爆破振动参数在南水北调工程城镇控制爆破中的运用

周洪强，屈江昆，支维定

（1.黄河水电工程建设有限公司，河南郑州450000；2.中国水利水电第十工程局三分局，四川 都江堰 611830；3.三门峡黄河明珠（集团）有限公司，河南 三门峡472000）

随着爆破技术的广泛应用，各种建筑工程活动更加强烈，地质灾害危险性鉴定不仅要针对滑坡、崩塌、泥石泥、地裂缝、地面塌陷、地面沉降等现象进行定性分析，而且要利用一些相关学科的指标，及相关的计算参数来定量分析构筑物的稳定性及破坏因素。下面以南水北调工程实例为参考，在此针对爆破振动参数在城镇控制爆破及地质灾害鉴定中应用的有关问题作一些探讨。

1 工程概况

南水北调工程JL06标石方爆破区位于西邵明村西侧，与村民居住区毗邻，爆破区与民房最近距离172 m，爆破环境条件复杂。渠道开挖断面为梯形，设计底宽22 m，边坡坡比为 1∶1～1∶2，每 6～8 m 设一级马道，边坡共设 5 级马道，渠道最大挖深约34 m。爆破石方为灰岩、砂岩等岩体地质条件，从局部揭露情况观察可以看出，其为垂直层理，边坡岩体属于Ⅳ，Ⅴ类岩体，岩体较破碎，节理裂隙发育，并存在很多泥岩夹层，边坡及马道采用光面爆破一次爆破成型有很大难度。在此情况下,采用了适宜的施工爆破技术——以浅孔、深孔控制爆破为主，采用预裂爆破减震措施,边坡光面爆破方案，收到了良好的效果。同时采取了必要的安全防护措施,减小了对居民正常生活的扰乱,为工程顺利进行创造了条件。

2 不规范爆破的危害

在以往的爆破工程中，存在很多不规范爆破实例，靠近城镇的控制爆破工程，往往对城镇居民生活扰动较大；在一些地质情况复杂的地区，爆破施工对后期的围岩稳定产生了极大的破坏作用，从而导致出现很多后期的安全隐患，甚至引发地质灾害。随着国家环保规定的日趋严格以及对环境安全要求水平的不断提高，人们越来越关注广泛应用的爆破手段尤其是不规范爆破手段对周围环境及建筑物的影响，更确切地说就是关注爆破产生的振动和冲击波导致对建筑物的破坏和对周围安全生活环境的恶化影响，应运用国家相关规程鉴定被损坏的环境及建筑物。

3 爆破振动参数的确定

3.1 安全允许距离

3.1.1 爆破振动安全允许距离(R)

式中：R——爆破振动安全允许距离，m；Q——炸药用量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，kg；V——保护对象所在地质点振动的安全允许速度，cm/s；K——与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。

K，a值可根据下面的经验公式进行回归分析：

式中：r——传感器测试点与爆破点之间的距离，m；m——当药包尺寸或同段炮孔的分布范围与测点距之比小于1/10时，可以认为同段爆破药包为点药包，m=1/3，当测点距离与同段药包分散相当时m=1/2。一般K，a值与爆破区地形、地质条件和爆破自查报告相关，K值更依赖于爆破条件的变化，a值主要取决于地形，地质条件的变化，爆破临空条件好，夹制作用小，K值就小，反之 K值就大；若地形平坦，岩体完整、坚硬，a值变小，反之，破碎、软弱岩体、起伏地形，a值趋大。K值范围大部分在50～10 000之内，a值在1.3～3.0之间。参照GB6722—2003《爆破安全规程》爆破区不同岩性的K，a值见表1。

表 1爆破区不同岩性的 K，a值

3.1.2 爆破冲击波安全允许距离

地表裸露爆破量大的情况下，在非地质灾害鉴定时，还需分析地表空气中冲击波对建筑物的危害。空气冲击波超压值（ΔP，105 Pa）的计算公式如下：

在计算时，应该核算不同保护对象在不同环境所受到的空气冲击波超压值。

3.2 振动频率

房屋的振动频率是决定结构能否受到破裂危害的重要参数之一，这其中当然与房屋的结构有关，不同岩性的地基和不同房屋的结构有不同的频率，不同高度建筑物的频率也不一样。建筑物地面以上部分有放大水平方向的地面运动的趋势，响应取决于建筑物的固有频率，对 1～2层的民房来讲其固有频率为4～12 Hz，美国矿业局对46种不同房屋进行的实验结果表明，最大的放大因子(上层楼相对于地面水平的激振响应与时间相联系的系数)为2～4，与激振频率在4～12 Hz范围内产生的结构响应因子0.5倍相当。实验表明，对于一栋房子，它的方向不同，响应的程度也不一样，这是因为它们结构强度的不同。我国在GB6722-2033规程里作了明确的规定：构筑物的频率为主振频率，系指最大振幅所对应的频率；频率范围可根据类似工程或现场实测波形选择，选取频率时亦可参考下列数据：硐室爆破小20 Hz，深孔爆破 10～60 Hz，浅孔爆破40～100 Hz。

