摘  要：露天采礦爆破地震效應(yīng)，直接關(guān)系到水工建筑物混凝土施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全。在浙江東部沿海某圍墾工程中，通過實測振動速度結(jié)合混凝土澆注齡期評價了爆破振動對水閘工程的影響，并采用回歸分析計算場地系數(shù)和衰減指數(shù)，進而預(yù)測了質(zhì)點振動安全允許速度對應(yīng)的炸藥量。爆破振動監(jiān)測與分析表明，爆破振動效應(yīng)研究及炸藥量預(yù)測對水工建筑物的質(zhì)量安全評價具有重要意義。

1  引  言

爆破工程中炸藥產(chǎn)生的部分能量轉(zhuǎn)化為地震波通過巖土介質(zhì)傳播并引起介質(zhì)體振動，從而在一定范圍內(nèi)影響地面和地下建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全。早在20世紀(jì)20年代，美國學(xué)者K well(1927)就開始研究爆破振動對結(jié)構(gòu)物的影響；隨后英國、美國、前蘇聯(lián)以及瑞典等國家相繼就爆破地震波的衰減規(guī)律、爆破振動強度影響因素及爆破振動的破壞準(zhǔn)則等方面展開研究，并制定了一系列不同建筑物的破壞標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)50年代，中國科學(xué)院地球物理研究所謝毓壽等人。’(1962)在不同巖石和地質(zhì)條件下進行爆破觀測試驗，提出了質(zhì)點振動速度傳播規(guī)律的經(jīng)驗公式，以及不同建筑物的破壞標(biāo)準(zhǔn)。隨后，中科院力學(xué)所、鐵道科學(xué)院、水利水電科學(xué)院以及中國礦業(yè)大學(xué)等單位相繼結(jié)合有關(guān)科技計劃項目及爆破工程實踐，就爆破地震波的傳播規(guī)律和作用機理進行了一系列理論分析、計算和試驗研究工作﹝2-7﹞。近年來，國內(nèi)外學(xué)者加強了爆破地震波模擬和譜分析研究工作，并就露天采礦等地面爆破開展了大量的地震波衰減規(guī)律以及爆破振動控制技術(shù)研究，解決了一些實際工程問題。水利水電工程實踐與研究表明﹝8-10﹞，爆破振動會對已澆筑混凝土的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，需嚴(yán)格控制爆破振動速度等指標(biāo)。現(xiàn)行國標(biāo)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》(SL47—94)中有關(guān)爆破振動安全允許速度等方面的規(guī)定，對保障水工建筑物混凝土施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。

2  現(xiàn)場測試方法

浙江東部沿海某圍墾工程擬建一座混凝土結(jié)構(gòu)水閘，而其附近的采石場正在實施爆破開挖，最近的爆破點距水閘僅50m左右。為了解該料場爆破對水閘工程的地震效應(yīng)，開展了爆破振動監(jiān)測工作。

本工程監(jiān)測選擇質(zhì)點垂向振速為監(jiān)測和分析的主要物理量，而水平向振動速度作為輔助物理量。采用DH5922多功能動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)和941B型拾振器，儀器測試通道8個，采樣速率每通道10、20、50、100、200、500、1k、2k、5k、10k、20k、50k、100kHz，失真度不大于0.5％，模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率16位，最大分析頻寬DC～50kHz，抗混濾波器系每通道獨立的模擬濾波+DSP數(shù)字濾波。

監(jiān)測點設(shè)置于水閘工程的混凝土底板上，其地基為開挖后的弱風(fēng)化中硬凝灰?guī)r。為了解振動強度隨距離的衰減規(guī)律和預(yù)測安全距離，所有測點均由北至南放置在一條測線上，其間距按近爆破區(qū)小、遠爆破區(qū)大的原則掌握。

3  實測結(jié)果

表1所示僅為3次監(jiān)測中最靠近爆破區(qū)測點的實測結(jié)果，圖1、2所示分別為上部結(jié)構(gòu)混凝土澆注后50天各測點振動速度衰減圖，及其主振頻率分布圖。

通過3次監(jiān)測所得所有測點的有效振動波形圖的時域和頻譜分析，峰值振動速度范圍為2.02～13.3cm／s，主振頻率約6.54～21.29Hz。具體分析表明：

(1)隨著測點與爆心距離的增大，質(zhì)點峰值振動速度減小，且隨著測點與爆心距離的逐步增大，質(zhì)點峰值振動速度減小的速率逐步降低。這說明在同段最大藥量相同時，質(zhì)點峰值振動速度有隨距離呈指數(shù)衰減的趨勢。

(2)不論測點與爆破中心距離如何，同炮次測點的質(zhì)點振動主頻率變化均不大。上部結(jié)構(gòu)混凝土澆注后50天爆破監(jiān)測所得頻率值相對較大，是因其炸藥埋置深度較小，符合淺孔爆破振動頻率高、深孔爆破振動頻率低的基本規(guī)律。

