中深孔爆破震动效应对邻近建筑物的影响与安全控制

2011-11-15李是良邱进芬李必红吴克刚任才清

采矿技术 2011年5期

关键词：微差居民楼药量

李是良,邱进芬,李必红,吴克刚,任才清

(国防科技大学指挥军官基础教育学院, 湖南长沙 410073)

中深孔爆破震动效应对邻近建筑物的影响与安全控制

李是良,邱进芬,李必红,吴克刚,任才清

(国防科技大学指挥军官基础教育学院, 湖南长沙 410073)

以冷水江市一土石方爆破工程为例,介绍了施工过程中预防和控制爆破地震的技术措施,通过计算控制与监测校正,动态调整装药参数,严格控制单孔药量,并采取微差爆破、开挖减震孔及优选最小抵抗线方向等措施,有效降低了爆破震动效应的危害,确保了周围建筑及人员的安全,使石方工程提前顺利完工。

中深孔爆破;爆破地震效应;微差爆破;减震孔;安全控制

0 引言

爆破技术是国民经济建设中的一项重要工程技术,发挥着越来越重要的作用。它能够大大加快土木工程建设的速度、节省施工成本,具有明显的经济效益。但由于爆破施工环境 (地质和周围居民)的复杂性及理论的不成熟性,爆破引起的路堑边坡失稳、滑坡、建筑结构受损等灾害性事故时有发生。特别是爆破地震效应对周围建筑物造成的破坏现象,因其普遍性、难控制性易引起民事纠纷,受到社会和政府的普遍关注[1,2]。

爆破地震效应是由炸药的一小部分能量转换为地震波引起的。爆破震动具有震动幅值大、频率高、衰减快和持续时间短等特点,其强度和破坏效应随着爆心距的增加而减弱。爆破震动的发生与传播虽然时间很短,但如果控制措施不当,仍会使爆破区附近的建 (构)筑物产生颠簸、摇晃、开裂、倒塌等破坏效应[3,4]。因此,必须加强对爆破地震效应的检测和控制,尽量减小爆破震动的危害,确保爆破区周围人民群众的生命财产安全。本文以某爆破工程为案例,介绍其爆破施工方案的防震与减震措施。

1 工程概况

冷水江市城东生态移民安置一期土石方爆破工程,位于冷水江市生态园区道路工程站前西路一标段桃树山。施工区域周围建筑物布局如图1所示。施工区域临近师范学校教学楼、大建煤矿家属住宅楼和城市街道,最近距离不足 10 m,现场环境复杂,地形落差大,场地极不平整,爆破岩体岩性主要为煤层页岩,硬度较大,抗压强度大约 60 MPa,属于次坚石。附近居民对爆破振动、爆破飞石及炮烟等爆破危害的反映强烈,一度严重阻碍施工的正常进行。

图1 施工区域周围建筑物布局

2 爆破施工防震与减震措施

2.1 严格控制单孔药量

研究表明,爆破震动强度与炸药量密切相关[5]。根据《爆破安全规程》(GB6722-2003),确定周围建筑所允许的爆破地震安全峰值为 2～3.0 cm/s,并结合内部装药、松动微差控制爆破的特点,由萨道夫斯基经验公式得到离爆源不同距离 R处起爆的最大药量为:

式中:vmax——最大爆破振动速度;

Qmax——最大单段起爆装药量;

R——爆点中心至被保护目标的距离;

a——地震波衰减指数;

K——爆破方式、距离、地质条件有关的系数。

K、a值按表1选取[6]。

表1 不同类型岩石的 K、a值

根据计算、测振与试爆结果,校正 K值和 a值,得出动态变化单孔装药量、分区域严格控制药量等结论。在距离居民楼或师范教学楼 30 m范围内,单孔药量严格控制在 5 kg以下;30～50 m范围内,单孔药量控制在 12～16 kg;50 m范围以外,单孔药量控制在 30 kg以下。

在实际施工过程中,要合理确定钻孔深度、灵活布置孔网参数,在距离居民楼或师范教学楼 50 m范围内,降低台阶爆破高度 (即控制孔深),同时调整孔距 (a)和排距(b),使单孔药量严格控制在允许的范围内。

