爆破振动（共9篇）
爆破振动 篇1
我公司的石灰石矿山位于江宁区境内的老虎洞山, 其规模为年产400万t。矿区南北长530m, 东西宽230m。矿山东侧有民房六间, 离爆破点最近约200m;南侧距矿山部办公室300m。矿山采用自上而下、水平分层台阶开采方法, 现有150m、135m和120m三个水平采矿工作平台。矿山原采用的爆破网路为非电导爆系统、孔内排间毫秒微差, 最大单响药量500kg, 每次爆破总药量不超过5t。爆破后, 东侧居民反映爆破地震波过大, 对生活产生影响。为此, 我们优化了中深孔爆破网路设计, 降低了爆破振动危害效应。
1 爆破振动的传播规律
前苏联科学家萨道夫斯基提出的爆破地面振动速度经验公式:
式中:
V———地面质点峰值振动速度, cm/s;
Q———炸药量 (齐爆时为总药量, 延迟爆破时为最大一段装药量) , kg;
R———观测 (计算) 点到爆源的距离, m;
K、α———与爆破点至计算点间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。
式中, R、K、α为客观不变因素, 是定值, 因此要降低爆破振动效应, 就必须减少延迟爆破时最大单响药量Q。
2 爆破网路设计
利用孔内、孔外毫秒延期雷管组成的非电网路, 导爆管雷管段别少, 施工方便。孔内安置高段别的8～11段雷管, 一般每次爆破3～4排炮孔;孔外用低段别的2段雷管, 每排2个孔或1个孔进行捆联组成孔外微差网路, 炮孔布置为梅花型, 孔间距a为4.5～5.5m, 排间距b为3～3.5m。这样在理论上就可以实现逐孔爆破。优化爆破网路设计后, 最大单响药量为100kg。
逐孔起爆网路敷设方法是:从前排往后排在炮孔孔内分段放置毫秒延期雷管, 第一排为8段 (250ms) , 第二排为9段 (310ms) , 第三排为10段 (380ms) , 第四排为11段 (460ms) 。炮孔深度为16.5m, 直径为Φ115mm, 填塞高度为3.5m, 连续密实装药100kg, 内置同段雷管2发;地表连线从一端到另一端按照每排一个孔组成簇联, 用2段 (25ms) 雷管捆联成节点, 再与每排一个孔组成另一个簇联, 再用2段 (25ms) 雷管捆联成另一个节点, 以此类推, 直至把地表每排每孔均簇联完毕, 最后用导爆管连线至避爆室, 用高能脉冲起爆器引爆即可, 见图1。
采取上述爆破网路, 在时间及空间上, 都减少了爆破振动的有害效应;如果毫秒延期间隔时间恰当, 错开主振相的相位, 即使初振相和余振相叠加也不会超过原来主振相的最大振幅。
3 爆破安全校核
GB6722—2011《爆破安全规程》规定, 对一般民用建筑物, 深孔爆破主振频率在10～60Hz时, 其安全允许质点振动速度为2.0～2.5cm/s。
优化爆破网路前, 每次爆破最大单响药量为500kg, 而爆区岩性为中硬岩石, 其K=150～250, 取250, α=1.5～1.8, 取1.5, 爆破振动速度V最大为1.98cm/s;优化爆破网路后, 最大单响药量Q=100kg, 爆破振动速度V最大为0.88cm/s。
4 降低爆破振动的相应技术措施
1) 选择最小抵抗线方向布孔, 尽可能使被保护的对象位于最小抵抗线两侧位置。
2) 增加布药的分散性, 多点多次爆破, 每次爆破总药量尽可能小些, 以减少爆破的振动强度。
3) 进行爆破振动监测, 为安全校核提供准确依据, 这样可及时调整爆破参数, 确保被保护目标安全。
4) 使用高精度导爆管起爆系统, 实现逐孔爆破。
5 需注意的问题
我公司采用的国产导爆管雷管为南京理工大学科技化工公司生产的第一系列毫秒延期雷管。雷管延期段别一般为毫秒级, 从1段至20段共20个段别。导爆管雷管具有抗静电、抗雷电、抗射频电流、抗水及抗杂散电流的能力, 使用安全可靠, 简便易行, 因此得到广泛应用。但该系列导爆管雷管段数越高, 雷管的延期精度越差, 延期离散性越大, 加上孔外接力雷管的延时时间又较短, 以及网路导爆管自身的延时性, 造成网路叠加或可能引起网路跳段现象, 这将严重影响爆破效果和加剧地振波效应的危害, 所以在设计导爆管接力起爆网路时点燃阵面不能太长, 也不能太小。根据目前该延期雷管的精度及延期时间离散情况, 采用3～5排炮孔的点燃阵面比较适宜。
参考文献
[1]GB6722—2011, 爆破安全规程[S].
爆破振动 篇2
为研究爆破荷载作用下高速公路既有隧道的动力特性,本文根据小净距隧道开挖爆破振动监测数据,应用小波包理论分析了爆破地震波沿既有隧道传播过程中的频谱及能量变化规律.得出了爆破地震波沿既有隧道传播过程中频谱特性、主振频率和能量随距离变化规律、不同频带上的振动速度峰值和能量变化规律.研究成果对进一步研究高速公路既有隧道的动力稳定性具有重要意义.
作 者：兰明雄 林从谋 Lan Mingxiong Lin Congmou 作者单位：兰明雄,Lan Mingxiong(泉州市公路局,福建省泉州市,36)
林从谋,Lin Congmou(华侨大学岩土工程研究所,福建省泉州市,36)
爆破振动 篇3
关键词：广清高速；工程爆破；振动监测
前言：广清高速扩建工程位于清远市横荷管理区额坑村附近，近期需进行爆破施工作业，为保障爆破施工不对周围建（构）筑物的结构安全产生不利的影响，广州爆破公司清远分公司委托广东省地震工程勘测中心对该爆破施工进行全程监测，以确定爆破施工振动对周边村庄民房建筑结构安全的影响程度，以监测数据为依据确定爆破时振动的影响程度，为预防纠纷保留法律依据，对不利影响做出相应的处理措施，并为以后的爆破施工提供优化设计参数。
一、振动监测环境及监测仪器介绍
（一）振动监测环境介绍。 广清高速扩建工程爆破监测于
2012年10月29日上午进行，距离爆破施工源最近的横荷管理区额坑村，民居房屋多为2至3层砖混结构，距离振动源最近的建筑物约65米，属砖混结构的民居。
（二）监测仪器介绍。监测仪器使用TC-4850型工程振动监测仪，该仪器系统由振动速度传感器、4850采集记录仪、笔记本电脑以及专用的分析处理软件、供电系统及其它附属设施组成，可同时测量多个分向的振动速度量及振动频率。该型仪器性能优良，灵敏度高，广泛应用在公路、铁路、桥梁、大坝、建筑、隧道、石场、矿场、定向拆除等有工程振动监测需要的现场，同时也被国内各大专院校、科研院所和监理方用于科研教学和工程振动环境监理评估，仪器使用前经过严格标定计量。仪器系统性能指标如下。
通道数：3通道并行采集；采样率：1kHz～50KHz ，多档可调；直流精度：误差小于0.5%；读数精度：达到1‰。振动速度传感器性能指标：转换灵敏度：270、600（mv/cm/s）；横向灵敏度：
10%；频带范围：5-500Hz；最大位移：4mm；最大速度：35 cm/s；输出阻抗：0.4/2.7 kΩ。
进行爆破振动监测时，将仪器架设在预先布设好的监测点上，坠落引起的振动由振源经过地下介质传播到地面，振动传感器监测到振动信号后，将其转换成电信号送入数据采集器中完成放大、采集等一系列工作。
二、监测实施过程
振动监测布置的监测点选取在有代表性的受保护建筑物内振动感觉较明显且受外界干扰较少位置上进行监测，确保了整个监测过程真实可信、科学严谨、合理有序。经过施工现场周边环境调查分析后确定此次爆破分4个监测点进行监测，每个监测点布置振动测量仪器系统一套，均进行垂直向、水平径向和水平切向三个分向振动速度量及振动频率的监测。
