市內復雜環境下大藥量爆破降振及振動監測分析的研究

蔣耀港，沈兆武，楊昌德

(1.中國科學技術大學 近代力學系，合肥 230027;2.湖南南嶺奧瑞凱公司，湖南 岳陽 414517)

1 工程概況

合肥市某花園綜合樓在地基與地下車庫開挖時發現堅硬巖石，需要采用爆破法開挖。待爆破的巖石區域位于花園小區內，臨近有主干道、小學、中學、在建高樓、住宅區等，具體環境如圖1所示。待爆破巖石區域根據開挖性質不同及工程需要分為1區和2區，1區為小面積爆破開挖，通過1區爆破情況檢驗2區大面積爆破參數設計的合理性，本文主要討論2區大爆破降振技術及振動信號分析，2區開挖尺寸為長85 m×寬65 m×深(4～6)m。

2 爆破總體方案

2區屬于低洼地帶，其水平高度比周圍低(1～2)m，地面走勢為東低西高、北低南高。2區爆破主要有三個難點:① 環境復雜，爆破區域位于市內，周邊建筑林立(有小學、中學、居民區、已建高層建筑等)，且緊鄰主干道;② 爆破區域屬于低洼地帶，平均水平高度比周圍低1 m－2 m，且爆破為地下開挖爆破，這不利于爆破振動控制;③爆破一次用藥量大(約5 t炸藥)。為了避免造成周圍建筑的損傷，需要嚴格控制爆破振動危害，根據實際情況，決定采用臺階式微差松動大爆破技術。

2.1 爆破參數設計［1］

2區爆破鉆孔采用潛孔鉆，鉆頭直徑φ90mm;孔距a=3 m;排距b=2.7 m;根據實際情況孔深l=(2～6)m(邊上一排孔由于邊坡需要，炮孔深度取2 m，其它根據實際開挖深度而定);根據1區開挖情況，裝藥系數取0.2kg/m3，即每孔裝藥量約為8.1kg;裝藥方式采用分層不耦合間隔裝藥，中間用飽和細沙間隔，上面用飽和細沙堵塞。

2.2 起爆網路設計

為了減少爆破產生的振動對周邊建筑結構的危害，2區爆破采用孔間微差爆破技術，孔內大延期，孔外小延期。同時為了方便施工人員操作，2區爆破只用3種類別雷管，分別為MS3、MS12、MS15，孔內采用MS15段雷管，孔外排與排之間(主網路)采用MS12連接，傳爆方向由東向西，各炮孔之間(分支網路)采用MS3連接，傳爆方向由中心向兩邊，起爆點設置在東面中心處。

3 降震措施

爆破產生的應力波在介質中傳播時，由于介質黏性等，使得應力波不斷衰減，最后形成彈性波，彈性波在介質中傳播所引起的質點振動就叫爆破振動，爆破振動一般是在150倍藥包半徑以外的區域［2］，由于彈性波本身的特性，爆破振動區域范圍很大。爆破振動受最大一次起爆藥量［1］、傳播距離、介質特性(黏性、含水率等)、地質條件等影響，由薩道夫斯基公式表示:

由式(1)可知:爆破振動隨著折合距離的增加而減小，而折合距離則隨著一次齊發藥量的增加而減小，隨著測點距爆源的距離增大而增大。因此為了確保本次爆破產生的振動不會對周邊臨近建筑造成損傷影響，主要采用以下措施:

(1)合理布置孔眼參數。爆破區域中心地帶離被保護建筑較遠，在確保爆破效果的基礎上適當調大孔眼參數，提高施工效率;邊緣地帶離被保護建筑較近，因此多打孔，少裝藥，減少單孔總裝藥量，增大折合距離。本次爆破總共打眼670個，單孔裝藥量約為8kg。

(2)分層間隔裝藥。由于巖石存在層理、節理、裂縫等，采用分層間隔裝藥技術，可以提高炸藥能量的利用率［3］，提高施工效率，從而減小爆破振動;同時采用分層間隔裝藥，使得炮孔內的炸藥所產生的爆破振動不可能同時、同向的作用于一點，必然存在時間和相位上的差異，從而減小爆破振動的疊加。

(3)優化爆破網路。分支網路由中心向兩端起爆，這樣盡管增大了一次齊發藥量，但兩端藥包爆破由于中間區域的提前爆破使得爆破振動在炮孔連線方向疊加較弱，而軸線方向疊加增大，但是根據地形條件主爆網路采用由東向西起爆，東邊地勢較低，開挖深度較小，因此裝藥量較少，而西邊距離被保護建筑較遠，因此軸線方向的疊加也在可承受范圍內。

