爆破振动监测传感器固定方法研究

孔祥雷，费鸿禄，王喜刚，张淑坤 ，张小朋

(1.辽宁科技学院资源与土木工程学院，辽宁 本溪 117004；2.辽宁工程技术大学爆破技术研究院，土木工程学院，辽宁 阜新 123000)

随着爆破技术应用越来越广泛，爆破危害也越来越受到人们的关注和重视。其中爆破振动危害是热点之一，发生在很多爆破工程中的“工民互扰”问题都与爆破振动有关，振动导致房屋建筑裂隙、边坡滑塌、设备损坏、人畜惊吓等，都是比较常见的诉求现象。针对爆破振动问题，《爆破安全规程》GB 6722-2014[1]和《水电水利工程爆破施工技术规范》DL/T 5135-2013[2]等都专门提出了对环境及保护对象振动强度控制的标准。利用测振仪对爆破振动进行现场监测，是获取爆破振动强度最科学、直接、有效的方法，而可靠固定振动传感器是爆破振动监测的关键步骤，直接影响采集振动数据的精确性和评价结论的准确性。但是，这也是一个最容易被忽视的细节，因为一般固定传感器操作简单，没有技术难度，所以缺乏足够的重视。当面对如在覆土、浮石、坡面等复杂的现场情况时，布点安放传感器监测人员往往又束手无策，加之缺乏有效的现场监督，往往在这一环节容易敷衍了事。这是目前爆破振动监测的薄弱环节，在不同的监测环境条件下，尚无有针对性的固定传感器的有效方法、具体操作要求以及质量验收标准。

本文在分析当前爆破振动监测固定振动传感器的方法基础上，提出了在非理想条件下固定传感器的新方法，为类似爆破振动监测提供参考。

1 固定传感器的基本方法

1.1 传感器固定的要求

传感器是监测振动信号的关键部件，为了保证所采集振动信号的精度，传感器必须与测点表面牢固地结合在一起，确保传感器与被测体同步振动[3]。测点应选择与基础(基岩)为一体的坚固测点，避免选择浮点(如松动的砖)、空鼓点(下方为空区)、悬空点(如铁轨等)等，测点表面尽量平整、干净；如遇非平面、覆土、浮石、基础软弱、积水等情况，要采取针对性措施来可靠固定传感器，例如一些长期测点用混凝土砌筑永久性安装平台。固定完传感器后，还要对传感器、测振仪进行必要的防护，避免意外触碰、触发和干扰。

1.2 传感器固定方法

爆破振动监测现场的条件往往复杂多变，根据测点介质情况大体可分为理想测点和非理想测点，把表面平整坚固的测点如建筑基础、设备基础、室内地面、路面等，通过简单粘贴即可固定传感器的称为理想测点；把松软、粗糙、带有坡面、不连续的如草坪、耕地、山地、矿山采场、斜坡道、巷道、廊道、大坝等，不能直接或不便于安放固定传感器的称为非理想测点。根据测点监测次数又可分为固定测点和临时测点，固定测点一旦选定后，位置固定不变，其监测的周期长、次数多，多在矿山、水利水电等工程中使用；临时测点多在现场临时指定，位置不固定，监测次数少，根据爆破情况随变随撤，如在拆除爆破、隧道爆破、路堑桥基爆破、场平爆破等工程中的振动监测，涉及范围广，现场情况也更复杂。本文主要讨论临时、非理想测点传感器的固定方法。

1.2.1 理想条件下固定方法

理想测点固定传感器的方法通常采用粘贴法，根据气候条件可以分2 种，一种采用石膏固定[4]，适合糙面、潮湿、带有微小坡度，尤其是气温较高的情况，不适用于较低温度情况，如北方冬季零度以下；一种采用黄甘油直接粘贴，适合低温、平整的测点情况，不适于高温天气下使用。以上方法具有可靠、简便、快捷、成本低等特点，为监测人员广泛使用[5-7]，是比较基本的方法。除此之外，也有其他粘贴方法，如用AB胶等粘贴固定。