三、振动监测及计算
振动监测的考虑重点是保障爆破施工周边的建（构）筑物结构安全。监测伴随爆破施工同步进行，做到了慎密细致，所有参数均经现场确认并有据可查。2012年10月29日16时30分03秒爆破时产生的振动数据，4台仪器记录一次，4个监测点共监测记录了4组工程爆破振动数据。通过振动速度计算公式
公式中：Vt为塌落引起的地面振动速度，单位cm/s；M为下落构件的质量，单位为T（吨）；g是重力加速度，9.8m/s2；H是构件的高度，单位为m（米）；δ为地面介质的破坏强度，一般取10Mpa；R为观测点至冲击地面中心的距离，单位为m（米）；K、β为塌落振动速度衰减系数和指数（通常K取3.37～4.09；β取-1.66～-1.80），其值是在地面没有开挖沟槽、不垒筑土墙减振措施的条件下。每组振动数据包括三个分向的振动速度量以及主振频率，计算出12个工程爆破振动影响有关的振动参数
四、数据处理
本次监测结果评估依据国家标准《中国地震烈度表》（GB/T 17742-1999）和《爆破安全规程》（GB6722-2003）中的相关规定执行，若监测出的结果超过此标准，则说明爆破施工产生的振动对施工区域周围的建筑结构产生了影响，应对相关施工方法作出调整，若监测出的结果不超过此标准，则可以认为该爆破施工振动对附近建筑结构安全不会造成影响。
允许安全振速的确定：本次监测爆破工程场地周边的建筑结构大部分为砖混本次爆破振动监测对象的建筑结构类型属性中泥砖房属于规程中规定的1类保护对象，振动抵抗标准为不超过0.5—1.5 cm/s；砖混结构房屋属于2类保护对象，振动抵抗标准为不超过2.0—3.0 cm/s；结合各监测点的频谱分析结果，考虑到本地段的附近村庄民房的地基情况、目前的现状、当地的地质结构情况等因素，应在国家标准的基础上适当降低允许安全振速的标准，本次评估执行下述标准：安全允许振动速度V≤1.5cm/s。根据规定，结合本次监测的数据处理结果，对于广清高速扩建工程A09标爆破施工而言，2012年10月29日的爆破位于村庄的4个监测点中振动最大的是1.3776cm/s，其它监测数据介于0.4 cm/s—1.2 cm/s之间，上述数据最大值相当于安全控制标准1.5 cm/s的百分之九十一，折合成地震烈度约为Ⅱ度至Ⅲ度之间。
爆破振动 篇4
根据前期勘察设计文件资料, 本项目场地内岩体钻探的岩芯较完整, 裂隙不发育, 整体上属块状结构岩体, 区域内地质构造简单。本次爆破作业区域地势比周边高, 北面某加压站已建设完成并实现供水, 为了保证加压站储水池和精密设备仪器 (高转速高压力泵及电机) 机房的安全, 特开展爆破振动对储水池及加压泵机房的动力响应及安全距离研究。研究成果可为类似工程项目建设提供参考, 具有较好的实用价值和推广意义。
2 爆破振动安全判据及限值
在工程爆破中, 常常要求对爆破作用下的邻近建筑物、地下构筑物的安全性给出评价, 以便后续爆破施工中采取相应的安全防护措施。纵观国内外现有的相关技术标准和研究文献, 各国对水泵的允许安全振速的规定, 都是针对水泵机械本身运行的振速限值, 而未给出像爆破振动这类外部振动环境的振速限值标准。同时, 水泵运行机械本身的振速限值都非常小, 所以说水泵对振动的要求比较高。因此, 必须严格控制机械运行的外部振动环境。
根据我国《爆破安全规程》 (GB6722-2014) , 对工业厂房爆破振动安全允许标准的要求[1], 综合考虑水泵和电机等设备对外部振动环境要求较高, 水泵损坏造成的影响较大等因素, 选定爆破方案的设计安全振速1.5cm/s作为本水厂水池和水泵质点允许振动速度限值。
3 数值计算模型分析
3.1 安全距离判定方法
鉴于岩土介质的地区差异和复杂性, 目前国内外对于安全距离的判定主要采用两种方法来进行: (1) 通过爆破振动监测的方法; (2) 通过数值模拟的方法。
爆破振动监测方面, 选定安全振速1.5cm/s作为安全判据, 严格控制爆破作业强度。数值模拟方面, 采用MIDAS/GTS进行数值模拟, 分析爆破振动对邻近水池水泵的动力响应。
3.2 计算模型及参数选取
在数值模拟的计算分析中, 露天爆破震动效应问题实际上是一种半无限域内的波动问题。在数值模拟计算时, 为了提高计算的效率, 模型的建立必须是建立在有限区域内, 用一个有限域对无限大的实体进行模拟, 自然涉及到在数值计算中分析区域的确定。
3.2.1 计算模型的建立
本次数值模拟将借助MIDAS/GTS有限元分析软件建立三维模型对加压泵房和水池影响最大的两个工况进行数值模拟, 将水池至泵房方向设为x轴, 水平向右为正;将爆源垂直于水池断面方向向设为y轴, 沿爆源垂直于水池断面方向为正;z轴代表台阶高度, 取铅垂向上为正[2]。
相关文献指出, 模型各边界应取3~5倍的开挖台阶宽度。由于本次数值模拟将对水池和泵房进行有效模拟, 水池的长宽高分别为63m×40m×8m, 泵房的长宽高分别为54m×10m×10m, 为提高计算效率, 本次数值模拟模型边界取为120m×135m×50m。模型的底部和各侧面均设为无反射的固定边界, 各个边界的位移满足ux=0、uy=0、uz=0, 地表设为自由边界[3]。总体网格单元见图1所示。
3.2.2 计算参数的选取
计算参数选择的准确程度将直接影响模拟结果的准确性, 根据场地勘察资料和前期爆破监控数据反算的结果, 选取该场地砂岩的物理力学参数如表1所示。
为了使本次数值模拟结果更符合施工现场实际爆破开挖过程, 拟采用工程实际开挖过程所用2号岩石乳化炸药参数, 其相关参数如表2所示。
3.3 爆破荷载的确定
采用MIDAS/GTS有限元分析软件对爆破引起的动力响应问题进行模拟分析, 一个重要的步骤就是确定正确的炸药爆炸所产生荷载的加载模型, 这需要对爆破荷载的方向、大小和作用位置进行确定, 以及冲击荷载达到峰值的持续时间以及经过多长时间回到原点。
为方便计算, 通常认为岩土体内部任一质点的爆破压缩波类似三角形形式, 如图2所示。图3为实际脉冲波形, 在经历荷载峰值后快速衰减, 按卸载波传播, 已被爆破荷载压实的洞壁周边围岩将出现回弹膨胀现象[4]。结合工程实际, 本次数值模拟采用更符合实际的脉冲荷载曲线进行模拟, 装药量分别为泵房1kg/3m×3m、水池2kg/3m×3m, 泵房水池的脉冲荷载分别如图4~5所示。
4 数值计算结果分析
4.1 数值模拟结果分析
采用MIDAS/GTS对本项目爆破开挖过程进行进行数值模拟, 加压泵房数值模拟结果分析关键点示意图如图6所示, 水池数值模拟结果分析关键点示意图如图7所示。
通过对加压水泵泵房和水池分别建立数值分析模型, 计算分析得到如下结果 (限于篇幅, 最大振速曲线仅列举振速值最大的泵房角点) :
(1) 爆破区域离水厂60m时, 当爆源正对加压泵房时, 数值模拟结果如图8~9、表3所示。
通过对加压泵房的最大振速云图和最大振速曲线分析发现:
(1) 正向振速最大值 (受压) 和负向振速最大值 (受拉) 均出现在远爆源端房顶。
(2) 对x、y、z三方向振速综合对比, 振速最大值出现在y方向 (爆源垂直于被保护物方向) 。
(3) 数值模拟泵房关键点振速最大值均出现在2644拾取点, 有3个拾取点振速超过1.5cm/s, 占比37.5%。