(4)采用微差爆破技術，減少最大一段起爆藥量，實現單孔單爆，從而減小爆破產生的振動。根據蘭格福爾(Langefors)［4］提出的最佳分段微差間隔時間τ=T/2(T為振動周期)作為降振效果最佳的理論依據，考慮以往爆破振動監測的主頻分析與周圍建筑物的固有頻率(防止共振)，選取地震動頻率為10Hz，因此τ為50 ms，恰好對應MS3段雷管，因此孔間延時采用MS3段。

(5)就地取材，根據何廣沂教授對露天深孔水壓爆破研究可知［5］，裝藥時對炮孔充水爆破，可以提高炸藥能量的利用率，減少轉換為地震波的能量。由于工地連續下雨，待爆破巖石中含水量呈飽和狀態，由Biot噴射流效應可知［6］，地震波在介質中傳播時，黏性損耗增大，從而減少了爆破地震波對周邊建筑結構的損傷。

4 爆破效果

本次市內大爆破總共打孔670個，總裝藥量5 t，于2009年12月13號15時成功爆破實施。爆后通過電視臺近場攝像頭發現整個爆區在爆破時呈有規則的鼓包運動;據小區居民反映東面住宅小區內五層有一戶人家的壁燈掉下摔壞;后續挖掘施工表明本次爆破松動效果明顯，但是有個別地區由于孔眼間距較大、裝藥量較少、底部巖石較硬，出現了少量留根現象。

5 振動監測分析總結

為了對本次市內大爆破的爆破振動進行定量分析，采用成都中科測控提供的TC3850和TC4850爆破振動儀對爆破振動進行實時監控，并配合計算機對爆破振動數據進行分析處理。根據地形條件，爆破振動傳感器采用速凝水泥與地面膠結，為了確保所測數據的真實性，探針需粘結牢固。

為了全面的監測本次市內大爆破對周邊建筑的影響，特別是對高樓建筑的影響，本次爆破振動監測共設置6個測點，每個測點都監測3個方向振動速度，其中:住宅區、中學、小學各布置一個測點，采用TC3850爆破振動儀，在建高層建筑布置三個測點，分別設置在底層，中間層和頂層，采用TC4850爆破振動儀。測點布置見表1、圖1所示。

對各測點數據進行簡單分析處理，所得測點處爆破振動三要素:峰值、主頻和振動持時，如表2所示。為了更直觀的比較高樓對爆破振動的動態響應和橫向與軸向的振動疊加效應，特選取具有代表性的1、2、3、4、5、6測點豎直向振動波形圖進行分析，如圖3所示。

為了同時從時頻域的角度分析 1、2、3、4、5、6 測點豎直向振動，選取常用于爆破振動分析的db 8小波，根據儀器的采樣頻率為4000Hz(則Nyquist頻率為2 K)，采用小波包分析方法把上述波形分解到第9層，因此總共有29個子頻帶，頻帶寬度為3.90625Hz。

表2 測點處質點爆破振動三要素Tab.2 Blasting vibration three elements of the particles in monitoring points

圖 3 測點 1、2、3、4、5、6 處豎直向振動波形Fig.3 The vertical vibration wave of No.1，2，3，4，5，and 6 particles in monitoring points

圖4 各測點豎直向振動信號頻帶能量圖Fig.4 Frequency band energy of vertical particle vibration signal in monitoring points

表3 各測點豎直向振動信號總能量Tab.3 The total energy of the vertical particle vibration signal in monitoring points

根據信號的Parseval定理可得:

其中:F(t)表示爆破振動信號;E9，j(t)表示第9層第j個子頻帶的能量，可用式(4)表示:

其中:Xj，k表示第9層第j個子頻帶的各離散點幅值。

各測點豎直向總能量如表3，頻帶能量如圖4所示及各頻帶能量占總能量的百分比如表4所示［8－9］，由于本次爆破振動能量主要集中在0Hz－150Hz范圍內，因此圖4與表4中頻率只取到150Hz。

爆破振動對周邊建筑是否產生影響主要由三要素決定:爆破振動主頻、爆破振動峰值以及爆破持續時間。由表2可以看出:各個測點各向的爆破振動主頻主要在8－28Hz范圍內，也即爆破能量主要集中在低頻區域，這與建筑結構的固有頻率相差較大(1Hz左右)，不會引起結構的共振響應;各個測點各向爆破振動峰值速度小于1 cm/s，低于國家標準規定的安全振動速度 3.5 cm/s～ 4.5 cm/s［10］，因此本次市內大爆破對周邊結構沒有影響;由于是大面積微差爆破，因此爆破的總時間比較長，達到17.8 s，這也可以從一個方面說明東側居民區五層居民家的壁燈掉下來的原因。從圖3中可以看出中心區域與西邊區域爆破產生的爆破振動峰值較大，說明此區域的裝藥量較大，恰好與實際裝藥情況相符。(由于地勢不平，東面爆破區域與水平面落差較大，開挖深度較小，裝藥量較少，且距離被保護建筑較近，為了防止爆破危害，適當的調小了裝藥量，因此一段最大起爆藥量較少;而西部區域開挖深度較大，單孔裝藥量較多，且西部區域離被保護的建筑較遠，為了提高爆破效果也適當的加大了裝藥量，因此一段最大起爆藥量較大。)