(3)在同一炮次中，盡管測點與爆心距離相差較大，但振動持續(xù)時間卻相差不大；在不同炮次中，振動持續(xù)時間相差較大。因此，測點處的爆破振動持續(xù)時間跟測點與爆心距離無關(guān)或關(guān)系不大，而與爆破參數(shù)(如：單段最大炸藥量)及測點處的地質(zhì)條件有關(guān)。

4  振動安全分析評價

依據(jù)國標(biāo)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》(SL47—94)(第3．7．1條及附錄C)，新澆筑大體積混凝土基礎(chǔ)面上的安全質(zhì)點振動速度如下所示：

混凝土齡期／d            0～3      3～7      7～28

安全振動速度／(cm·s-1)  1.5～2.0  2.O～5.0  5.0～7.0

對3次監(jiān)測的實測數(shù)據(jù)(表1)結(jié)合混凝土澆注齡期進行分析評價表明，均超出安全允許速度，對水閘工程澆注混凝土存在不利影響(見表2)。

因此，后續(xù)爆破施工過程中應(yīng)采取控制炸藥量，并采取必要的減振措施(如減振溝等)，以便降低振動速度。

5  安全炸藥量預(yù)測

爆破地震波在巖土介質(zhì)中的傳播過程非常復(fù)雜，受到很多時間和空間上的因素影響。據(jù)《爆破安全規(guī)程》中的爆破振動安全允許距離公式計算質(zhì)點振動速度：

式中：v為質(zhì)點振動安全允許速度，cm／s；Q為同段最大藥量，kg；R為安全允許距離，m；K、a為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的場地系數(shù)和衰減指數(shù)；為比例藥量。

在本爆破工程中，通過3次監(jiān)測數(shù)據(jù)的回歸分析，計算得到場地系數(shù)K=95．3，衰減指數(shù)a =1.32。即質(zhì)點振動安全允許速度的計算公式為：

依據(jù)公式(2)、本工程實際情況及各次爆破監(jiān)測情況，設(shè)爆破點與水閘的最短距離50m作為爆破預(yù)測的測點與爆破中心距離，計算水閘混凝土結(jié)構(gòu)安全允許振速對應(yīng)的炸藥量。對照《爆破安全規(guī)程》爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)表和《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》新澆筑大體積混凝土基礎(chǔ)面上的安全質(zhì)點振動速度，后者規(guī)定的質(zhì)點振動速度安全允許值更小，為v=7.Ocm／s(當(dāng)混凝土超過28天齡期時，采用28天齡期對應(yīng)的爆破振動安全允許速度)，則預(yù)測單段最大炸藥量Q約為330.8kg，即當(dāng)單段最大藥量不大于330.8kg時，方能同時滿足國標(biāo)和水利行標(biāo)規(guī)定的安全允許振速要求。

6  結(jié)  語

某圍墾工程擬建混凝土結(jié)構(gòu)水閘附近的采石場爆破振動監(jiān)測中，通過實測得到的各測點峰值振動速度和主振頻率及其變化規(guī)律，依據(jù)國標(biāo)和水利行標(biāo)結(jié)合混凝土澆注齡期評價了爆破振動對水閘工程的影響。通過多次監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析計算場地系數(shù)和衰減指數(shù)，得到了本工程的質(zhì)點振動安全允許速度計算公式。預(yù)測了混凝土結(jié)構(gòu)水閘工程安全允許速度所對應(yīng)的炸藥量，建議據(jù)此控制炸藥量并采取必要的減振措施。該實例表明，振動監(jiān)測對爆破工程的振動效應(yīng)評價及安全炸藥量預(yù)測，具有實際的指導(dǎo)意義。

必須指出，爆破地震效應(yīng)的研究及其工程應(yīng)用是一個很復(fù)雜的課題，實際工程的地震效應(yīng)評價應(yīng)綜合考慮爆破振動速度、頻率和持續(xù)時間等因素。鑒于場地系數(shù)和衰減指數(shù)與爆破點至評價保護工程對象間的地形、地質(zhì)條件的復(fù)雜關(guān)系，用于回歸計算的監(jiān)測數(shù)據(jù)越多越好。在工程實踐中經(jīng)常出現(xiàn)振動速度超過安全允許速度而建(構(gòu))筑物未見明顯損傷，或小幅度振動源的長期、頻繁作用未受重視而危害建(構(gòu))筑物，導(dǎo)致工程糾紛的情況。因此，應(yīng)結(jié)合工程實際和爆破參數(shù)，合理設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用先進的信號處理方法，對實際工程條件下的爆破振動效應(yīng)和影響因素進行分析研究。此外，在工程運行過程中應(yīng)注重結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的跟蹤調(diào)查，必要時采用聲波儀、回彈儀等進行檢測，在保障工程安全運行的同時，還可以通過數(shù)據(jù)積累與分析，為確定工程安全控制標(biāo)準(zhǔn)及其可靠性提供科學(xué)依據(jù)。