(2) 爆破区域离水厂60m时, 当爆源正对水池时, 数值模拟结果如图10~11、表4所示。
通过对水池的最大振速云图和最大振速曲线分析发现:
(1) 正向振速最大值 (受压) 和负向振速最大值 (受拉) 均出现在近爆源端水池底角点。
(2) 对x、y、z三方向振速综合对比, 振速最大值出现在y方向 (爆源垂直于被保护物方向) , 与现场实际监测结果基本吻合。
(3) 数值模拟水池拾取关键点振速最大值出现在1201, 有4个拾取点振速超过1.5cm/s, 占比50%。
4.2 数值模拟结果与监测结果对比分析
数值模拟结果的可靠度是衡量数值模拟结果是否符合实际施工过程的关键参数, 在实践中通常将数值模拟结果与现场监测结果进行对比分析以评价数值模拟的可靠程度。本次分析主要针对水池和加压泵房进行数值模拟, 因此针对爆破施工实际参数的数值模拟和对应的振动监测结果, 将数值模拟最大值对应监测点与实际监测结果进行对比分析, 如表5~6所示。
对表5分析, 监测中将传感器x轴正向指向爆源端, 与数值模拟模型y方向负方向一致, 因此数值模拟结果与监测结果最大值方向一致;2299拾取点监测结果最大值为0.62cm/s, 数值模拟结果最大值为0.817cm/s;2294拾取点监测结果最大值为3.41cm/s, 数值模拟结果最大值为3.740cm/s;2644拾取点监测结果最大值为3.53cm/s, 数值模拟结果最大值为3.858cm/s;平均可靠度达86.17%, 说明本次对加压泵房的数值模拟比较成功, 结果基本可信。
对表6分析, 监测中将传感器x轴正向指向爆源端, 与数值模拟模型y方向负方向一致, 因此数值模拟结果与监测结果最大值方向一致;1207拾取点监测结果最大值为3.26cm/s, 数值模拟结果最大值为3.704cm/s;1201拾取点监测结果最大值为5.90cm/s, 数值模拟结果最大值为5.803cm/s;平均可靠度达93.18%, 说明本次对水池的数值模拟比较成功, 结果基本可信。
5 结语
(1) 通过对数值模拟和监测结果对比分析, 爆破振动引起既有泵房水池的最大振速方向一致, 振速平均可靠度达85%以上, 表明数值模拟结果符合实际情况。
(2) 数值模拟结果显示, 60m的爆源距离, 泵房和水池区域的装药量在1kg/3m×3m、2kg/3m×3m时所产生的振速存在35~50%的超限振速次数。
(3) 根据数值模拟结果, 建议爆源距在60m以内时根据实际确实需要采用更加严格的控制爆破技术和减隔震措施进行施工, 如爆破参数仍不能满足岩体开挖的要求, 建议采用机械开挖, 以确保邻近水厂设备的安全。
(4) 数值模拟与监测结果对比分析还发现, 实际监测也存在30~35%的超限振速次数, 建议爆源距在60m外参考现有爆破参数, 并结合实际监测结果实时反馈调整爆破参数。
摘要：本文依托某工程项目, 借助MADIS/GTS建立数值分析模型, 通过对数值计算结果的分析, 初步判断爆破振动对邻近既有构筑物的动力响应。将数值模拟结果和现场爆破震动监测进行对比分析, 探究数值模拟结果的可靠度, 并据此确定近距离爆破的安全距离。
关键词：动力响应,数值模拟,爆破震动监测,安全距离
参考文献
[1]刘建程, 钟冬.城市浅埋隧道的爆破减振研究[J].武汉:武汉科技大学学报, 2013, 36 (5) :392~395.
[2]黄鑫.区间隧道下穿小月河及樱花西桥的工程处理措施与数值计算[D].长沙:中南大学, 2010.
[3]张继春, 曹孝君, 郑爽英, 郭学彬.浅埋隧道掘进爆破的地表震动效应试验研究[J].武汉:岩石力学与工程学报, 2005, 22 (5) :160~165.
爆破振动传播规律的实验研究 篇5
1 场地条件与实验方案
本实验选在一个处于贵阳西部郊区的国道路基施工项目。实验场地都是贵州省分布最广的喀斯特地貌, 全部为石灰岩。整个场地的岩石强度相差不大, 场地石灰岩颜色偏灰色, 强度很低, 岩石很脆。整个场地高低相差不超过0.5 m。
我国《爆破安全规程GB 6722—86》第8.2.1条规定一般建筑物和构筑物的爆破振动安全性应满足以下安全速度要求[11]土窑洞、土坯房、毛石房屋不超过10 mm/s。施工现场都是土坯房、毛石房屋。为了不影响当地的民众生活与生产, 爆破振动波传到居民家里的最大振速最好是小于10 mm/s。为此本实验设计了单孔爆破, 二孔延期爆破和三孔延期爆破爆破实验。实验炮孔布置见图1。
在监测过程中, 总共有六台测振仪, 其具体位置见图1。这种测振仪可以测出传到该点的振动波形图, 而且可以得到最大振速, 每个测点都事先有混凝土浇筑到基岩上, 再用石膏把仪器的传感器黏结到凝固的混凝土柱上, 大致每隔5 m有一个测点。
对于单孔爆破实验, 可以通过对单孔药量, 测点距离, 测点最大振速得出场地爆破参数。对于多孔延期爆破实验, 文献[1]建议:可通过对不同延期时间下的预测结果的比较, 为爆破延时设计提供依据。毫秒微差爆破在矿山或石方开挖工程中已经得到广泛的应用, 所以本实验研究可以大体找出针对贵阳地区喀斯特地貌特有的延期时间。
由于受实验条件限制, 本次实验的延期时间大体上递增, 所有的孔都为连续装药。单孔爆破一共有七组, 分别为1~6号孔和9号孔, 双孔爆破有三组, 延期分别是25 ms, 60 ms和110 ms, 三孔爆破也进行了三组, 延期时间依次是25 ms, 50 ms和75ms。装药均为连续装药, 但是深度有变化。1~6号孔深均设计为3 m, 9号孔及后面的孔深设计为5m, 但是4号孔由于孔被阻塞只剩下2 m左右。各孔具体装药量, 孔深和坐标见表1。
注:MS-3×1表示一根三段的雷管, 两段延期25 ms, 三段延期50 ms, 五段延期110 ms。
2 实验结果
2.1 单孔爆破实验
贵阳地区多山, 而且基本都是喀斯特石灰岩, 岩石的性质相差不大, 对于各种工程建设基本都必须用矿山法来处理岩石, 预测工程爆破传到附近居民住宅处的振动波速很有必要。因单孔爆破实验主要是用来探索爆炸振动波能量的耗散规律, 且通过各单孔爆破实验的对比也可以来探索爆破效果的影响因素, 从而可以预测振动波速。目前主要采用萨道夫斯基公式[12]和经验系数方法来研究爆破振动波的耗散规律与振动预测, 如式 (1)
式 (1) 中:v为介质质点振动速度的峰值, cm/s;R为爆心距离, m;Q为炸药量, 即同时段爆破的总药量, 延时爆破为单段最大药量, kg;K、α为与爆破条件、场地地质条件等有关的系数, 由经验和回归分析确定。
速度可分为三个相互垂直的分向量 (垂直分量、水平径向、水平切向) , 但是在爆破规程中没有明确说明应采用哪一分量为标准。在实际工作中, 往往只观测水平径向和垂直分量的速度, 并以某一分量最大值作回归分析。本次实验中, 振速在三个方向的大小变化上很大, 速度峰值取三个方向上的速度矢量和来分析。
实际上, 萨道夫斯基公式是根据洞室大爆破的经验和统计提出的。为了得到可信的K和a的值, 需要利用现场实验的多次单孔爆破振动测试数据, 进行线性回归分析。
对式 (1) 两端取对数, 可以得到:
令y=lnv, x= (1/3) ln Q-lnR, b=ln K。则式 (2) 化为:
由于单孔实验中Q、R, v已知, 故可得到若干组已知的x、y值, 即若干已知点。通过使用最小二乘法将这些点拟合成一条直线, 则该直线的斜率a=α, 截距b=lnk, 所以:
