高边坡爆破振动监测及其传播规律研究

李学锋凌宇恒陈善江蒋文俊

(1.广西大学资源环境与材料学院, 广西南宁530004;2.中铁二局集团成都新技术爆破工程有限公司四川成都610031;3.中国中铁爆破安全技术中心, 四川成都610031)

0 引言

随着爆破技术在基础建设领域的广泛应用，工程爆破在建设过程中带来较大经济效益的同时，人们越来越关注爆破作业时所产生的有害效应，爆破有害效应主要包括爆破飞石、振动、噪声、冲击波及有毒有害气体等。爆破点周边的建(构)筑物开裂破坏、门窗振裂、边坡失稳滑塌以及人畜受惊等均为工程爆破施工中常常出现的振害问题，进而引起了许多工程纠纷，带来了较坏的社会影响，所以预测及控制爆破所产生的振动效应已经成为了工程领域及学术研究领域关注的重点问题。因此，相关学者及工程技术人员对爆破振动的产生和传播相关理论、振动测试技术及方法、爆破振动破坏准则等问题进行了大量的研究。但由于振动波的传播介质为非均质的岩土，其传播过程的随机性、模糊性及不确定性增大了相关研究工作的难度，如何准确地预测爆破振动峰值速度，研究爆破振动的传播规律，进而采取有效的措施控制振动所带来的危害，已经成为爆破施工安全技术研究的主要内容[1]。

20世纪60年代末，美国采矿行业开始关注到爆破振动对建(构)筑物的影响，政府开始重视爆破作业所产生的振动危害效应，科学研究及工程技术领域逐步将工作重心转移到了爆破振动的预测及控制研究上。爆破振动的强度主要可以由质点振动峰值速度、质点振动的加速度及质点振动位移等物理量表征。在实际工程应用中，常常对爆破所产生的振动质点峰值速度进行预测分析，依据该变量的大小来表征爆破振动效应对被保护对象的影响程度。

本文采用广西某高边坡的爆破振动峰值速度监测结果，通过不同的数学模型对该高边坡的爆破振动进行表征，对比分析了采用线性及非线性回归分析方法的预测精度，得出能较为准确的表征该高边坡爆破振动波传播与衰减规律的经验公式，进而能提前预测高边坡爆破作业时所产生的爆破振动大小，提出相应对策措施，并不断优化、改进爆破作业参数，在改善爆破效果的同时，进一步控制爆破振动危害。

1 质点振动峰值速度预测模型

1962年,中科院谢毓寿等[2]对不同地形地质条件下的岩体的爆破振动波进行了现场实测，通过波形转化及回归分析的方法较早地求解出了表征爆破振动衰减的相关经验公式。在我国应用最为广泛的爆破振动速度预测经验公式为俄国爆破专家萨道夫斯基所提出的预测模型，传统的爆破振动预测方法，常用实际工程中得到的现场爆破振动实测数据，根据萨道夫斯基公式进行回归分析，然后得到未知参数K、α的值[3-5]：

(1)

式中：K为与岩体的性质、爆破作业参数和爆破方法有关的场地系数；Q为最大同段药量，kg；R为爆源距，即爆源中心与测点的直线距离，m；α为爆破振动衰减系数。

许多工程实践表明，采用萨道夫斯基公式预测周围质点的爆破振动峰值速度，在平整的地形条件下的精确度较高，但是在预测地形地貌变化较大的质点振动峰值速度时，其精确度将会大大降低。因此，后续的研究相继引入了高程差对爆破振动峰值速度的影响。文献[6-8]通过无量纲分析及爆破振动传播相关理论推导了考虑高程效应的振动峰值速度预测经验公式。

(2)

