土石方爆破工程振动对人体舒适度影响的评估及运用

马浩原　张智宇

摘要：根据目前的国内外爆破振动对人体影响的标准以及时域滤波器技术，结合云南省蒙自绕城高速公路雷公哨段爆破开挖工程案例，确立了一个有效的爆破振动舒适性评价方法，并对该案例评价过程和评价结果做了阐述与验证。其结果表明，现实状况与这种评价方法所得到的结论是相一致的；同时从结论中我们还看到，即便是一次很小的、不能够导致损伤建筑物的爆破振动，居民也会有抱怨、甚至投诉。因此，在爆破施工时，在保证施工安全，正常的情况下要充分以舒适性研究的有关成果及观点为依据，尽量减少现场施工对周边居民的不利影响，从而避免矛盾冲突的产生。

Abstract： According to the current domestic and international standards of blasting vibration's impact on human and time domain filter technology， combined with blasting excavation engineering cases of Yunnan Mengzi city highway Tripterygium wilfordii section， established an effective evaluation method forv blasting vibration comfortablity and made elaborate and verification about this case's evaluation process and evaluation results. The result shows that the reality is consistent with the conclusion of this evaluating method； and we also see from the conclusion， though a little， with no damage to building blasting vibration can lead to residents' grumble， and even complain. The result shows that the reality is consistent with the conclusion of this evaluating method； and we also see from the conclusion， though a little， with no damage to building blasting vibration can lead to residents' grumble， and even complain. Therefore， when blasting construction， under ensuring construction safety and normal circumstance，we should fully based on related results and opinions of comfortablity studies， minimize site construction's adverse effect on surrounded residents， thereby avoiding contradiction and conflict.

关键词：舒适性；爆破；振动响应；振动剂量；评价

Key words： comfortablity；blast；vibration response；vibration dose；evaluation

中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）06-0195-03

0 引言

当前在村庄附近进行土石方爆破时，往往只关注爆破形成的地质振动对施工现场周边建筑物的不利影响，却忽略了爆破振动对人体造成的潜在危害。虽然根据目前的科研分析资料[1]，并未明确指出爆破振动会对人体造成直接的健康危害，但从广义健康学角度来看，爆破振动会影响和干扰施工现场附近居民正常的工作、学习与生活，引发居民的不适并有可能因此而导致投诉或冲突。

爆破振动的舒适性研究是一项综合性的科研课题，其中包含了爆炸力学、统计学、结构学、信息学、生物动力学等众多学科的有关知识，是人体在自然状态下对爆破地震效应舒适程度所做出的分析与评估。在爆破施工时，要充分以舒适性研究的有关成果及观点为依据，尽量减少现场施工对周边居民的不利影响，从而避免矛盾冲突的产生，为工程的顺利开展创造良好的群众基础。因此，科学、合理的舒适性评估机制是必不可少的。现结合云南省蒙自绕城高速公路雷公哨段爆破开挖工程案例，介绍一种爆破振动舒适性的评估方法。

1 评估方法

基于国内外现有的振动程度对人体舒适度的影响标准可知，目前大多数的舒适度评价标准仅仅体现的是机械振动对人体舒适度的影响作用，其余类型的评估标准和方法都是建立在这种评估基础之上。通常情况下，振动舒适度的评估步骤具体如下：

①确定人体生理坐标轴，并将实测的信号在生理坐标轴上表示出来；

②将实测的震动加速度信号经目标滤波器得到相应生理坐标上的震动计权加速度函数aw；

③利用计权函数得出相应的剂量，得出结论。下文就对每一个评估步骤做出进一步说明。

1.1 确定生理坐标

人体感官的特殊性决定了生理坐标会随着其姿势的变动而变动，也就是说，在不同的生理坐标下，同一振动对人体的影响作用存在客观差异，人体对振动强度的感知并不是一成不变的，因此，在进行振动舒适度评估时，首先就要确定具体的姿势条件[3]。图1展示的是人体最常见的3种姿势相应的生理坐标系，其中人体感知振动的具体部位将作为坐标原点。本课题具体研究了站立姿势下，爆破振动对人体的影响作用。对于其他姿势的评价过程只是在计权轴的上存在差异，计算过程相同。

1.2 选择适合的滤波器

以国际通用的人体对振动的响应标准（ISO—2631、BS—6841）为基础，采用不同的频率计权函数来表征人体对不同频率振动信号感受的差异。因此，在进行表征时，必须对实际探测的原始信号进行滤波，根据信号频率分解到相应的生理坐标轴中。在进行原始信号的计权处理时，通常采取国际标准中[2-6]推荐使用整体频率计权曲线和1/3倍带宽频率计权等频域滤波计权方式，但是用这种方法进行处理时，需要将实测的时域振动信号转化为频域信号，这就加大了处理过程的难度。为解决这一问题，本文特采取时域数字滤波器技术对原始信号进行处理，滤波表达式如下[7]：

式中：a（t）表示实测信号；aw（t）表示频率计权后的振动信号；ak、bj均为滤波系数；M为滤波器系统传递函数的零点数，取值为2；N为系统传递函数的极点数，取值为2。系统内传递函数可表示为[7]：