对于单孔爆破实验进行了七组实验, 因为萨道夫斯基公式用最小二乘拟合至少需要十组数据, 故针对此公式去了如下表2的20组数据, 药量分别取了2.5 kg、5 kg、7.5 kg和13.5 kg。而且分别取了各测点的x向的最大振速, 而且用全站仪分别测出了爆破孔到测点的直线距离, 得出了如表2的数据。
注:表中速度v为三个方向的矢量和峰值。
把得到的x和y的20组数据用最小二乘拟合成一条直线, 得到的结果如图2所示。
5号孔的爆破振动能量到测点一的振速的矢量叠加如图3, 从图中可知最大振速为0.985 5 cm/s。5号爆破点距离测点一的距离R为42.542 9 m, 装药量Q为5 kg, 带入得K和a值带入萨道夫斯基公式计算的v为0.740 9 cm/s。实地场地影响因素很多, 通过比较数据相差大小在允许范围之内。此K和a值可以用来指导贵阳地区工程爆破施工。
爆破场地的条件各不相同, 影响爆破振动波传播的因素很多, 所以用萨道夫斯基公式也只是粗略的算出爆破振动波到某处的振速大小。通常受多种因素影响的回归分析的相关系数较低, 所以近距离的爆破振动峰值计算误差可达200%~300%, 远距离的计算误差也有50%以上。
比如在实验得出的数据之中, 4号孔爆破的数据有点反常, 其测得的振速都比3号孔的大, 下面图4是3号孔和4号孔在测点一的对比波形图, 4号孔的振速明显比3号孔的要大。3号孔在测点一z方向最大振速为0.403 4 cm/s, 但是4号孔在测点一的z方向最大振速为0.720 4 cm/s。虽然3号孔的药量比4号孔多2.5 kg, 而且3号孔离测点一的距离要比4号孔要近。通过在场地对整个装药填塞, 孔深和传播路径等因素的分析, 以上对比结果主要由两个方面原因引起的, (1) 3号孔表填塞没有4号孔填塞的质量好, 3号孔从填塞处逸散的能量占得比例比4号孔大; (2) 4号孔深度比3号孔浅, 4号孔孔底距离测点一可能比3号孔的要小。唐海等人[13]证明凹形地貌对爆破振动波具有衰减效应, 其衰减系数不仅与其宽度和深度有关, 还与最大段药量和爆源距有关;凸形地貌不仅对爆破振动波具有放大效应, 而且放大效应具有方向性, 振动速度垂直向较水平向放大效应明显。
2.2 多孔爆破实验
多孔爆破实验主要是研究毫秒延期爆破对场地爆破效果的影响, 研究出针对贵州喀斯特地貌的最佳延期时间, 对多孔爆破波形叠加进行初步的实验研究。
多孔爆破实验孔的布置如图1, 延期设置如表1, 对于工程爆破, 最佳的延期时间是很有必要的, 如果在一个很空旷的场地, 周围没有民房等建筑, 完全可以不用延期爆破, 让所有的孔在最短的时间内起爆, 这样可以得到最佳的爆破效果, 根据爆破振动波相干叠加性[14], 基于实际单孔爆破振动波的线性叠加, 预测群组爆破时指定点的爆破振动, 就可以得到最大的爆破振速, 这样就可以破坏更大范围的岩石。但是对于在实际工程中, 大多数不是要得到爆破的最大破坏效果, 而是要在不损坏周围建筑的前提下达到最大的爆破效果。
延期爆破也可以叫做毫秒微差爆破, 在许多爆破施工中, 须控制爆破振动有害效应, 因此爆破振动控制是爆破领域中一个经常遇到且十分重要的研究课题。在爆破施工过程中, 为降低爆破振动, 保护周边建 (构) 筑物等重要设施安全, 普遍采用增加雷管段数、减少同段最大药量的办法, 文献[15]中指出, 这种措施有时奏效, 有时却事与愿违, 这表明用微差爆破方法降低爆破振动强度存在着最佳值。
由波动学[16]可知, 不管是多么复杂的随机波, 均可以分解成若干个不同频率不同幅值的正弦波, 因此质点爆破振动幅值与时间函数可用式 (5) 描述。
式 (5) 中, A是描述爆破振动的物理量;A0i (t) 为与地质条件、振动持续时间有关的幅值函数;ωi为第i个正弦波的振动频率, t为振动持续时间。i为第i个正弦波的初相位。
工程实践发现, 爆破振动是以地震波的形式释放能量, 振动波具有迭加、干扰、衍射等波的属性。采用微差爆破时, 每一段可等同一个点爆源。由式 (5) 知, 从理论上讲, 如果微差间隔选择合理, 各分段药量布置得当, 由前一段产生的振动波与后一段产生的振动波相互迭加。当振动相位相反时, 则其振幅可近似为零;当相位相同时, 则爆破振动强度有可能成倍增加。尽管从理论上可以作到量化分析, 但由于地质条件及爆破振动影响因素的复杂性, 在实际施工实践中却往往难以做到。文献[15]指出不能只考虑同段最大药量, 还要考虑延期时间, 测点距爆区距离及各段药量分布等参数, 只有三者达到和谐统一时, 才能达到最佳降振效果, 但是文中没有一个定量的描述, 对于实际工程意义不大, 本次多孔延期爆破可以通过这几组实验研究针对喀斯特地貌得到一个最佳延期的定量分析。
根据相关文献[4]及本次实验的振动数据来看, 爆破振动的垂直向速度常常不是最大, 而径向水平速度往往比较大;在爆心距较小时, 径向与垂直向加速度为同一量级, 在远离爆心时, 地面振动以径向加速度为主。此外由于建筑物的竖向抗振能力远比水平向的大。所以把水平径向最大速度值作为振动烈度的物理标准比较适宜。为了比较, 取x方向的最大振速来进行研究, 结果如表3。
图5为双孔在延期25 ms、60 ms和110 ms下爆破在测点一的x向的振速波形图, 从图中可以看出, 延期只有25 ms, 所以看不到具体的两个分开的波形图, 25 ms延期是波形叠加很大, 振动效应叠加, 不利于对周围建筑的保护, 但是可以得到比较大的爆破效果;延期60 ms和110 ms条件下看到两个明显的波形, 说明波形叠加的不多, 这两次爆破的最大振速都小于25 ms延期下的爆破振速, 从波形图中也可以看出波形的叠加是逐渐衰减的, 第一次叠加的波形最大幅值总是大于后面的叠加波形幅值, 而且110 ms延期的最大振速大于60 ms延期, 说明振动对于周围建筑破坏最小的延期肯定小于110 ms。
图6是三孔延期爆破分别延期25 ms、50 ms、75ms的在测点一的振速波形图, 可以看到三个明显的叠加之后的振动波形图。
从这几组延期爆破实验中, 可以得出一个大的结论, 从图7可以看出:如果场地爆破要达到对建筑的最小破坏, 而且爆破效果比较好的情况下, 延期在80 ms附近时, 振速达到一个相对较低的值。如果要节省爆破炸药, 周围没有居民建筑, 可以尽量减少延期爆破, 这样可以达到最大的爆破效果, 从图中可以看出, 两孔和三孔延期爆破延期时间越小, 其振速都显示增大的趋势, 所以此爆破延期实验结果对与贵州喀斯特地貌土石方挖填施工的岩石爆破具有重要的指导意义。
3 结论
通过对贵州喀斯特特殊地貌进行单孔控制爆破, 双孔延期爆破, 三孔延期爆破实验, 得出了几个非常有工程意义的结论。
(1) 通过单孔控制爆破实验, 利用萨道夫斯基公式来推导爆炸振动波的传播规律, 利用最小二乘拟合得出针对于喀斯特石灰岩的K和α值, 可以用此两个参数来估算测点的最大振速。
(2) 通过多孔延期爆破实验, 得出了在尽可能对周围建筑最小的振害条件小用最多的爆破药量爆破最多的土石方。通过数据定量分析, 可以推出在80 ms左右延期设计下振速达到一个相对较低的值, 是最佳爆破延期。