式中：K为场地系数，K2为地貌影响因素，α为衰减系数，β为高程差影响因素，其他符号意义与式(1)相同。

2 工程概况

该工程为硬岩质高边坡，项目地点位于广西河池市东兰县，该项目为连通河池至百色高速的关键节点，该段高边坡爆破作业区域环境复杂，爆破点临近村庄民宅，地形地貌及地质条件变化较大，为了控制及削弱爆破作业时所引起的建(构)筑物质点振动及其他爆破危害效应，设计在该段高边坡采用数码电子雷管起爆技术。

图1 爆区环境及测点布置Fig.1 Surroundings of blast zone and measurement points

爆破施工区域周边环境十分复杂，密集村庄位于爆破区域的北偏东方向，爆区中心距最近一处的建筑物只有70 m，另外6处建筑物坐落于爆区东偏南方向，其均在红线范围内，均为待拆迁房屋，国道323线处于爆破北方向92 m处，西侧距离80 m为该主体工程的在建桥梁。该段高边坡岩性为硬岩质灰岩，不规则微晶交织结构，以层状及块状构造为主，爆破区域岩体较为坚硬、完整，局部稍有溶蚀现象，裂隙泥质充填。该区域地形地貌变化较大，且距离国道323线及需保护建(构)筑物较近，高边坡爆破施工期间存在较大的隐患及风险。爆区为陡峭山坡地形，爆区中心与保护对象监测点间存在约35 m的高差，根据现场踏勘结果，在爆区东北方向选取了3个爆破振动监测点，需保护建(构)筑物主要为砖混及框架结构，爆区周边环境及监测点布置示意图如图1所示。

3 爆破参数

为了保护周边民房及新建桥梁，整个高边坡爆破开挖采用深孔松动控制爆破施工技术方案。该方案的主要目的是对岩石进行松动爆破，然后采用液压破碎锤进行二次破碎，最后用挖掘机及车辆进行铲装清运。考虑为控制及减小爆破所产生的振动效应和其他爆破有害效应，采用数码电子雷管起爆网路，使用逐孔起爆技术。

该高边坡采用台阶爆破，一次爆破开挖高度为10 m。采用垂直深孔台阶的爆破方式，炮孔直径d为90 mm，台阶高度H为10 m，钻孔超深h为1 m，底盘抵抗线W0为(25～40)d，该工程取W0为3.5 m，炮孔填塞长度应不小于3.5 m，炮孔间距a取3 m，孔间排距b取2.7 m，采用梅花形布置炮孔。炸药采用二号岩石乳化炸药，药具直径为70 mm，采用高精度电子数码电子雷管起爆网路，第1次爆破作业时，最大单响药量为68 kg;第2次爆破作业时，最大单响药量为50 kg;第3次爆破作业时，为了减小爆破振动效应，第3次爆破设计试用了逐孔起爆技术，孔间延期时间设定为35 ms，最大单响药量为40 kg，装药方式为人工连续装药[9],该工程的起爆网路连接及设置延期时间如图2所示。为预防爆破飞散物对周边保护对象及居民人身安全造成影响及威胁，在爆区与被保护对象间搭设了一处防护用脚手架(长为65 m、高为15 m、宽为1 m)，并设置了两道土工布防护网，同时采用柔性沙袋在炮孔孔口进行盖压，再采用无纺布对爆区进行二次覆盖，以进一步确保爆破施工安全。

图2 数码电子雷管起爆网路Fig.2 Diagram of initiation network of digital electronic detonator

4 监测结果与分析

4.1 测点布置

图3 2号测点安装Fig.3 Layout of the 2# measurement point

该段高边坡共进行了3次爆破作业，每次爆破时均在预先选定的监测点采用TC-4850爆破测振仪对爆破振动进行监测，为了真实反映爆破作业产生的振动峰值速度的大小，在3个监测点位置处采用石膏耦合剂将拾振传感器与建筑物地基进行粘连，仪器安装如图3所示。

4.2 监测结果

该工程的爆破振动峰值速度采用成都中科院中科测控中心自主研发的TC-4850型爆破测振仪，对爆破区域东北侧3个具有代表性的建筑物进行了振动测试，各监测点所对应的质点振动峰值速度如表1所示。