2.2 采用微差爆破技术

国内爆破行业采用微差起爆技术降震已有多年历史,积累了许多成功经验,如大区微差爆破技术、等间隔微差爆破技术、孔内微差爆破技术等[7]。试验结果表明,在总装药量及其他条件相同的情况下,微差爆破比齐发爆破的振动速度可降低 40%～60%[8]。

微差爆破时间间隔应使各段别爆破地震波主震相不叠加,且时间间隔越大,减震效果越好。微差间隔时间可按式 (2)计算:

式中:△t——微差间隔时间,ms;

W1——台阶底盘抵抗线,m;

Kp——岩石裂隙系数,裂隙少的岩石,Kp=0.5;

f——岩石坚固性系数。

本工程中,综合考虑爆破区岩石地质类型及周围居民建筑结构特点,认为最佳微差爆破时间间隔最好大于 100 ms[9]。

本项目施工过程中,为满足地震波既不叠加又可一次多爆破方量,还要确保爆破网络绝对安全的要求,设计采用Ms-5段 (110 ms)导爆管雷管和 Hs-8段 (3500 ms)导爆管雷管微差爆破,单次可爆破超过 2000 m3的石方。

2.3 预先开设减震孔

截断地震波的传播路径也可以实现有效减震,通常在爆破源和被保护建筑物之间开挖一条一定深度和宽度的堑沟,其深度要超过被保护建筑物地基的深度。在爆源和被保护建筑物之间产生孔隙面,可作为阻挡爆破地震波的一道屏障,当地震波的传播到达此界面时,将发生反射,从而降低爆破震动的强度[10]。

由于本工程地质岩石属于硬度较大的煤层页岩,因此挖机机械开挖困难;且因为距离居民楼较近,预裂爆破时几十个炮孔同响所带来的震动效应较大,对建筑物有一定危害,因此,实际施工过程中采取钻减震孔的方案,如图2所示。在距离居民楼外围墙 10 m处垂直地面钻一排减震孔,孔径 130 mm,孔深 10 m(低于居民楼地基),孔距 30 cm,成直线排列。师范教学楼与爆破施工区之间原有一条宽约 7 m、深至地基的开挖沟,可利用其作为减震沟。

图2 减震孔布局

2.4 优选最小抵抗线方向

根据最小抵抗线原理,在最小抵抗线平行方向上,介质质点受到的约束最小,岩石中容易生成裂缝,压缩应力波能够最先到达并且发生反射,使岩石介质裂缝增多,最终破裂成碎块;爆炸气体易于冲进最小抵抗线方向的岩石裂缝并最终推动碎石块沿着最小抵抗线方向抛出。因此,在最小抵抗线方向上,炸药爆炸剩余的能量大部分形成空气冲击波,少量转化为地震波,地震强度最弱;最小抵抗线相反方向爆破震动强度最大,两侧居中[11]。

本工程施工过程中,从减震和控制飞石危害综合考虑,使被保护建筑物位于最小抵抗线的两侧位置上,如图3所示。在靠近居民楼一侧,串联网络炮孔一般分 2排,按炮孔编号从小到大的顺序依次起爆。前后 2排炮孔的最小抵抗线方向均朝向马路,这样就使居民楼处于最小抵抗线方向的两侧,尽量减小居民楼处的爆破震动强度。

图3 炮孔分布

3 结果与讨论

采用上述减震措施后,爆破地震效应带来的危害明显降低,实测震动数据见表2。其中测点 1和测点 2是用来测试同一次爆破的振动数据,爆源位于靠近师范教学楼 30 m处,两测点分别位于师范教学楼和居民楼地基处,如图1所示;测点 3、4、5、6的位置如图3所示,测试同一次爆破的振动数据,测点3、4分别位于减震孔两侧距爆源相同距离处,两点连线与减震孔连线基本垂直;测点 5与测点 6的布局类似于测点 3和测点 4的布局。

表2中数据显示,1、2两测点处的垂直振动速度都小于 1.5 cm/s,水平振动速度均小于 0.2 cm/s,且都随着距爆源距离的增大而减小。结果表明,通过采取综合减震措施,爆破震动效应明显减弱。