由此可見，通過現(xiàn)場測試得到結構固有頻率變化，求得整體損傷值D及達到容許損傷值時的振動次數(shù)N，如式(5)所示[13]：

N=12·f·t·n·y

(5)

式中：N為建筑物受疲勞次數(shù)；f為平均振動頻率，Hz；t為平均波延時間，s；n為平均每月爆破次數(shù)，次/月；y建筑物服役年限，a。

建筑物、橋梁、海上平臺和大多數(shù)金屬結構構件的疲勞失效應力循環(huán)次數(shù)N一般為104～107次，在強震作用下，建筑物在疲勞失效前應力循環(huán)次數(shù)N一般會小于104。根據(jù)經(jīng)驗測算鐵礦爆破平均振動頻率為9.03 Hz，平均波延時間為1.0 s，平均每月爆破次數(shù)為60次，考慮鐵礦爆破點最不利(最近)位置，取N為105，根據(jù)式(5)求得y約為15 a。

4 建筑物結構累計疲勞損傷數(shù)值分析

設定某三層框架結構建筑建設在該礦區(qū)爆破振動影響區(qū)域內，利用ANSYS有限元軟件進行建模分析，模型如圖4所示。建筑物高3.6 m，中跨2.1 m，邊跨7.5 m，柱截面尺寸550 mm×550 mm，承重結構采用C30混凝土，初始彈性模量為3.14×104N/mm2，初始泊松比為0.2。

圖4 建筑物模型

ANSYS建模分析中，關鍵參數(shù)和設置如下：1)結構均采用實體單元solid186；2)材料為均質線彈性，彈性模量隨振動次數(shù)增加而逐步衰減；3)鋼筋和混凝土為bond接觸，結構之間為綁定接觸；4)樓體底部固定，約束所有方向的位移和轉動；5)振動載荷根據(jù)圖2中時間-加速度曲線施加于樓體。

考慮到在頻繁的爆破振動荷載作用下，建筑物結構彈性模量、泊松比會發(fā)生變化，因此在每次輸入爆破振動波前，根據(jù)經(jīng)驗公式(6)～(9)計算N次爆破振動波作用后[14-17]的彈性模量E、泊松比ν。分別取N=5 000，10 000，15 000，20 000次時，對應的彈性模量E、泊松比ν與礦震次數(shù)的關系如圖5所示。

圖5 礦震次數(shù)與彈性模量、泊松比的關系

(6)

(7)

lgNf=-0.853 1E02+4.461 7E0-1.266 2

(8)

lgSmax=-0.002 3-0.027 5lgNf

(9)

式中：Smax為應力系數(shù)；Nf為疲勞極限次數(shù)；E0為初始彈性模量，GPa；ν0為初始泊松比。

經(jīng)數(shù)值計算分析，爆破振動次數(shù)N分別為5 000，10 000，15 000，20 000時，建筑物各部位結構位移和應力結果如圖6～9所示。礦震次數(shù)與結構力學響應的關系如圖10所示。

圖6 礦震5 000次時結構力學響應云圖

圖7 礦震10 000次時結構力學響應云圖

圖8 礦震15 000次時結構力學響應云圖

圖9 礦震20 000次時結構力學響應云圖

圖10 礦震次數(shù)與結構力學響應的關系

結合圖5～10可知，結構的彈性模量隨著礦震次數(shù)的增加而減小，泊松比隨著振動次數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，說明爆破振動會使結構出現(xiàn)“軟化”趨勢，應力與位移先增大、后緩慢減小，后迅速增大。發(fā)生此種現(xiàn)象的原因可能是過程中多次振動導致鋼筋混凝土內部結構改變，從而釋放一部分應力，當振動次數(shù)繼續(xù)增加時樓體會發(fā)生二次破壞，使得彈性模量又迅速減小，應力也會極速增加。當振動超過15 000次后鋼筋混凝土內部組織結構更加緊密，位移變小，但壓應力迅速增加，當振動次數(shù)超過20 000次時(每天振動2次，約27 a)，建筑物壓應力已超過破壞極限應力。

5 結論

1)建筑物抵抗振動能力越強，允許振動速度越大，相應爆破振動安全允許距離越小。建議擬規(guī)劃建設的項目選址需距離爆破振動源位置200 m以上(一般居住或辦公用途)或1 km以上(精密儀器設備等用途)。

2)爆破微振動會使結構出現(xiàn)“軟化”趨勢，當振動次數(shù)超過20 000次時(每天振動2次，約27 a)，結構壓應力已超過破壞極限應力。

3)設定礦山開采界限，根據(jù)建筑物實施階段的敏感性調整爆破參數(shù)，并采用改良型炸藥或改進開發(fā)方法。建設項目規(guī)劃設計階段采用先進抗震隔震技術，做好結構及基礎選型，保證施工質量。

4)做好巖土勘察工作，重點排查建設用地范圍內有無地質斷層或地下空洞存在，防止次生災害的發(fā)生。利用信息化及人工智能技術手段，做好建筑物及周邊地形地貌的實時動態(tài)監(jiān)測和險情預警，并對建筑物關鍵部位進行結構安全評估。