表1 各测点的爆破振动峰值速度Tab.1 Blasting vibration peak velocity of the 9 measurement points

图4 不同最大段药量下对应的爆破振动峰值速度Fig.4 Measured blasting vibration peak velocity for different charge

工程中采用监测质点的振动峰值速度表征爆破作业所产生的振动强度大小，根据表1所得数据，通过对比分析3次不同的监测结果，得到了该段高边坡不同的最大同段药量与爆破振动峰值速度间的关系曲线，如图4所示。从图4可以看出，不同最大同段装药量所对应的爆破振动峰值速度不同，最大同段药量越大，爆破振动峰值速度越大，减小最大同段药量可以有效的控制爆破所产生的振动质点峰值速度。

4.3 爆破振动回归分析

回归分析通常分为线性回归分析及非线性回归分析。线性回归是根据自变量及因变量之间的线性关系建立数学模型进而进行回归分析的方法，非线性回归则是依据自变量与因变量之间复杂的非线性关系建立数学模型、回归分析的方法[10-13]。

4.3.1 线性回归分析

(3)

采用考虑高程效应的回归方程得到的表征式为：

(4)

采用式(1)、(2)线性回归得到的预测值与实测值之间的相对误差分别为21.84 %、5 %，预测值如表2所示。

表2 线性回归得到的爆破振动峰值速度预测值Tab.2 Predicted blasting vibration peak velocity by linear regression

4.3.2 非线性回归分析

采用1stOpt数据处理软件进行非线性回归分析，具体步骤如下：

step 1：确定自变量；

step 2：确定待定参数；

step 3：确定非线性回归数学模型；

step 4：列出自变量对应参数值；

step 5：导出待定参数值。

根据非线性回归分析结果，采用式(1)回归分析得到的预测模型为：

(5)

采用式(2)的预测模型回归分析得到的经验公式为：

(6)

采用式(1)、(2)非线性回归得到的预测值与实测值之间的相对误差分别为21.76 %、5 %，预测值如表3所示。

表3 非线性回归得到的爆破振动峰值速度预测值Tab.3 Predicted blasting vibration peak velocity by nonlinear regression

图5 实测爆破振动峰值速度及预测值的对比Fig.5 Comparison of measured blasting vibration peak velocity and predicted values

4.4 分析结果

根据对上图的对比分析可以看出，无论是采用线性回归还是非线性回归分析方法，传统的不考虑高程效应的爆破振动速度预测经验公式的精确度较低；采用考虑高程效应的回归经验公式的预测精度较高，能较好的反映该段高边坡的爆破振动传播规律。

5 结论

通过分析现场爆破振动峰值速度的监测结果，经数据回归处理后，得出了如下结论：

① 采用一般的爆破振动预测经验公式(萨道夫斯基公式)进行模型建立、数据回归得到的爆破振动峰值速度预测经验公式的精度偏低，不能较好地反映该段高边坡的爆破振动波的传播及衰减规律；

② 引入高程差后的爆破振动峰值速度预测模型的预测精度高于萨道夫斯基公式，且对实测数据进行非线性回归所得到的预测经验公式(6)能较准确地表征该边坡爆破振动波的传播及衰减规律；

③ 控制及减小最大同段起爆药量能有效的减弱爆破振动危害效应，大大地减小爆破施工作业引起的建(构)筑物质点峰值振动速度的大小；

④ 对该段高边坡采用数码电子雷管逐孔起爆技术有效的控制了爆破振动有害效应，也取得了较好的爆破破碎效果。同时，采用数码电子雷管起爆网路可以有效的对爆破网路进行检测，以提高准爆率，保证爆破安全，并可以比较灵活、容易的实现逐孔起爆网路的设置及网路连接，在类似的工程中可采用数码电子雷管实现逐孔起爆或控制最大单响药量以减小爆破振动的危害效应。