负高差地形爆破振动规律研究

2021-11-20马谕杰朱帅帅姜威振

工程爆破 2021年5期

唐海，马谕杰，夏祥，朱帅帅，姜威振

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭 411201；2.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭 411201；3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071)

近年来，爆破开挖凭借着其施工方便，地质条件适应性强的优点，被广泛运用到我国一大批水电和核电工程的兴建中。然而爆破开挖会引发振动效应，影响其施工质量与安全。并且不可避免的会对临近边坡及周围建筑物产生负面影响。因此，对临近边坡及周围建筑物进行振动监测并分析监测结果，对爆破工程安全施工具有重要作用。

为探究爆破振动对边坡和周围建筑物产生的影响，国内外学者采用振动监测、现场实验和数值模拟的方法，对爆破作用下边坡和建筑物的响应进行了广泛研究[1-14]。杨风威等[1]通过现场爆破监测与数值模拟相结合的方法研究了爆破开挖时边坡的动态响应规律，认为边坡对爆破振动波存在放大效应，并且这种放大效应在水平径向比垂直向更为显著。周文海等[2]建立边坡抛掷爆破模型并将炮孔药包划分为无数微元体进行积分运算，最终得到边坡抛掷爆破振动速度峰值公式，并通过现场爆破振动监测验证了公式的准确性。唐海等[3-5]将边坡和台阶地形视为广义的凸形地貌，通过工程监测与数值模拟研究了凸形地貌对爆破振动波传播的放大效应并通过量纲分析得到了反映高程的爆破振动公式。S. Spyros等[6]利用有限元程序模拟软件模拟了爆破振动波在地形中的传播，得出了凸形地貌质点振动大，而凹形地貌质点振动小的研究结果。Xia Xiang等[7]通过现场实验研究了爆破振动波在台阶地形中的传播，认为台阶地形对爆破振动波具有放大效应，放大系数随着台阶高度的增加而增加，在达到一定范围后放大系数随着台阶高度的增加而减少。武旭等[8]基于爆破振动数值模拟和边坡振动监测试验，认为台阶高程对爆破振动速度既有放大作用，同时也随高度的增加产生衰减并根据数据分析结果给出了台阶地形爆破振动速度预测模型。为确保爆破振动作用下周边建筑物的安全，也有学者开展了关于爆破振动对邻近建筑物的影响研究。阳生权等[9]基于较大高程差起伏地形爆破工程实例，建立了考虑地形效应迎波坡面的爆破地震预测模型，并应用该模型指导了工程实际，确保了周边建筑物的安全。张梦雅等[10]为了确定露天矿爆破开挖对周边建筑物的影响，以建筑物为对象布置了监测系统。认为与爆源高差较大的建筑物，应考虑爆破振动的高程放大作用。必要时，可在爆源与被保护物之间开挖减振沟。类似的研究成果还有文献[11-14]。

当爆破振动监测点高程高于爆源中心高程时，被称为正高差，反之则被称为负高差。目前关于爆破振动作用下边坡的动态响应及周围建筑物安全性的研究较多，但主要集中于正高差和高程放大方面，一些学者通过现场监测实测数据分析发现，负高差地形也出现明显的振动放大效应。而对于负高差地形下爆破振动波的传播规律研究还相对较少[15-18]。鉴于此，笔者拟在前人研究的基础上，结合广东陆丰核电站观景平台第一阶边坡台阶爆破工程，探讨负高差地形下爆破振动波的传播规律，为负高差地形下爆破工程设计和临近建筑物的振动监测提供依据与参考。

1 爆破振动监测与分析

1.1 工程概况

陆丰核电站位于广东省陆丰市碣石镇以南沿海的半岛上，以丘陵剥蚀地貌为主。核电站观景平台爆破工程是核电场平二期爆破工程的一部分，站内场地标高14.8 m。拟爆破出观景平台长500 m，分两个边坡，第一阶边坡高24.8 m，第二阶边坡高30 m。观景平台周围存在3个重要建筑物，分别为新灯塔、2号CC井以及泥水处理系统，其中泥水处理系统与2号CC井与场地标高一致为14.8 m，新灯塔标高为30 m，边坡位置如图1所示。

图1 边坡位置Fig.1 Slope position

在观景平台第一阶边坡爆破施工中，存在3个爆破类型，分别为孤石爆破、找平爆破以及台阶爆破。随着爆破工程的不断推进，在台阶爆破类型中，共分为3个爆破区高程，分别为24.8、25.8、26.8 m，爆源中心高程相对于标高为14.8 m的场地，分别为4、5、6 m。根据工程安全规定，在进行观景平台爆破工程时，务必要保证周边建筑物的安全。在观景平台爆破过程中，泥水处理系统距离爆区最近，距最近的爆源仅为55.8 m，爆破工程对泥水处理系统影响较大，故选取泥水处理系统的监测结果进行分析。2号CC井和新灯塔的建筑物结构和泥水处理系统均为钢筋混凝土结构。在爆破过程中，相较于孤石与找平爆破，台阶爆破的最大单响药量最大。若能保证在台阶爆破中不同爆破区高程下泥水处理系统的安全，2号CC井与新灯塔必然也安全。