表2 爆破振动安全允许标准

3.3 振动速度

1）不同岩性地基的振动速度 (瑞典的“ 标准”)：松散的冰碛、砂、卵、粘土层，V≤1.8 cm/s；坚密的冰碛层、砂岩、软质灰岩，V≤3.5 cm/s；花岗岩、片麻岩、石灰岩、石英砂岩，V≤7 cm/s。

2）从有关资料获悉，房屋的振速在 1.27 cm/s时，一般砖混结构的民房有5%产生裂缝的可能，我国根据保护对象所在地质点峰值振动安全速度规定见表 2。

4 爆破对建筑物影响的安全距离

4.1 爆破安全监测试验参数（见表3）

表3 爆破安全监测试验参数表

4.2 监测仪器

根据GB6722-2003的规定，爆破振动控制主要以质点振动速度为主。因此，监测采用质点振动速度传感器，配接IDTS3850型爆破振动记录仪。IDTS 3850振动记录仪采用自动触发，自动记录模式，当爆破振动信号达到预先设置的触发电平时，触发控制电路启动采集，仪器将自动记录爆破地震波振动速度变化过程。然后通过记录仪的RS232接口与计算机连接，由专用软件进行数据分析处理。为保证现场观测数据的准确、可靠，对所有仪器进行了整机系统标定。具体测试系统：速度传感器→IDTS3850爆破振动记录仪→计算机专用分析软件→打印输出。

4.3 测点布置

根据爆破区周边环境条件和监测要求，重点对西邵明村民房基础进行了振动监测。现场共布置了5个振动测点，各点均布置铅垂向和水平径向2台传感器。

4.4 观测结果

2010年11月10日，结合渠道石方爆破施工进行了振动监测。爆破方式分台阶爆破和掏槽爆破两种。IDTS 3850振动记录仪设置触发电平0.031 2 V，即振速值为0.10 cm/s。在爆破前，仪器处于待机状态，当铅垂向振速或水平径向振速达到0.10 cm/s时，仪器自动启动采集，记录爆破地震波全过程。

从实测各点振动速度值和典型波形(略)可以看出：

1）爆破地震动的产生、传播受爆破规模和地形地质条件影响外，与爆破方式、破碎岩体有无抛掷空间有很大关系。掏槽爆破由于破碎岩体受周围岩体夹制作用产生的地震动能量相对较大，而台阶爆破前排无堆积，有充分抛掷空间，爆破地震动能量较小。因此，实测民房基础振速值第二次爆破测值大于第一次、第三次爆破测值。

2）爆破区为风化剥蚀高丘地貌，上部地层为黄土状壤土，下部为泥岩、石灰岩等，爆破区高程相对高于西邵明村民房，爆破后产生的地震波沿黄土地层衰减较快。实测172 m处民房基础最大振速为0.52 cm/s，300 m处民房基础最大振速为0.18 cm/s，且主振频率均大于10 Hz，这说明地震波衰减较快，速度幅值较小。

依据国家爆破安全规程，一般砖房当振动频率在10～50 Hz范围时，其爆破振动安全允许振速为2.3～2.8 cm/s；土坯房、毛石房屋当振动频率在10～50 Hz范围时，其爆破振动安全允许振速为0.7～1.2 cm/s。西邵明村居住民房为砖混结构，建造年代不同，现场实测距爆源172 m处（第一测点）的民房基础振速最大，水平径向最大振速为0.52 cm/s，铅垂向最大振速为0.33 cm/s，主频均大于10 Hz，其余4点振速值都小于第一点，均小于国家爆破安全规程的安全允许值，且具有较大的安全余度。从现场爆破试验结果来看，掏槽爆破产生的地震动相对较大，因此，建议在距离民房较近地区，进行掏槽爆破和渠道右岸爆破时，应严格控制爆破规模、最大单响药量，优化孔间、排间毫秒时差，并进行必要的爆破振动监测，以确保工程安全实施和周围环境的安全。

［1］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB6722—2003，爆破安全规程［S］.中国标准出版社，2004.

［2］GB50292—1999，民用建筑可靠性鉴定标准［S］.

［3］中国葛洲坝集团公司三峡工程施工指挥部.DLT5135—2001水利水电工程爆破施工技术规范［S］.北京：中国电力出版社，2002.