1.2.2 非理想条件下固定方法

目前在非理想条件下，现有的一些方法具有很大的局限性和不稳定性，没有可靠的固定传感器方法。

非理想爆破振动监测条件大体可分为两类，一类是软、散基条件，比较常见的有土壤、草坪、覆土层、碎石路面等；一类是坡面条件，常见的有混凝土斜坡面、矿山边坡岩石、隧(巷)道周壁等。对于软基条件下固定传感器是最难的，甚至是不可能的，有些监测人员使用测振仪厂家配带的圆锥用螺丝拧在传感器上，然后再将圆锥扎入土壤中(见图1)，也有采用较长的钢筋代替圆锥，这些方法虽然安装方便，但在连续振动状态下容易松动或产生自由振动，难以保证数据的真实性。对于隧(巷)道侧壁或顶壁的情况，可采用类似图2所示的夹具固定传感器，其他坡面情况下尚无简便可靠的方法。

因此，在现有的监测技术、条件下，亟需一种可靠、简便、快捷的固定方法来解决现场固定传感器这一细节问题。

图1 单脚锥固定传感器Fig.1 Single foot cone fixed sensor

图2 固定传感器的夹具Fig.2 Fixture for fixed sensor

2 非理想条件固定传感器的新方法

2.1 三角台法

三角台法也可以称为三角锥法，叫法有两种含义，一是用三根锥脚；二是三根锥脚及其延长线在空间上近似为三角锥形，这样以最简单的结构和对土壤最小的扰动，满足了三维空间的稳定与耦合要求。

2.1.1 组成及原理

三角台在结构上由四部分组成[8](见图3),第1 部分是基板，用于粘贴传感器，基板上有水准泡、指南针和螺丝卡座，分别用于确定水平度、方向和卡紧固定随变桩管；第2 部分是随变桩管，由不同长度的钢管用螺纹接续而成，长度随实际的土壤厚度决定，可长可短，其一端与基板相接，另一端用强力贯入土体中，用于支撑固定基板；第3 部分为圆锥形锥头，安装于桩管端部，主要是挤压，利于楔入土壤；第4 部分为保护盖帽，作用是套在桩管端部，在锤击时保护柱节内螺纹。根据三角稳定原理，并借助锥脚与介质的摩擦力，利用3 根可接续变长的桩管，以一定的外展角度钉入土壤中直至持力层，上部和基板固定组成微型平台，这样在空间上形成一个稳定的三角台体，然后在平台上安放传感器；而常见的固定方式(如单脚锥法，即用一个约8 cm长的圆锥通过螺纹固定在传感器底部，然后扎入土壤中)，长度上达不到基岩(或持力层)，横向上依靠土体也难以提供可靠的约束(见图4)。

图3 三角台法实物Fig.3 Triangular pyramid platform object

图4 三角台法原理及对比 Fig.4 Principle of triangular pyramid platform method and comparison

2.1.2 操作步骤

先准备好相关部件材料，包括锥头、桩管、基板、黄油、扳手、锤子等，然后进行关键步骤的操作。

1)打探杆。取1 根桩管，下端拧紧锥头，上端安上保护盖帽，穿过基板上的1 个固定孔，以3°～ 4°的外倾角用锤子向土壤中楔入，直至土壤底部持力层(以不下沉、不晃动为准)，期间可根据桩管楔入情况续接长、短桩管，以安装好基板后上端富余1 cm左右为宜，通过此步骤可探明测点的软土壤薄厚松软等情况。

2)根据探杆探知的情况，通过另外2 个固定孔继续向土壤中楔入桩管，方法同上步骤，此时3 根桩管在空间上近似为三角锥形。

3)调平与固定。根据水准泡的指示，将基板调至水平，然后用扳手依次紧固基板上的固定螺丝，此时安放振动传感器的三角台即已完成。

4)用粘贴法固定传感器。根据指北针的指示或爆区方向，用黄油或石膏将传感器粘贴在三角平台上。

在安装的过程中，应注意尽量减少对测点土壤的扰动，三角台完成后也应避免外力扰动。

2.1.3 适用环境

一般来讲，三角台法可以用在松软、松散的介质上固定传感器，比较常见的如城乡土路、土堤、大地、草坪，矿山的覆土路、碎石路以及各种施工工地等。三角台法2种比较典型的应用如图5～图6所示。

图5 三角台法在郊区使用Fig.5 Triangular pyramid platform method applying in suburbs

图6 三角台法在矿山使用Fig.6 Triangular pyramid platform method applying in mines

2.1.4 效果分析

为了验证三角台法的可靠性，进行粘贴法、三角台法和单脚锥法对比振动模拟监测试验，测试采用相同厂家相同型号的测振仪和传感器，设置相同的采集参数,其中触发电平为0.100 cm/s，模式为内触发，采样率4 K，采样延时-100 ms，与振源的距离相等，x、y、z轴指向相同，测试地点在铁路路基下方，模拟振源为运行通过的列车产生的振动。当列车通过时，3 台测振仪同时触发，同时采集记录相同的振动信号(见图7)。

