质点振动速度监测在爆破掘进工程中的应用

黄来源,周积响

（1.北京市地质研究所，北京 100011；2.江西应用技术职业学院，赣州 341000）

质点振动速度监测在爆破掘进工程中的应用

黄来源1,周积响2

（1.北京市地质研究所，北京 100011；2.江西应用技术职业学院，赣州 341000）

工程爆破施工过程中如何控制其对周围建筑物、正在施工项目和处于养护龄期内的混凝土结构的影响一直是爆破施工中的实际问题，直接关系爆破施工的单响药量和施工进度。隧道爆破掘进施工中为了追求施工进度，往往在爆破方案中使用较大的单响装药量，从而忽略了大药量爆破产生的冲击波效应对隧道岩壁、已有结构的破坏，本文简单介绍了施工前或施工中，进行质点振动速度监测的实际应用。

爆破；质点振动速度；单响药量；建筑物；监测

0 引言

随着国民经济建设迅猛发展，国家范围内的道路、能源基础设施建设迎来了新一轮高潮，而我国地形地貌多样，很多大的工程项目都涉及在山区施工（如山区公路的隧道施工、大型水利设施施工），工程爆破无疑成为隧道掘进及岩土体开挖施工中既快又省的施工方法。然而工程爆破又因其巨大的冲击波会对周围不稳定斜坡、已有的建筑物、正在施工项目和处于养护龄期内的混凝土结构造成破坏。如何评估这种破坏作用进而指导确定有效减震措施呢？现阶段评估工程爆破的破坏作用主要采取在爆破影响范围内的目标体上监测质点振动速度的措施。

岩土工程中爆破引起的地震危及周围建筑物、构筑物和附近村庄民房的安全，特别是在药室大爆破时，由于总装药量与最大一段药量都比较大，所产生的爆破地震振速也大，爆破振动对周围环境的破坏效应也大，更值得重视和认真对待。

爆破施工中的地震波在岩土介质中的传播和衰减规律，到目前为止，还没有一个统一的力学模型可以全面描述它的本质。因而，所有的数值计算结果与实测资料之间常出现较大差异。为此，进行理论与实践的探讨求出新的公式是十分必要的；但在目前情况下，选择现有经验公式，认真试验求取有关的参数值，从而求得更为逼近真实的结果，是一个较为可行的途径。如在工程中，采用萨道夫斯基经验公式，认真选择求取有关参数，求出单响最大药量Q后，使待保护地点R处的质点振动速度控制在《爆破安全规程》(GB6722-2003)规定的安全振速范围内，从而使爆破地震的影响减小到规程允许的程度。

通过在爆破掘进施工前在爆区进行3次以上试验爆破，在已知爆破最大单响药量Q和爆破安全距离R的情况下，采用质点振动记录仪置于爆点外R处的传感器记录下质点最大振速v，用最小二乘法原理进行线性回归求得萨道夫斯基公式中的k和α值，k、α为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，从而指导以后的爆破方案制定，确定在距离保护地点一定距离R处的最大单响装药量Q；再有就是通过质点振动记录仪直接监测爆破掘进施工中保护对象所在地质点最大振动速度，实时监测爆破对待保护对象的破坏影响，如质点振动速度超过国家规定的安全上限，立即停止爆破施工，调整爆破设计方案中的单响药量Q和安全距离R后再进行施工。

1 测试原理及使用仪器

测试原理是利用人工爆破激发地震波或振动机械产生振动波,通过传感器（探头）接收地震波在地层中的反射波并记录。

IDTS-3850振动记录仪共有四个通道，可同时记录垂直、水平方向的质点震速，主要用于对地震波、机械振动和各种冲击信号进行记录、数据分析、结果输出、显示打印、数据存储。 它直接与压力、速度、加速度等各种传感器相连，并将模拟电压量转换为数字量进行存储，经自身的串行口和笔记本电脑（或台式电脑）通讯，由计算机进行波形显示、谱图显示、波形的各种特征参数及测试结果的表格显示、存盘和打印等。IDTS-3850振动记录仪、系统连接及谱图显示见图1、图2、图3。

图1 IDTS3850振动记录仪

图2 系统连接图

图3 振动波形显示

2 监测目的

现场进行试爆阶段的振动监测，通过监测和爆破振动速度数据分析，给出确定爆破参数的依据（单响装药量），采取有效减震措施（爆破方案调整、预裂爆破）。

（1）通过3次以上的爆破试验（给定单响装药量Q和安全距离R），根据萨道夫斯基公式，采用最小二乘法进行线形回归可得出指导爆破施工的参数k、α，从而修正爆破设计方案。