(3) 爆破场地的条件各不相同, 影响爆破振动波传播的因素很多, 所以不能只用萨道夫斯基公式来估算振速, 应该把实地的因素考虑进去, 填塞好和传播过程中有凸地面适当的加大振速估计, 反之则反。
(4) 通过延期与振速的数据关系图, 随着延期的减小, 测点的振速越来越大, 所以在大范围的土石方爆破中, 要用最小的药量来达到最大岩石破坏效果, 可以减少延期爆破时间, 最好是可以同时起爆。
摘要：根据场地爆破振动波的传播原理与耗散规律, 设计了单孔爆破、双孔延期爆破和三孔延期爆破试验。首先研究了单孔爆破在控制药量变化和传播距离变化下的振速峰值变化规律, 利用萨道夫斯基公式反推场地的爆破振动参数, 通过爆破振动参数可以预测爆破施工中任意点的爆破振动速度峰值;其次通过单孔爆破数据比较分析了影响振速的因素, 以此来修正理论计算的值;最后研究了双孔和三孔在不同延期时间下爆破, 得出了爆破振动波的叠加规律;并通过分析延期与振速关系得出爆破最佳的延期时间。
爆破振动波形预测模型及应用 篇6
关键词：爆破振动,波形函数,振动波形,预测模型,预测波形
工程爆破在国民经济发展中发挥着至关重要的作用, 在矿山、水利、交通等工程中得到广泛的应用。它加快了工程建设的进度, 节约了能耗, 但与此同时也带来了一些负面影响, 包括爆破地面振动、爆破个别飞散物、冲击波等等。随着人们生活质量的提高和爆破环境的复杂化, 对爆破效果的控制要求越来越严格, 因此爆破灾害的预测与控制是岩土爆破界亟待解决的问题。
由于爆破振动涉及到的因素有很多方面, 与炸药量、炮孔大小、地质条件、爆破环境等物理量都有关系。到目前为止, 以往的爆破预测大都是建立在通过对大量测试数据进行回归和统计分析基础上得到的, 以经验公式和经验系数为主, 但也只能对爆破振动效应幅值的大小进行预测。现有的关于爆破振动强度预测的经验公式大都符合以下形式[1]:
其中, V为用来描述爆破振动强度的物理量, 例如振动速度、加速度、位移等;Q为炸药量, kg;R为测点到爆源中心的距离, m;k, m, n均为与爆破条件、地质特性等相关的系数。
综合比较现在世界各国应用于爆破振动强度预测的经验公式, 如中国的萨道夫斯基公式[2], 美国矿务局的经验公式[3]等等基本都符合式 (1) 的形式, 只是表达方式不尽相同, 但其预测结果差别并不是很大。
经过大量的试验比对, 专家学者们发现用爆破振动的峰值速度来描述爆破振动强度最有意义, 从而延伸到对爆破振动波形的预测。这样不仅可以预测幅值大小, 还能看出不同频率下相位的分布。吴从师[4]、徐全军[5]、刘军[6]、Yang[7]等都在波形预测上进行了深入研究, 非常具有代表性。此外, 近年来随着人工神经网络方法的出现, 也有人把此方法应用于预测爆破振动强度[8,9], 该方法有着极强的非线性动态处理能力, 在爆破振动预测方面发挥着强有力的作用。
1 信号函数形式分析
1.1 应力波初始波形特点
P.J.Tidman和J.R.T.Grant通过下述实验[10]:炸药类型EN1509 (密度1.6 g/cm3, 爆速7 000 m/s) , 药量100 g, 炮孔直径25 mm, 装药方式选用条形耦合装药, 在13%的孔四周贴绕长10 mm的带状铝箔 (宽2 mm, 厚5μm) 的传感器来监测孔壁运动。得出振动的主振周期1μs, 主振频率1 000 k Hz, 最大振幅1.6 mm/μs, 主要震荡次数是1次。
另外, A.M.斯坦福尔得提出:一个长6.7 m的药卷在波速为6 167 m/s的岩石中以6 500 m/s的速度爆轰, 应力波衰减指数n=1.44, 圆频率ω=0.014μs, 则波的形状为:
总结上述各个实验, 发现在单孔爆破时, 应力波波形在初始阶段基本相同。在短时间内, 压力快速升高到很大, 然后开始下降。波形在经历1个~2个周期后开始衰减, 衰减速度由慢及快。此外, 主振频率和峰值差别较大。
1.2 确定信号函数
信号函数只与爆炸的初始条件有关, 其影响因素包含很多方面。在耦合装药条件下, 设单孔信号函数为ajδ (t) , 其中, aj为第j个炮孔爆炸强度幅值;δ (t) 为单位脉冲函数[11]。其中:
其中, aj的确定方法如下:首先确定一种标准炸药, 然后寻找一个标准药量Q0能与a0=1对应。则b为实际使用的炸药波阻抗与标准炸药波阻抗的比值, Q为第j个炮孔的药量。
若设mj为第j个炮孔装药的不耦合影响系数, 已知耦合度不仅对初始参数的峰值有影响, 而且对脉冲周期的影响也不容忽视。但考虑到要建模型, 在这里先忽视它对脉冲周期的影响。因此, 在不耦合装药条件下, 可求得单孔信号函数为mjajδ (t) 。
2 响应函数构建
响应函数的构建涉及到爆破的方方面面, 能反映出在爆破过程中包含的各个因素。目前仅仅由单孔信号函数还无法算出其响应函数s (t) , 而需要通过对试验数据进行回归分析得到, 在近场的爆破地震效应中最具代表性的是R.L.Yang, P.Katsabanis和W.F.Bawden的实测记录, 实验记录情况见文献[12]。文献给出这样的结论:频率越高, 振动波的衰减越慢。而远场振动波的衰减规律是在一个周期或一个波长上的能量衰减是一个常数。
国内外有关由爆破响应函数预测出的波形的几率资料有很多, 综合比较可以发现当离爆破地点较近时, 爆破的振动频率都在1 000 Hz以上。单孔爆破获得的振动信号中包含了爆破振动的各种属性特征, 利用实测的单个炮孔爆破振动波形来表征群组炮孔的爆破振动特点也是有依据的, 但大多数都停留在理论分析阶段。由于爆破的复杂性, 爆破预测存在着很大误差, 还需要进一步分析研究, 增加其可靠性。
因此, 在单孔爆破条件下, 考虑到爆炸相似定律, 结合萨道夫斯基公式, 构建的单孔爆破地震波响应函数为[13]:
其中, s (t) 为介质质点的振动峰值速度, cm/s;β为品质因子, 取为70;k, α分别为与爆破点至介质质点间的地质条件、岩石特性等有关的系数和衰减指数, 其取值可按表1选取;其他符号意义同前。
经分析, 该模型的构建同时考虑了振幅和频率的衰减规律, 也考虑了影响爆破地震波振幅、频率衰减的较多因素的作用, 减小了爆破预测的误差, 对爆破地震波的全过程进行了模拟, 可以运用到实际工程中, 有助于对爆破地震进行评估和对爆破参数进行优化。
3 应用实例
青岛地铁一期工程 (3号线) 02标处于城市建成区内, 周边军用、民用设施众多, 管线密布, 特别是地铁下穿青岛市市南区德国建筑群。如何主动控制爆破振动、防止爆破地震效应的发生已成为工程施工中的重中之重。
现场爆破试验选在中山公园站1号风井, 井深24 m, 地下水位埋深9.2 m, 矩形断面, 兼做施工竖井。试验中所采用的单段炸药量分别为0.85 kg, 1 kg, 现场测点布设图如图1所示。
风井周围环境较为复杂, 东侧有一座三层砖石结构的楼房, 北侧有市政燃气管道通过。它的围岩属于燕山晚期花岗岩及花岗斑岩类型, 质地比较坚硬, 需采用爆破法开挖, 运用台阶法浅孔微差控制爆破, 楔形掏槽, 选用2号岩石乳化炸药, 防水性能较好。井壁四周则可以充分依据光面爆破控制技术, 采用导爆索配合光爆小直径炸药。根据《爆破安全规程》, 一般砖房的爆破振动安全标准如表2所示。
现场试验大体上可以分为两个部分, 第一部分是进行单段爆破试验, 第二部分是进行微差爆破试验。每个部分都要紧凑衔接, 确保试验的准确性。为安全起见, 首先进行爆破振动预测, 依据构建的模型, 单段爆破的预测波形如图2所示, 包括时程曲线和频谱图。而实测的两个测点单段爆破的波形如图3所示。