1.2 现场振动监测

为确保爆破过程中周边建筑物的安全与稳定，根据工程实际情况，在泥水处理系统、2号CC井和新灯塔处各布置一个测点。测振仪器选用中科测控生产的TC-4850爆破测振仪。使用时，用石膏粉将其固定在平坦区域，监测水平径向、水平切向和垂直向的振动速度。为保证结果的准确性，所有仪器测振前均经过严格校准。测点布置及监测仪器如图2所示。泥水处理系统爆破振动部分监测结果如表1所示。

图2 爆破振动测点布置及监测仪器Fig.2 Layout of blasting vibration velocity measuring point and monitoring instruments

表1 爆破振动部分监测结果

在工程爆破实际中，为保证爆破过程中泥水处理系统的安全，每次进行爆破前都要对泥水处理系统的振动速度进行预测，预测值采用的计算公式来自于规范[19]：

(1)

式中：Q为一次起爆最大段药量，kg；R为被保护对象至爆源中心的距离，即爆源距，m；v为被保护对象允许的振动速度，cm/s；K、α分别为爆破振动波衰减系数与衰减指数，取K=350、α=2。

由表1可以看出，有时振动监测实测值达到估算值的2～3倍，二者相差较大，出现这现象的主要原因是爆破振动速度预测公式中，相关参数没有经过现场回归分析确定。由于爆破振动受地形地貌、岩石性质及装药方式等诸多不确定因素影响，在实际爆破工程振动监测中，应根据监测结果分析特定场地的振动衰减规律及每次爆破中的允许药量。

在边坡台阶爆破过程中，爆源区与测点之间存在高程差，如果不考虑监测点与爆破区之间的高差影响，依然用式(1)预测爆破振动速度，将导致预测值与实测值相差较大。因此，为保证爆破工程的安全顺利实施，急需通过对现场爆破振动实测数据进行分析，确定其场地衰减规律。

2 监测结果分析

2.1 回归分析

在平坦地形下，式(1)已被证实准确度较高。选取爆破区高程为14.8 m(相对于标高为14.8 m的场地来说，无高程差影响)的8组监测数据进行回归分析，监测数据如表2所示，将Q1/3/R定义为比例药量，分别从3个方向上对14.8 m标高爆破振动监测数据进行回归分析(见图3)。

表2 14.8 m爆破监测结果

图3 回归分析Fig.3 Regression analysis

通过对现场监测数据进行分析可以看出，在3个方向上的回归分析曲线中，其相关系数R分别为0.907 9、0.927 2、0.953 9。相较于垂直向回归分析曲线，水平径向与水平切向回归分析相关性较低。在爆破工程振动监测中，人们更关注水平向峰值振动速度和垂直向峰值振动速度，其中水平向振动速度为水平径向与水平切向振动速度的最大值。为使该次回归分析更贴合工程实际，将水平径向和水平切向的振动速度进行比较，取其最大值作为水平向振动速度峰值，并对其进行回归分析，得到该场地爆破振动衰减规律(见图4)。水平向峰值速度进行回归的相关系数R为0.960 2，高于对单个方向进行回归的系数，这表明，将水平径向与水平切向峰值速度进行比较，取其最大值进行回归分析更能代表该场地爆破振动衰减规律，由此可得到该场地振动速度公式：

图4 振动衰减规律Fig.4 Attenuation law of vibration

(2)

(3)

式中：vH为水平向振动速度；vV为垂直向振动速度，cm/s。

2.2 监测数据分析

陆丰核电站观景平台第一阶边坡共计爆破66次，相关爆破参数及监测结果统计分别如表3、表4所示。

表3 第一阶边坡爆破参数统计

表4 第一阶边坡爆破振动监测结果统计

为分析爆源与监测点的负高差对爆破振动产生的影响，将观景平台第一阶边坡台阶爆破的振动实测数据与同爆源距、同最大段药量无高程差下爆破的计算结果(使用式(2)和式(3)得出计算值)进行比较，限于篇幅，只给出部分比较结果(见表5)。在工程实际中，每次爆破的爆源中心到监测点的爆源距不同，爆破的炸药量也不相同。为方便进行比较，以比例药量作为横坐标，峰值速度实测值和峰值速度计算值作为纵坐标，不同高差下峰值速度对比如图5所示。

表5 部分监测结果比较

图5 不同高差下峰值速度对比Fig.5 Comparison of peak velocity under different height difference

由图5可以看出，相较于平整地形下峰值振动速度的计算值，当监测点与爆源之间的高程差为负时，监测点水平方向上的振动速度出现放大效应，并且这种放大效应并不是一直存在。而在垂直方向上，峰值振动速度整体上没有表现出放大效应，且在比例药量相同的情况下，垂直向振动速度实测值小于振动速度计算值。这表明，相较于平整地形，负高差地形的存在阻碍了爆破振动波在垂直方向上的传播，使其在垂直方向上的振动速度降低。