图7 三种监测方法对比Fig.7 Comparative of three monitoring methods

以粘贴法为参照标准，对所采集的振动数据进行初步分析，其中三角台法和粘贴法测得的峰值振速和主频基本相同，单脚锥法测得的数据和粘贴法相比，其峰值振速和主频则有一定的偏差(见表1)。对比3 种方法所测得的波形，在持续近10 s的监测时长内，三角台法和粘贴法测得的波形更清晰，两组波形基本一致，振速峰值点出现的时刻和位置相同，都在3.08 s时刻出现波峰(见图8～图9)；用单脚锥法测得的波形则比较模糊杂乱，主要的波峰、波谷出现的时刻和位置和粘贴法都不相同，振速峰值点出现在6.95 s时刻(见图10)。

通过上述试验证明，三角台法固定传感器具有更高的可靠度，在土壤等松散、软弱介质上能够保证振动数据的精度要求。

表1 三种方法对比振动数据

图8 粘贴法波形Fig.8 Waveform of paste method

图9 三角台法波形Fig.9 Waveform of triangular pyramid platform method

图10 单脚锥法波形Fig.10 Waveform of single cone method

2.2 万向台法

2.2.1 组成及原理

万向台由基座(轴)、T型管、基板组成[9](见图11)，基座是将主轴管固定在平板上，平板四角开4 个固定孔，基轴则不用将主轴管固定在平板上；T型管由2 个管件互相垂直焊接组成，在较粗的管壁有3 个螺纹孔，套在主轴上，可绕主轴任意转动，并用3 个螺丝旋紧固定；基板下部焊接一根空心管，空心管上同样有3 个螺纹孔，套在T型管较细的管上，能够绕其任意转动，并用3 个螺丝旋紧固定，基板上部有水准泡，用以调平。将T型管绕基轴的转动称为公转，基板绕T型管的转动称为自传，通过公转与自转的配合，能够在几乎具有任意角度的坡面上，获得一个水平的微小平台来固定振动传感器(见图12)。

图11 万向台法实物Fig.11 Universal platform object

图12 万向台法原理Fig.12 Principle of universal platform method

2.2.2 操作步骤

1)固定基座。对于岩石，先用凿岩机钻10～15 cm的固定孔(角度不限)，然后用锚固剂将基轴固定在孔内(见图13)；对于混凝土，可用射钉枪将基座通过4 个固定孔固定在测点上(见图14)。

图13 在岩石上钻孔锚固Fig.13 Drilling and anchoring on rock

图14 在混凝土坡面固定Fig.14 Fixing on concrete slope

2)连接套管。先将T型管套在基轴上，再将基板通过下部的空心管套在T型管上。

3)调平和固定。同时转动T型管和基板，待水准泡处于中心位置时，拧紧固定螺丝将平台固定。最后用粘贴法固定传感器。

2.2.3 适用环境及效果

万向台法主要用于具有一定坡度、弧度或者表面有浅层积水的坚硬测点，如混凝土坝体、矿山边坡、斜坡道、巷(隧)道等。

由于万向台法是在坚硬介质上采用刚性连接，和测点介质锚固成为一体，具有更高的可靠度，完全能够满足监测的精度要求。

3 结语

本文为现场临时固定测振传感器提供了新的思路和方法，使研究和监测人员在爆破振动监测实践中有更多的选择。

在非理想条件下固定爆破振动监测传感器，三角台法主要解决松软介质的固定问题，而万向台法则解决了坚硬介质的问题，两种方法达成互补，解决了绝大多数情况下测点固定传感器的难题。因此，在基础等坚固、平整的理想测点下固定传感器使用粘贴法，在土壤等松软介质上固定传感器使用三角台法和在边坡等坚硬的坡面上固定传感器使用万向台法，构成了一套完整的、科学规范的爆破振动监测传感器固定体系。

影响监测结果精度的因素有很多，其中人员是最大的影响因素，监测人员应足够重视现场工作，提前进入现场踏勘，根据监测设备的性能和现场条件，制定可靠的监测方案，做好充分的监测准备，做好每一个细节工作，保证监测数据的科学、准确。