通过图2和图3的对比, 可以看出, 预测波形与实测波形其特征基本相同, 因此说明此模型满足实用要求。
第二部分进行微差爆破试验, 分为两步:1) 在各段装药量不变的条件下, 优先起爆第1段炸药, 待微差时间t后再起爆第2段炸药, 采集相应信号, 编号为S1;2) 在保证各段装药量及微差时间不变的前提下, 起爆顺序与第一步正好相反, 其他过程相同, 采集到的信号编号为S2。考虑到雷管对微差时间的选取有限制作用, 对间隔延期雷管爆破进行了合理的微差时间的预测, 图4是微差时间分别为25 ms, 50 ms爆破的预测波形结果。从图4可以看出, 当微差时间为25 ms时, 爆破振动的最大振幅为1.94 cm/s, 主频为117 Hz;当微差时间为50 ms时, 爆破振动的最大振幅为1.83 cm/s, 主频为121 Hz。而单段爆破振动的最大振幅为1.85 cm/s, 主频为116 Hz。亦即当微差时间为25 ms时, 爆破振动强度增大, 而当微差时间为50 ms时, 两段信号独立且没有叠加, 振动强度没有增大, 说明微差时间为50 ms是合理的, 这点也可通过试爆测试看出 (见图5, 图6) 。
4 结语
某露天磷矿爆破振动的影响分析 篇7
某露天磷矿位于昆明市西山区海口镇, 水陆交通条件便利, 公路四通八达。矿区地貌特征为高山地形, 南缓北陡, 山麓地形与岩层倾斜方向大体一致, 随之起伏。矿区最高峰标高2225.75m。
近年来, 随着矿山生产能力的提高、开采规模的逐渐增大, 露天采矿作业离周围村庄也越来越近, 爆破作业是否会对村庄民居造成影响是矿山必须考虑的问题[1]。为此, 对某露天磷矿爆破作业时产生的振动进行了监测, 并对监测结果进行了分析, 研究判断爆破振动的影响, 为矿山今后的爆破作业提供了指导依据。
2 爆破振动测试
2.1 测试原理
为保证建 (构) 筑物的安全, 需将爆破振动强度控制在一临界值内, 若超过此临界值, 就会引起建筑物或岩体的破坏, 这个爆破振动强度临界值称为爆破振动判据。在评价爆破振动对建 (构) 筑物的危害时, 可用位移、速度、加速度作为破坏判据, 但具体用哪一种量作为衡量地震波强度的标准最为合适, 至今仍无定论, 大量的实践观测表明, 爆破地震破坏程度和振动速度大小关系密切[2]。因此, 在实际工作中, 多以质点的振动速度作为衡量爆破振动破坏的标准。
2.2 测试系统及测点布置
在选择合适的测试系统时, 应考虑到爆破现场的地质地形条件、所要求的精确度和仪器设备的限制等因素, 此次测试选择成都中科测控有限公司生产的TC-4850爆破测振仪和速度传感器。
根据测试要求, 针对不同采场的爆破, 每次测试经过现场勘察后在爆区周围布置五个爆破振动监测点, 具体测点见表1。
3 测试结果及分析
3.1 测试结果
矿山每次爆破均采用逐孔起爆网路, 孔间延时间隔时间17ms, 一次起爆总药量不超过10t, 最大单响药量不超过108kg, 具体爆破规模见表1。通过三次爆破振动测试共得出15组有效数据, 其中一测试振动速度波形如图1所示, 其频谱分析如图2所示。测试结果汇总见表1。
3.2 结果分析
3.2.1 回归分析
根据爆破工程中普遍采用的萨道夫斯基经验公式[3]:
式中:v———质点的最大振动速度, cm/s;Q———炸药量, kg (齐发爆破时为总装药量, 延迟爆破时为最大一段的装药量) ;R———测点至爆源中心的距离, m;K———与爆破场地条件有关的系数;α———与地质条件有关的爆破地震波衰减系数。
对所测得的爆破振动数据进行线性回归求得各采场爆破振动的传播衰减规律:
3.2.2 波形分析
根据对所测爆破振动波形进行分析, 发现该矿山的爆破振动存在如下规律:
(1) 从振动波形图可看出, 在振动持续时间段内, 因为采用的是逐孔起爆网路, 延时间隔时间很短, 虽然不同时起爆引起的爆破振动不能明显分开, 但波形比较平缓, 振幅不大, 在周围建筑结构的主振速都能控制在0.09cm/s以内, 说明振动波形的叠加放大不明显, 设计的最大单响药量、延时时间间隔和总的起爆规模是合理的。
(2) 通过对振动波形频谱分析发现, 虽然质点振速的频域范围相对普通爆破和延期爆破较宽[4] (小于50Hz) , 但主振频率一般在4~13Hz之间, 比较接近周围建筑结构的自振频率 (一般在10Hz以下) , 易引起共振[5], 因此该频率范围内的地震波能量会对建筑结构造成较大的影响。
(3) 矿山三个采场的爆破规模均差不多, 在周围最近建筑结构6#矿石加工点所测的最大振动速度为0.0828cm/s, 主振频率为6.59Hz, 远远小于《爆破安全规程》规定的民房爆破振动安全允许标准[6]。因此对于离爆区更远的马房村、耳材村、海丰村和矿部等处的土坯房、毛石房屋、砖房和砖混结构房屋等民房, 类似规模的爆破振动都不会对这些民房结构造成不良影响。
4 结论与建议
4.1 通过对所测得的爆破振动数据进行线性回归求得各采场爆破振动的传播衰减规律, 为爆破振动预测提供了计算依据, 有利于指导矿山今后的爆破作业。
4.2 在矿山周围建筑结构所测的最大振动速度均没超过0.09cm/s, 远远小于《爆破安全规程》规定的民房爆破振动安全允许标准。因此对于离爆区更远的马房村、耳材村、海丰村和矿部等处的土坯房、毛石房屋、砖房和砖混结构房屋等民房, 类似规模的爆破振动都不会对这些民房结构造成不良影响。
4.3 振动波形分析表明, 此次爆破质点振速的主振频率一般在5~15Hz之间, 比较接近一般民用非抗震建筑结构的自振频率, 更易引起共振。因此虽然目前矿山生产爆破所产生的地震波未对周围村庄的建筑结构造成不良影响, 但建议在以后的爆破工作中应采取相应技术措施提高爆破的主振频率, 使之远离建筑结构的自振频率, 以防建筑结构因共振而更易发生破坏。
4.4 建议矿山今后的生产爆破应严格按照已批准的爆破设计进行作业, 尽可能不要在老百姓在家休息时起爆, 以免老百姓在心理上有影响。
摘要：为确定某露天磷矿露天开采爆破振动的传播规律及对周围村庄民居的安全影响, 对该矿不同采场的爆破作业振动进行了测试。对监测数据进行回归分析, 找出了该矿爆破振动的传播规律及特征, 判断爆破引起的振动不会对周围村庄民居产生不良影响, 并就如何降低爆破振动影响提出了一些建议, 为矿山今后的爆破作业提供了指导依据。
关键词：爆破振动,地震波,振动测试,回归分析
参考文献
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中家湾隧道爆破振动监测与分析 篇8
目前,爆破开挖施工法成为隧道施工广泛采用的方法,特别对山区隧道更是如此。但是爆破开挖施工除了影响自身隧道的安全稳定,也会影响附近其他既有的建筑物安全稳定,因此为了确保工程顺利进行,需要建立工程爆破振动控制与监测系统。
中家湾隧道位于湖北省宜昌市夷陵区黄花乡境内,全长224 m。距离隧道左洞洞中心线26.53 m、洞顶高差49.036 m处为一20万V 的高压输电塔。该电塔是黄花乡输电线路上的重要设施,而隧道爆破开挖产生的振动对隧道上部的电塔有较大的影响,因此,为了确保电塔的安全性,需严密监测隧道的爆破振动。
1 隧道爆破监测
