中深孔爆破震動效應對鄰近建筑物的影響與安全控制

李是良,邱進芬,李必紅,吳克剛,任才清

(國防科技大學指揮軍官基礎教育學院, 湖南長沙 410073)

中深孔爆破震動效應對鄰近建筑物的影響與安全控制

李是良,邱進芬,李必紅,吳克剛,任才清

(國防科技大學指揮軍官基礎教育學院, 湖南長沙 410073)

以冷水江市一土石方爆破工程為例,介紹了施工過程中預防和控制爆破地震的技術措施,通過計算控制與監測校正,動態調整裝藥參數,嚴格控制單孔藥量,并采取微差爆破、開挖減震孔及優選最小抵抗線方向等措施,有效降低了爆破震動效應的危害,確保了周圍建筑及人員的安全,使石方工程提前順利完工。

中深孔爆破;爆破地震效應;微差爆破;減震孔;安全控制

0 引 言

爆破技術是國民經濟建設中的一項重要工程技術,發揮著越來越重要的作用。它能夠大大加快土木工程建設的速度、節省施工成本,具有明顯的經濟效益。但由于爆破施工環境 (地質和周圍居民)的復雜性及理論的不成熟性,爆破引起的路塹邊坡失穩、滑坡、建筑結構受損等災害性事故時有發生。特別是爆破地震效應對周圍建筑物造成的破壞現象,因其普遍性、難控制性易引起民事糾紛,受到社會和政府的普遍關注[1,2]。

爆破地震效應是由炸藥的一小部分能量轉換為地震波引起的。爆破震動具有震動幅值大、頻率高、衰減快和持續時間短等特點,其強度和破壞效應隨著爆心距的增加而減弱。爆破震動的發生與傳播雖然時間很短,但如果控制措施不當,仍會使爆破區附近的建 (構)筑物產生顛簸、搖晃、開裂、倒塌等破壞效應[3,4]。因此,必須加強對爆破地震效應的檢測和控制,盡量減小爆破震動的危害,確保爆破區周圍人民群眾的生命財產安全。本文以某爆破工程為案例,介紹其爆破施工方案的防震與減震措施。

1 工程概況

冷水江市城東生態移民安置一期土石方爆破工程,位于冷水江市生態園區道路工程站前西路一標段桃樹山。施工區域周圍建筑物布局如圖1所示。施工區域臨近師范學校教學樓、大建煤礦家屬住宅樓和城市街道,最近距離不足 10 m,現場環境復雜,地形落差大,場地極不平整,爆破巖體巖性主要為煤層頁巖,硬度較大,抗壓強度大約 60 MPa,屬于次堅石。附近居民對爆破振動、爆破飛石及炮煙等爆破危害的反映強烈,一度嚴重阻礙施工的正常進行。

圖1 施工區域周圍建筑物布局

2 爆破施工防震與減震措施

2.1 嚴格控制單孔藥量

研究表明,爆破震動強度與炸藥量密切相關[5]。根據《爆破安全規程》(GB6722-2003),確定周圍建筑所允許的爆破地震安全峰值為 2～3.0 cm/s,并結合內部裝藥、松動微差控制爆破的特點,由薩道夫斯基經驗公式得到離爆源不同距離 R處起爆的最大藥量為:

式中:vmax——最大爆破振動速度;

Qmax——最大單段起爆裝藥量;

R——爆點中心至被保護目標的距離;

a——地震波衰減指數;

K——爆破方式、距離、地質條件有關的系數。

K、a值按表1選取[6]。

表1 不同類型巖石的 K、a值

根據計算、測振與試爆結果,校正 K值和 a值,得出動態變化單孔裝藥量、分區域嚴格控制藥量等結論。在距離居民樓或師范教學樓 30 m范圍內,單孔藥量嚴格控制在 5 kg以下;30～50 m范圍內,單孔藥量控制在 12～16 kg;50 m范圍以外,單孔藥量控制在 30 kg以下。

在實際施工過程中,要合理確定鉆孔深度、靈活布置孔網參數,在距離居民樓或師范教學樓 50 m范圍內,降低臺階爆破高度 (即控制孔深),同時調整孔距 (a)和排距(b),使單孔藥量嚴格控制在允許的范圍內。

2.2 采用微差爆破技術

國內爆破行業采用微差起爆技術降震已有多年歷史,積累了許多成功經驗,如大區微差爆破技術、等間隔微差爆破技術、孔內微差爆破技術等[7]。試驗結果表明,在總裝藥量及其他條件相同的情況下,微差爆破比齊發爆破的振動速度可降低 40%～60%[8]。