需要注意的是，滤波系数ak、bj会由于滤波器类型的不同而有所区别，在进行具体处理时要根据滤波器的类型进行选择和确定，相关系数如表1所示。

表1中的A、B、C、D分别表示将频率滤波器中的滤波频率曲变后的形式，可统一表示为φi=tan（fcπ/fs）。式中：φi表示参数A、B、C、D；fc表示各个滤波器的中心频率，其中，fcA、fcB、fcC、fcD分别取值0.7943、100、5.684、5.68；fs表示采样频率。

1.3 评价标准

振动对人体的影响程度通常有以下三种评估标准[2]：加速度均方根权值：awrms，m/s2。振动剂量VDV，m/s1.75，估计振动剂量eVDV，m/s1.75。三种指标分别按如下公式计算：

式中：awrms、VDV、eVDV分别表示加速度均方根权值、振动剂量和估计振动剂量；aw（t）表示实测振动信号加速度计权时程函数；T为振动持续时间。

爆破所引发的振动并不是由单一方向进行传播的，而是从空间的三个方向同时进行。因此在进行舒适性评估时要全面分析所有方向的震动效应，并将其具体影响效果折算到Z轴上统一评估，相关的折算表达式如下[4，5]：

式中：awrmsx，awrmsy，awrmsz，VDVX，VDVy，VDVz，eVDVX，eVDVy和eVDVz分别为X轴、Y轴和Z轴的计权均方根加速度、振动剂量和估算振动剂量；awrms为折算的总计权均方根加速度，VDV为折算的总振动剂量，eVDV为折算的总估计振动剂量；系数1.4是在人体最敏感的频率范围内相同响应的垂向与纵、横向曲线之比。

基于我国环境标准[5]的相关规定，在普通居民区中，白天允许的振动加速度最高不得超过70dB（0.00316m/s2），夜间限值为67dB（0.00224m/s2）。当通过振动加速度均方根方法得出的振动结果已经超出上述规定限值时，要结合振动剂量VDV进行修正评估，并具体以ISO10137[6]的有关标准确定具体的影响程度并对居民投诉发生的可能性进行评估分析：0.2～0.4（投诉的可能性小）；0.4～0.8（投诉的可能性适中）；0.8～1.6（投诉的可能性大）。

2 工程背景及其运用

云南省蒙自绕城高速公路雷公哨段爆破开挖工程周围环境较复杂，距村庄直线距离较近，根据《爆破安全规程》（GB6722—2003）相关规定，此振动速度不足以对当地居民建筑（全部是二层砖混结构）造成破坏（破坏振速≥ 2cm/s）。根据当地居民的反映及投诉情况判断，认为此案例应属于爆破振动舒适性而非安全问题的范畴，现对此结论做出验证。

现场数据采集使用TC-4850振动监测记录仪，采样频率设置为8kHz，分别选取3个点布置传感器采样（1号点：距爆区150m的居民房地板上；2号点：距爆区300m居民房2楼房顶上；3号点：距离爆区400m的居民房地板上），同时对测点三个方向（垂直方向CH1、水平径向CH2和水平切向CH3）的振动情况进行监测。本工程振动信号的滤波参数如表2所示。

对于不同姿势不同身体部位的振动舒适性评判一般都是通过三重滤波器（Hh、Hl、Ht）对实测信号进行频率计权，只是在滤波顺序上存在差异[2]，由于测量时人们都处于站姿，所以表中只给出了站立姿势下的舒适度计算参数，其计权原理参照式（2）。根据公式（3～8）分别得到人体对实测振动响应舒适性的评价剂量具体参数如表3所示。

由表3可见站立姿势所感受的振动加速度超过了我国规定的舒适振动加速度限值，需进一步据振动剂量判定振动信号的舒适性情况。根据表3显示，站立姿势下的综合振动剂量基本都介于0.2～0.4范围内，被投诉的可能性较小，只有距离爆区较近的测点1处的综合振动剂量在0.6～1.6之间，有被投诉的可能性。

3 结论

由上述案例可见，由于每个人受教育情况不同以及自身多方面情况的因素影响，一些很小的爆破振动都会引起居民的恐慌和投诉。目前，爆破振动影响的评判基本是参照机械振动的舒适性标准，我们很难给出一个定量的评判标准适用于不同的人群，整个评判过程应该是科学理论和现场调查的结合。目前这一邻域的研究还是刚刚起步，接下来还需要做大量的调查研究和大胆的尝试。

参考文献：

[1]宋志刚，白羽，金伟良.爆破作业对临近建筑物振动舒适性的影响分析[J].振动与冲击，2010，29（9）：129-133.

[2]ISO2631：Mechanical vibration and shock—Evaluation of human exposure to whole-body vibration[S].Pa-rt1： General Requirements， 1997 and Part 2： Vibration in buildings （1 Hz to 80 Hz），2003， International Orga-nization for Standardization （ISO）， Geneva.

[3]BS 6841：Guide to measurement and evaluation of human exposure to whole-body mechanical vibration and repeated shock[S]. British Standards Institution， London，1987.

[4]Griffin， M.J. Handbook of Human Vibration[S]. London： Academic Press. 1994.

[5]中华人民共和国国家标准，城市区域环境振动标准 GB10070[S].1989.

[6]ISO10137： Bases for design of structures-Serviceability of buildings and walkways against vibrations[S]， 2007.

[7]Andrew N. RIMELL，Neil J. MANSFIELD. Design of Digital Filters for Frequency Weightings Required for Risk Assessments of Workers Exposed to Vibration. Industrial Health 2007， 45：512-519.