为分析负高差地形中放大效应的影响因素，将“(实测值—计算值)/计算值”定义为“影响系数，影响系数为正为放大效应，为负则为衰减效应。以影响系数作为纵坐标，比例药量和爆源距作为横坐标，分析其二者关系(见图6)。由于负高差地形中的放大效应只在水平方向上出现，故只取水平向振动速度峰值进行分析。

图6 影响系数与比例药量和爆源距的关系Fig.6 Relation between the influence coefficient and the proportional charge,the detonation source distance

由图6可知，负高差地形中，放大效应是局部出现。随着比例药量的不断增加，放大效应过渡为衰减效应。将图a中影响系数由正到负的点(即水平向峰值速度即不放大也不衰减的过渡点)称为”原位点”，随着高程差的不断增大，原位点对应的比例药量也随之增大。由图6b可知，负高差地形中出现的放大效应多集中在爆源距范围在200～300 m之间，这表明该放大效应与爆源距有关。

3 负高差地形放大机理研究

值得注意的是，在现场爆破工程振动监测中发现，负高差地形中存在的局部放大效应只存在于台阶爆破中。对于找平爆破和孤石爆破并未发现高程放大效应的存在，同样将孤石和找平爆破中的振动实测值与计算值(使用式(2)和式(3)得出计算值)进行比较(见图7)。

图7 孤石/找平爆破峰值速度对比Fig.7 Comparison of peak velocity of rock,screed blasting

可以发现，相较于负高差下的台阶爆破，找平爆破和孤石爆破中并未发现爆破振动速度的放大效应，无论是水平向和垂直向均表现为衰减效应。从爆破参数统计中发现，相较于台阶爆破，找平爆破与孤石爆破中炮孔深度较小。观景平台中第一阶边坡高度为10 m，台阶爆破中不同高程下爆破深度均大于10 m，而找平爆破和孤石爆破中爆破土石方量相对较小，炮孔较浅，均小于10 m，低于边坡高度。从现场监测数据及观景平台边坡地形分析，可得出：当炮孔深度小于边坡高度时，边坡坡面阻碍了爆破振动波的传播，使爆破振动波出现衰减。

针对现场实测负高差振动放大和衰减现象进行分析，负高差地形出现的局部振动放大效应，其产生原因可归结为波的绕射叠加。在负高差边坡爆破工程中，爆破振动波传播经过边坡坡脚这个突变点时，会发生波的绕射，可将边坡坡脚视为一个新振源，向周围发射面波，这种现象在地震上称为波的狭义绕射[15]。在一定爆源距范围内，监测点处受到爆源传来的体波及新振源传来的面波的共同影响，导致其动力响应加大。

然而，在爆破现场振动监测中发现，负高差爆破工程中炮孔的长度L与坡的高度H之间的大小关系对爆破振动波的传播影响较大。相关文献没有考虑二者的大小关系，将负高差地形中出现的爆破振动局部放大现象简单归结于波的叠加，这并不合理。爆破振动波传播如图8所示。

图8 爆破振动波传播Fig.8 Blasting vibration wave propagation

在图8a中，炮孔深度L大于边坡高度H，当炮孔起爆后，A点受到爆区传来的体波w1的影响，爆区产生的振动波在经过突变点A时会发生波的绕射，可将A点视为一个新振源，向周围发射面波。由于体波的传播速度大于面波，故在距爆区一定距离范围内，B监测点受到来自A点的面波w3，以及来自爆区的体波w2的共同影响，导致B监测点的水平向振动速度出现放大；另外，炮孔部分装药低于B监测点，存在高程放大效应，高程放大效应与波的叠加相互作用使测点振动加剧。当超出某一范围后，爆破振动速度受爆区传来的体波影响较大，且高程放大效应不明显，此时表现为衰减效应。在陆丰核电站观景平台第一阶边坡台阶爆破参数中，炮孔的深度L大于边坡的高度H，这是现场振动监测中水平向峰值振动速度出现局部放大效应的原因。

在图8b中，当炮孔深度L小于边坡高度H时，边坡地形相当于一个沟槽，并且沟的深度大于炮孔的长度，边坡坡面对爆破振动波的传播起到阻碍作用。当炮孔起爆后，边坡坡面受到爆区传来的爆破振动波w4的影响，w4在坡面处发生反射，入射波和反射波叠加使坡面处的振动加强。同时，坡面阻碍了爆区传来的振动波的传播。A点受到爆区传来的体波w5的影响，w5在A点发生绕射，同样将A点视为一个新振源，监测点B的振动主要受到突变点A点传来的面波w6的影响。在这种情况下，负高差地形对爆破振动波的传播影响整体上表现为衰减效应。