1.1 研究区域概况
中家湾隧道所属区域构造单元属扬子准地台八面山台褶带黔江隆褶束中的宣恩凹褶束。受新华夏系联合弧形构造带和北北东向复合式构造带影响,研究区内构造形迹以NNE向为主。同时,隧道区内上覆盖层为残坡积碎石土,沿山坡分布,局部沟谷处有第四系冲洪积亚粘土、砾卵石层,下伏基岩主要有出露侏罗系上统蓬莱组、隧宁组长石石英砂岩夹紫红色泥岩,侏罗系中统上沙溪庙组薄～厚层状紫红色粉砂质泥岩夹灰、灰绿色长石石英砂岩互层,上沙溪庙组紫红色薄～中层泥质粉砂岩,与灰白色中～厚层长石砂岩不等厚互层。地层倾向一般南东138°～150°。
为了使爆破振动对周围的环境产生的影响达到最小,根据隧道爆破原理,中家湾隧道采用了单段毫秒延时爆破。该爆破方法的优点是利用两组药包的若干毫秒的间隔,后一组爆破时能利用前一组爆破时所产生的自由面、剩余应力和应力叠加,达到比常规爆破单位耗药量少,可控制爆堆方向、爆堆集中,爆破均匀,爆破地震强度低,施工安全和进度快等效果。
1.2 监测设备选用
依据工程实际情况及以往的监测经验,监测设备选用Ubox-20016振动自动记录仪(见图1)。该仪器由于具有轻巧、携带方便、灵敏度强等多种优势,近年来在爆破振动监测中得到广泛的应用。在监测时,连接Ubox与计算机进行联机实时监测。当爆破振动传递到测点时,速度传感器(振动记录仪所使用的探头)采集测点的地震波信号后将其转换成电压信号并传递给爆破振动记录仪,经过计算机数模转换后,将结果输入到电脑,进行分析和存储处理。记录完毕后利用提供的配套软件(TopView)进行数据处理和分析。与传统的测试方法相比,该监测方法使现场测试更方便、高效,同时凭借计算机的强大功能,监测数据处理更加准确、方便,功能更完善,极大地提高了实际监测工作的效率。
1.3 爆破振动监测物理量的确定以及监测点布置
相关研究表明,爆破引起的振动是一种极其复杂的随机地震波。它的振动强度可用介质的运动各物理量(如位移、加速度和速度)衡量。但具体哪一种介质的运动物理量能比较准确地衡量地震波强度,至今仍无定论。大量实践证明,振动速度大小与爆破地震破坏程度有密切的关系,故在实际爆破振动研究中,常采用介质质点振动速度的竖直分量作为衡量地震波强度的标准。因此,本文采用地震波质点振动速度的竖直分量作为监测过程中爆破地震波的测试物理量。
由于中家湾隧道爆破施工不远处有一高压电塔,为了减轻及控制爆破开挖对高压电塔产生的不利影响,在高压电塔塔底基础最靠近爆源的区域上分别布置3个测点。隧道爆破施工时,对3个监测点同时进行监测,并进行现场采样记录(见图2),分析振动效应。
2 爆破振动监测数据回归分析
2.1 爆破点地形地质条件衰减指数的回归分析
依据《爆破安全规程》规定,爆破振动的安全距离一般采用M.A萨道夫斯基公式计算:
其中,R为爆破地震的安全距离;Qmax为最大单响药量;V为建筑物所能承受的最大振动速度;K为与爆破地形、地质条件有关的系数;α为地震波衰减指数。
爆破形式、地质和场地等外部条件对K及α的影响较大。为了提高K及α的准确性,本文以M.A萨道夫斯基公式为基础,运用Matlab中的最小二乘法进行数据拟合求得相应爆破振动方程的实际衰减系数K,α。为了方便监测数据的拟合,对M.A萨道夫斯基经验公式两边取自然对数得:
此次爆破施工共进行了7次监测。选择有代表性的5组数据进行分析。分析结果见表1,然后运用Matlab中的最小二乘法并结合测试结果与工程地质勘察资料(中家湾隧道所通过地层岩性为页岩,属软质岩),对监测数据进行回归拟合分析(见图3),反演分析出爆破点地形地质条件衰减指数K=300.52,α=1.92。
2.2 安全装药量计算
利用得出的K,α值,根据式(1)便可计算出实际开挖进尺R对应应该采用的最大单响药量Qmax值。本文采用《爆破安全规程》中允许安全振动速度,针对不同围岩情况,导出理论单段最大装药量,如表2所示。
3 结语
1)通过现场测试和勘察资料分析,根据GB 6722-2003爆破安全规程,通过Matlab数值拟合以及反演的方法确定围岩条件较好时K=300.52,α=1.92;
2)单段装药量越大,转化为地震波的能量越多,爆破振动越强烈;距爆心的距离越远,振动衰减越大,爆破振动越弱;
3)考虑地形地质条件影响,围岩条件较好时,建议爆心距小于62.5 m时,单段最大装药量宜控制在10 kg以内,当爆心距小于60 m时,单段最大装药量宜控制在9 kg以内,爆心距小于58 m时,即处于电塔的正下方时,单段最大装药量宜控制在8 kg以内。
摘要：在中家湾隧道爆破施工过程中进行了爆破振动监测,应用基于Matlab的最小二乘法的回归分析得出了K,α值。根据K,α值获得的爆破振动规律估算出爆破振动达到安全振速时的单段最大允许装药量,以确保高压电塔的安全。
关键词：爆破振动,监测,回归分析
参考文献
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爆破振动 篇9
关键词：隧洞,爆破振动安全,弱振动爆破技术,振动监测
0 引言
金鸡山隧洞是福建省石狮市引水二期工程重要组成部分, 在整个洞线 (总长度496m) 的周边, 存在严峻的爆破振动安全问题[1], 尤其是在出口100 m范围内存在相当密集的民用建筑, 如在出口右侧10~20m处有数栋条石结构民房, 在洞线正上方7~10m为行车频繁的既有公路, 公路两侧也密集数栋民房, 同时在隧洞上部地层有输油管道交叉经过, 具体周边环境如图1所示。在如此复杂环境下进行钻爆施工, 如何确保周围民房住宅及其他重要建 (构) 筑物及设施的爆破振动安全, 成为该隧洞开挖工程顺利进行和完成的关键。
针对该工程复杂环境的特点, 在工程施工中提出了依据爆破振动控制标准、实施爆破振动跟踪监测与谨慎的弱振动隧道钻爆技术的三位一体的技术方案。在监测参数反馈的基础上, 采取了一系列控制振动的钻爆程序和爆破工艺, 实现了隧洞弱振动爆破的控制目标, 也取得了相关的研究成果和施工经验。
1 周边环境振动安全问题
当隧洞掘进过程中爆破振动安全问题突出时, 为掌握周边建 (构) 筑物及有关设施的爆破振动响应特性以及抗振性能, 一方面必须采取爆破振动监测的方法[2,3], 另一方面对周边环境调查取证, 分析和制定各类建 (构) 筑物的爆破振动安全标准。
1.1 民房建筑的状况
通过详细的入户调查, 村内房屋的特点是:多数的为条石结构, 基础大多未做规范处理;也有部分为砖混结构, 但均未形成框架;另外还有少部分闲置的土坯房。在整个隧洞沿线散落的各类民房之间的抗震性能尽管有所差异, 但整体抗震性能均较弱。
1.2 公路行车振动分析
该隧洞的顶部为车辆过往繁忙的公路, 一些重载车辆在一定行车工况下也会引起地面震动。为了解该震动对周边建筑物的影响特性, 在隧洞正式爆破施工前, 覃钰章[4]等专门做了有关行车振动的测试和研究, 一些大型施工车辆正常行驶时的等效振速达到1.31cm/s, 该振动大小与隧洞正常钻爆开挖引起的爆破振动在同一量级上。隧洞钻爆开挖对于周围建筑物的振动影响与该公路来往的一些大型施工车辆正常行驶的振动影响是相当的, 行车振动测试可为钻爆施工合理的振动控制及周围建筑物安全评价提供旁据。
1.3 爆破振动安全允许标准
按照国家规范要求及相关研究成果[5,6], 对于爆破振动作用下建筑物的安全影响问题, 均一致采用峰值质点振动速度Vm (cm/s) 作为爆破振动强度及爆破振动安全的判据, 同时考虑频率的影响。