（2）直接实时监测待保护目标体最大质点振动速度，是否已达到规定目标体的破坏的最大速度值，指导后续爆破方案调整。

（3）测试方法

方法1：

试爆阶段，已知装药量Q，实际测量出爆区与监测目标体之间的距离R，开始爆破试验，通过质点振动记录仪测得质点振速峰值，进行n（n＞=3）次试验，通过萨道夫斯基爆破振动公式v= k采用最小二乘法进行线形回归得到反映爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数k和衰减指数α值，指导未来施工装药量及爆区相对于目标体的距离，甚至调整爆破方案。

方法2：

直接将质点振动记录仪固定于监测目标体上，开始爆破试验，记录、取数、数据分析。确定目标体是否达到国家规定的质点振速上限。

3 工程实例

（1）概况

某抽水蓄能水电站位于河北省，地下主厂房跨度30m，高度50m。该区岩性为安山岩，普氏系数f=10～12。该厂房内两侧拱肩处有100m长紧贴于洞壁的钢筋混凝土吊车梁，即位于拱顶与垂直洞壁的交接处，由于采用分层爆破挖方施工，在爆破拱顶与垂直岩壁交界处的水平岩层时，吊车梁距爆破区域最近距离仅为7m，在爆破与吊车梁高程位置相当的水平岩层时必须严格控制单响装药量，以便控制吊车梁的质点振动速度（质点峰值振速随单响装药量的增加而增大）。

（2）现场测试

首先选择好被测试点，测试点要选在新鲜的岩石面上，选的岩石面尽量要水平，以便安放传感器，将两个垂直传感器垂直放置，两个水平传感器一个朝向爆心，一个切向布置。然后用快结石膏将其固结在选好的岩面上。再将4个传感器与爆破振动纪录仪连接好，调好各项采集参数包括量程和灵敏度，等待记录。

（3）成果分析

通过IDTS 3850振动分析软件对现场采集的数据进行计算、波形分析，用计算机绘制出爆破振动波形图，在此基础上，采用萨道夫斯基爆破振动公式进行二元回归分析，用最小二乘法原理进行线性回归求得萨道夫斯基公式中的k和α值。

式中：v 质点震速，cm/s;

Q 最大单响爆破药量，kg;

R 测试点距爆破点的距离，m;

K、α 与岩层性质有关的系数。

实际进行了若干次爆破试验，由于如传感器与岩体脱落、干扰冲击波叠加等原因，剔除了一些异常数据，以下为较真实的三次试爆相关参数及对应监测点最大质点振速如下：

表1 爆破参数表

2 1.0 12 1.0226 3 1.5 10 3.5063

（4）结论

①k =137

②α=1.72

4 结语

(1) 本次由于施工原因试爆次数较少，采集数据存在局限性，而且洞室爆破施工中岩性、地形影响参数k和衰减系数α等通过最小二乘法的线形回归结果差异较大，本次回归结果是在剔除若干异常数据后精简出来的，与实际经验数据较为符合（见图4）。

图4 线性回归成果

(2)爆破振动冲击波的能量大小及传播与爆区岩性、地质构造、地形地貌、爆破装药量等因素有关，要控制冲击波对周边的破坏影响，特别要严格控制最大单响装药量和爆源位置。

(3)采用合理的装药结构，如在药室爆破中，采用条形分集药包、较大的空腔比和间隔装药，可控制爆破振动冲击波能量的大小。

(4)采用微差爆破，可以避免爆破冲击波传播中的能量叠加，减小爆破冲击波振动破坏的影响。在总装药量和其他爆破条件相同情况下，微差爆破能使质点振动速度较齐发爆破平均降低40%～60%。

(5)在一定条件下，可先通过降低单响装药量进行预裂爆破，形成隔离槽或者人为构造面的办法来阻止爆破冲击波向保护区方向传播，减小爆破的影响，效果很好。

[1] GB6722-2003.《爆破安全规程》.北京:中国标准出版社，2004.

[2]孟吉复, 惠鸿斌.《爆破测试技术》.北京:冶金工业出版社,1990.

[3]张雪亮, 黄树棠.《爆破地震效应》.北京:地震出版社,1980.

The Application of the Particle Vibration Velocity Monitoring in Blasting Tunnel Engineering

HUANG Laiyuan1, ZHOU Jixiang2

(1.Beijing Institute of Geology, Beijing 100011; 2. Jiangxi College of Applied Technology, Ganzhou 341000)

During blast engineering, it s always an actual problem of how to decrease the influence of blasting to the surrounding buildings and curing concrete structure project. It s related to the constructing speed. In order to guarantee the time limit for a tunnel engineering project, workers generally use large single blasting volume in single blasting that neglects an effect of the output impact to tunnel cliff. Large volume explosive will cause the structural breakage. This paper introduces the actual application of the particle vibration velocity monitoring in pre-or-during the constructing period.

Blasting；Particle vibration velocity；Single blasting volume；Buildings；Monitoring

P631.4+25

A

1007-1903(2011)01-0060-04

黄来源（1978- ）,男，工程师,主要研究方向为：地质灾害的勘察防治、监测预警；岩土工程及测绘工程；工程物探应用。Email: huangly78@126.com