微差爆破時間間隔應使各段別爆破地震波主震相不疊加,且時間間隔越大,減震效果越好。微差間隔時間可按式 (2)計算:

式中:△t——微差間隔時間,ms;

W1——臺階底盤抵抗線,m;

Kp——巖石裂隙系數,裂隙少的巖石,Kp=0.5;

f——巖石堅固性系數。

本工程中,綜合考慮爆破區巖石地質類型及周圍居民建筑結構特點,認為最佳微差爆破時間間隔最好大于 100 ms[9]。

本項目施工過程中,為滿足地震波既不疊加又可一次多爆破方量,還要確保爆破網絡絕對安全的要求,設計采用Ms-5段 (110 ms)導爆管雷管和 Hs-8段 (3500 ms)導爆管雷管微差爆破,單次可爆破超過 2000 m3的石方。

2.3 預先開設減震孔

截斷地震波的傳播路徑也可以實現有效減震,通常在爆破源和被保護建筑物之間開挖一條一定深度和寬度的塹溝,其深度要超過被保護建筑物地基的深度。在爆源和被保護建筑物之間產生孔隙面,可作為阻擋爆破地震波的一道屏障,當地震波的傳播到達此界面時,將發生反射,從而降低爆破震動的強度[10]。

由于本工程地質巖石屬于硬度較大的煤層頁巖,因此挖機機械開挖困難;且因為距離居民樓較近,預裂爆破時幾十個炮孔同響所帶來的震動效應較大,對建筑物有一定危害,因此,實際施工過程中采取鉆減震孔的方案,如圖2所示。在距離居民樓外圍墻 10 m處垂直地面鉆一排減震孔,孔徑 130 mm,孔深 10 m(低于居民樓地基),孔距 30 cm,成直線排列。師范教學樓與爆破施工區之間原有一條寬約 7 m、深至地基的開挖溝,可利用其作為減震溝。

圖2 減震孔布局

2.4 優選最小抵抗線方向

根據最小抵抗線原理,在最小抵抗線平行方向上,介質質點受到的約束最小,巖石中容易生成裂縫,壓縮應力波能夠最先到達并且發生反射,使巖石介質裂縫增多,最終破裂成碎塊;爆炸氣體易于沖進最小抵抗線方向的巖石裂縫并最終推動碎石塊沿著最小抵抗線方向拋出。因此,在最小抵抗線方向上,炸藥爆炸剩余的能量大部分形成空氣沖擊波,少量轉化為地震波,地震強度最弱;最小抵抗線相反方向爆破震動強度最大,兩側居中[11]。

本工程施工過程中,從減震和控制飛石危害綜合考慮,使被保護建筑物位于最小抵抗線的兩側位置上,如圖3所示。在靠近居民樓一側,串聯網絡炮孔一般分 2排,按炮孔編號從小到大的順序依次起爆。前后 2排炮孔的最小抵抗線方向均朝向馬路,這樣就使居民樓處于最小抵抗線方向的兩側,盡量減小居民樓處的爆破震動強度。

圖3 炮孔分布

3 結果與討論

采用上述減震措施后,爆破地震效應帶來的危害明顯降低,實測震動數據見表2。其中測點 1和測點 2是用來測試同一次爆破的振動數據,爆源位于靠近師范教學樓 30 m處,兩測點分別位于師范教學樓和居民樓地基處,如圖1所示;測點 3、4、5、6的位置如圖3所示,測試同一次爆破的振動數據,測點3、4分別位于減震孔兩側距爆源相同距離處,兩點連線與減震孔連線基本垂直;測點 5與測點 6的布局類似于測點 3和測點 4的布局。

表2中數據顯示,1、2兩測點處的垂直振動速度都小于 1.5 cm/s,水平振動速度均小于 0.2 cm/s,且都隨著距爆源距離的增大而減小。結果表明,通過采取綜合減震措施,爆破震動效應明顯減弱。

表2 爆破震動測量結果

測點 3、4、5、6處的數據顯示,垂直振動速度都小于 1.5 cm/s,水平振動速度都小于 0.12 cm/s,且減震孔一側垂直方向的振動速度峰值比沒有減震孔一側的約降低 15%左右,說明減震孔具有一定的減震效果。

通過計算控制、監測校正、動態調整裝藥參數、打減震孔、微差爆破等措施,有效降低了爆破震動效應對周圍居民樓、師范教學樓及人員造成的危害,為化解阻工矛盾做出了重要貢獻,使 11萬 m3石方工程提前完成施工任務。

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[6] GB 6722-2003.爆破安全規程[S].

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2011-07-06)

李是良 (1979-),男,博士,講師,主要從事新型火炸藥研究和爆破工程的設計與施工,Email:slnudt2003@yahoo.com.cn。