本隧洞的钻爆施工中采用手风钻造孔, 并采取短进尺、较小单响药量、断面分部钻爆等一系列控制振动的施工方法和工艺, 此类爆破方式产生的爆破振动频率一般较高[7], 主频一般在50Hz以上。依据国家《爆破安全规程》提出的有关爆破振动安全允许标准, 综合周围建筑物的结构特点和质量状况, 提出该隧道钻爆开挖沿线的建 (构) 筑物的爆破振动安全控制标准统一为[V]=2.7cm/s, 施工过程中必使爆破开挖产生的振动严格控制在这一安全标准内。
2 隧洞弱振动爆破施工技术
2.1 隧洞钻爆技术
隧洞开挖断面呈城门洞形, 开挖底宽6.2m, 高4.5m, 其钻爆施工从出口处重新开始掘进。隧洞钻爆施工, 通过选择合理爆破参数和施工工艺, 将爆破振动影响严格控制在允许的安全标准之内, 以实现弱振动为总体目标。具体采用的施工措施包括如下几个方面:
(1) 掏槽质量是确保有效循环进尺的重要保证, 也是形成良好自由面的关键。掏槽效果不好就易形成岩石的夹制作用, 致使崩落孔与周边孔形成的爆破震动波在围岩区域传播的能量更大。隧洞开挖初期对掏槽方式进行了爆破试验, 在设计循环进尺范围为1~2m的情况下, 证明直孔掏槽能确保良好的掏槽质量。
(2) 最大单响药量与爆破振动强度密切相关, 是影响振动大小的主要因素之一。根据文献[5]及国内外一些研究成果, 目前多数国家采用萨道夫斯基的经验公式进行震动安全校核和单响最大起爆药量的计算:
式中:V为爆破峰值质点竖直振速, cm/s;Q为单段最大装药量, kg;R为爆破中心至测点之间的距离, 即爆心距, m;K为介质系数;α为衰减系数。
考虑本工程爆破介质及地形特点, 取K值为150, α值为1.5。按洞口10m的条石房屋, 允许振速[V]=2.7cm/s来控制单段起爆药量, 计算确定最大单响药量Q按3kg控制。
(3) 为避免爆破重段及爆破振动波叠加情况, 选取了毫秒非电导爆管雷管孔内微差的延期起爆技术, 并使前后段爆破时差≥50ms, 在时序上控制各段炮孔的起爆。
(4) 在隧洞沿线, 根据周围建筑物的距离和振动响应情况, 调整一次钻爆的钻孔深度, 即通过改变一次钻爆循环的进尺来控制单次爆破的规模。
(5) 在一些需要重点控制振动的洞段, 为了进一步减小一次爆破的规模, 在同一个爆破断面分区域分部进行钻爆施工, 先掏槽与扩槽、再下部扩挖至周边、最后上部崩落孔和周边光爆孔。施工中根据振动数据的反馈调整断面单次循环次数, 周边孔光面爆破严格采用不耦合装药结构。
2.2 爆破振动跟踪监测及反馈
在隧洞钻爆施工过程中, 采取十分密集的爆破振动现场跟踪监测措施。针对附近建 (构) 筑物的结构特征及可能的振动响应分布特点, 在实施爆破振动监测时, 以附近民房、民房围墙等具有振动敏感特性的建筑物作为主要监测对象。监测部位及测点数目主要取决于现场环境和建筑物分布情况, 根据各处建 (构) 筑物与开挖面的空间位置及距离, 每次布置2~4个监测点, 振动监测点布置在民房基础地面、屋角等特征部位, 并根据爆源位置的变化, 调整监测点位置。
监测采用80%的允许标准作为现场警告值, 即当实测最大峰值振速大于80%的允许标准时, 及时调整各爆破参数及施工工艺。通过监测数据的反馈, 对民房等建筑物的爆破振动影响进行安全评定, 并对爆破方案和参数的调整和优化提供依据。
3 施工控制及爆破振动特性分析
由于本隧洞钻爆面临的安全环境极其严峻, 在施工中, 必须全程跟踪监测爆破振动的影响, 并通过对监测数据的分析, 来调整后续循环段的设计进尺和开挖程序, 并评定建筑物的爆破振动安全是否得到保证。
3.1 有效控制爆破振动效应的措施
隧洞掘进的有效进尺, 是本工程施工的主要技术问题。由于隧洞的不断推进, 爆破振动源的变化会引起不同位置的周边建筑物的振动响应的改变, 如何在确保爆破振动速度完全控制在允许的安全标准以内, 同时又要保证隧洞掘进的有效进尺, 是本工程施工的主要技术问题。通过爆破振动实测数据分析和及时反馈, 达到科学的判断与决策, 在控制措施方面取得了如下几点有益的经验:
(1) 有效控制振动的施工措施主要包括控制循环进尺、调整最大单响药量以及单循环断面分部开挖。在爆破振动敏感区, 当振动速度达到警戒值时, 采取更为精细的隧洞控制爆破方案, 如爆破进尺缩短为0.8m;每个断面单次循环调整为4次分部爆破, 即掏槽爆破、下端面扩挖、上端面扩挖和周边孔光面爆破;将最大单响药量降低到不超过2.4kg;使用跳段雷管, 增大段别之间间隔。
(2) 在经历了振动敏感区后, 将爆破进尺逐渐变为1.0~1.2m, 并随着钻爆施工逐渐远离房屋密集区, 爆破进尺增加到1.5~2.0m, 每次循环分为2~3次分部爆破开挖。
(3) 在整个洞线掘进中, 振动敏感区域施工由于采用更为精细的爆破技术, 施工速度相对较慢;在敏感区以外, 则可以通过提高单循环进尺和减少施工分部, 达到提高施工进度的目的。
3.2 爆破振动响应特性分析
由于在隧洞后上方为民房围墙, 最小垂直距离只有7 m, 成为需严密监控的部位。通过爆破振动实测数据的分析, 对于围墙的爆破振动特性有如下认识:
(1) 在施工进洞初期, 在围墙处测得的最大水平径向质点峰质振速为1.983cm/s, 最大竖直向峰质振速为1.997cm/s, 爆破振动速度均小于房屋安全控制标准 ([V]=2.7cm/s) , 说明隧洞爆破引起的振动得到了有效的控制, 施工中采取的施工工艺是合理的。图2实测波形表明, 隧洞爆破施工过程中采用的微差起爆网络通过增大段别之间间隔能够将各段单响药量按照设计时序分开, 段别之间引起的爆破振动不叠加。
(2) 随着开挖的进行, 爆心距越来越小, 围墙处测得的振动速度呈增强趋势, 这是符合爆破衰减规律的, 所测得的振动速度明显大于其他测点, 这是因为该测点处于掌子面后上方, 高差与爆心距的比值较大, “高差效应”引起的质点朝临空面的峰值振动速度明显大于其他方向[8,9,10]。
(3) 全过程监测数据显示, 除了少部分测点达到最大水平径向质点峰质振速1.699cm/s, 最大竖直向峰质振速2.485cm/s其他测点的爆破振动速度远远小于安全允许振速。可见以爆破振动监测数据为依据的施工参数和方案的选取及调整是科学合理的;通过宏观调查分析, 隧洞钻爆开挖没有对周围民房、围墙等建筑物及设施造成不利的振动影响, 说明爆破振动安全控制标准的选取是科学的, 整个施工过程取得了弱振动的效果。
4 结语
(1) 爆破过程中密集的振动监测工作对施工起到积极的指导作用。统计的监测数据显示大部分测点的最大振速远远小于安全控制标准, 只有极少测点振速接近这一值, 说明整个施工过程中所选取的施工工艺是合理的, 爆后对建筑物的宏观调查显示安全控制标准的选取办法是科学的。
(2) 当爆破开挖面距离某些敏感建筑物越来越近, 监测到越来越大的质点振动速度, 无法保证建筑物的安全时, 对钻爆参数和程序进行及时调整和优化是必要的。通过调整循环进尺、同断面按部位分次爆破以及控制单响药量等措施的综合运用, 是可以明显改变爆破振动强度的施工措施, 该方法的成功实践可以为其他类似工程提供借鉴参考的价值。
参考文献
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