表4 各測點頻帶能量百分比Tab.4 Percentage of frequency band energy of each monitoring points

對照起爆網路，由表2和圖3可以看出:同等條件下，由于橫向炮孔同時爆破產生的爆破振動，更有利于縱向方向振動的正向疊加，導致爆破縱向測點的振動峰值高于橫向測點的振動峰值，因此縱向結構比橫向結構更易遭受損傷影響。

由圖4、表4可知，縱向測點頻譜能量分布相對比較集中，橫向測點頻譜能量分布相對分散。測點1頻譜能量主要集中在 7.8125Hz－11.71875Hz和15.625Hz－31.25Hz頻帶內，占信號總能量的26.0035%和61.3073%;測點3頻譜能量主要集中在7.8125Hz－11.71875Hz和 23.4375Hz－31.25Hz頻帶內，占信號總能量的19.6250%和61.3073%。測點2、4、5 和 6 頻譜能量主要集中在3.90625Hz－62.5Hz頻帶內，測點2 在 3.90625Hz－62.5Hz頻帶范圍內能量占總能量的 95.6710%;測點 4、5、6 在 7.8125Hz－62.5Hz頻帶范圍內能量占其各自總能量的95.2531%、95.3216%、94.8777%。

比較表2和圖3中的4、5、6測點，發現質點切向和豎直向爆破振動速度隨著樓層的增高而增大，特別是豎直向，頂層豎直向爆破振動峰值約為底層豎直向振動峰值的2倍。由表3、表4和圖4可知:隨著樓層高度增加，振動信號總響應能量增大，頂層豎直向信號響應能量約為底層豎直向信號響應能量的3倍;能量頻譜分布隨著樓層的增加更為集中，低頻帶(7.8125Hz－15.625Hz)響應能量占各自總能量的比例增大。這主要是因為隨著樓層高度的增加，結構的動態響應放大系數增大所致［11］。

比較表2和表4發現:經過傅里葉變換求得的主頻與經過小波包變換求得的能量主頻區域有一定的誤差，這主要是兩種算法所導致的，傅里葉變化是分析平穩信號的理想工具，小波變換是分析非平穩信號的理想工具，而爆破振動屬于非平穩信號，因此在對爆破振動信號分析求解爆破振動主頻時，應采用小波分析方法。

6 結論

在復雜環境下進行爆破施工時，應注意爆破振動對建筑結構的影響，因地適宜，采取相應措施降低爆破振動，如:合理布置孔網參數、起爆網路、控制最大一段起爆藥量、優化折合距離、分層間隔裝藥、充水爆破、挖掘減震溝、飽和爆破振動傳播路徑結構等。

本次爆破縱向測點振動峰值大于橫向質點振動峰值，縱向測點頻譜能量分布比橫向測點頻譜能量分布更為集中。爆破振動在高樓樓層間傳播時，隨著樓層的增加，豎直向振動峰值與信號能量增大，信號頻譜能量分布更加集中，頂層豎直向爆破振動峰值約為底層豎直向振動峰值的2倍，頂層豎直向信號響應能量約為底層豎直向信號響應能量的3倍。

通過對本次市內復雜環境下大爆破的振動監測分析，認為以后在較復雜環境下土石方爆破施工及振動監測與處理時應特別注意以下5點:

(1)大面積爆破時，由于炮孔之間延時間隔所需導致爆破總時長增加，而爆破總時長增加對于周圍建筑物的影響是不利的，因此需對爆破總時長進行控制，工程需要時可采用分次爆破，每次之間應有一定的間隔時間;

(2)由于爆破縱向比橫向更有利于爆破振動的疊加，縱向結構比橫向結構更易遭受爆破振動損傷的影響，因此爆破前應正確鎖定被保護結構的方向和各結構的強度，防止炮孔連線的法線方向正對被保護結構的方向或結構強度最弱的方向;

(3)對爆破周圍高樓建筑爆破振動核算時，應當考慮高樓樓層對爆破振動的放大效應以及高樓樓層對爆破振動的響應系數;

(4)對爆破周圍高樓振動監測時，為了更客觀的反應爆破振動損傷的影響，應當在高樓頂層與底層都布置監測點;

(5)對爆破振動信號進行分析求解爆破振動三要素之一的主頻時，應采用小波包分析的方法，求解爆破振動響應能量最多的主頻帶。

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