土石方爆破工程振動對人體舒適度影響的評估及運用

馬浩原　張智宇

摘要：根據目前的國內外爆破振動對人體影響的標準以及時域濾波器技術，結合云南省蒙自繞城高速公路雷公哨段爆破開挖工程案例，確立了一個有效的爆破振動舒適性評價方法，并對該案例評價過程和評價結果做了闡述與驗證。其結果表明，現實狀況與這種評價方法所得到的結論是相一致的；同時從結論中我們還看到，即便是一次很小的、不能夠導致損傷建筑物的爆破振動，居民也會有抱怨、甚至投訴。因此，在爆破施工時，在保證施工安全，正常的情況下要充分以舒適性研究的有關成果及觀點為依據，盡量減少現場施工對周邊居民的不利影響，從而避免矛盾沖突的產生。

Abstract： According to the current domestic and international standards of blasting vibration's impact on human and time domain filter technology， combined with blasting excavation engineering cases of Yunnan Mengzi city highway Tripterygium wilfordii section， established an effective evaluation method forv blasting vibration comfortablity and made elaborate and verification about this case's evaluation process and evaluation results. The result shows that the reality is consistent with the conclusion of this evaluating method； and we also see from the conclusion， though a little， with no damage to building blasting vibration can lead to residents' grumble， and even complain. The result shows that the reality is consistent with the conclusion of this evaluating method； and we also see from the conclusion， though a little， with no damage to building blasting vibration can lead to residents' grumble， and even complain. Therefore， when blasting construction， under ensuring construction safety and normal circumstance，we should fully based on related results and opinions of comfortablity studies， minimize site construction's adverse effect on surrounded residents， thereby avoiding contradiction and conflict.

關鍵詞：舒適性；爆破；振動響應；振動劑量；評價

Key words： comfortablity；blast；vibration response；vibration dose；evaluation

中圖分類號：TD235 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）06-0195-03

0 引言

當前在村莊附近進行土石方爆破時，往往只關注爆破形成的地質振動對施工現場周邊建筑物的不利影響，卻忽略了爆破振動對人體造成的潛在危害。雖然根據目前的科研分析資料[1]，并未明確指出爆破振動會對人體造成直接的健康危害，但從廣義健康學角度來看，爆破振動會影響和干擾施工現場附近居民正常的工作、學習與生活，引發居民的不適并有可能因此而導致投訴或沖突。

爆破振動的舒適性研究是一項綜合性的科研課題，其中包含了爆炸力學、統計學、結構學、信息學、生物動力學等眾多學科的有關知識，是人體在自然狀態下對爆破地震效應舒適程度所做出的分析與評估。在爆破施工時，要充分以舒適性研究的有關成果及觀點為依據，盡量減少現場施工對周邊居民的不利影響，從而避免矛盾沖突的產生，為工程的順利開展創造良好的群眾基礎。因此，科學、合理的舒適性評估機制是必不可少的。現結合云南省蒙自繞城高速公路雷公哨段爆破開挖工程案例，介紹一種爆破振動舒適性的評估方法。

1 評估方法

基于國內外現有的振動程度對人體舒適度的影響標準可知，目前大多數的舒適度評價標準僅僅體現的是機械振動對人體舒適度的影響作用，其余類型的評估標準和方法都是建立在這種評估基礎之上。通常情況下，振動舒適度的評估步驟具體如下：

①確定人體生理坐標軸，并將實測的信號在生理坐標軸上表示出來；

②將實測的震動加速度信號經目標濾波器得到相應生理坐標上的震動計權加速度函數aw；

③利用計權函數得出相應的劑量，得出結論。下文就對每一個評估步驟做出進一步說明。

1.1 確定生理坐標

人體感官的特殊性決定了生理坐標會隨著其姿勢的變動而變動，也就是說，在不同的生理坐標下，同一振動對人體的影響作用存在客觀差異，人體對振動強度的感知并不是一成不變的，因此，在進行振動舒適度評估時，首先就要確定具體的姿勢條件[3]。圖1展示的是人體最常見的3種姿勢相應的生理坐標系，其中人體感知振動的具體部位將作為坐標原點。本課題具體研究了站立姿勢下，爆破振動對人體的影響作用。對于其他姿勢的評價過程只是在計權軸的上存在差異，計算過程相同。

1.2 選擇適合的濾波器

以國際通用的人體對振動的響應標準（ISO—2631、BS—6841）為基礎，采用不同的頻率計權函數來表征人體對不同頻率振動信號感受的差異。因此，在進行表征時，必須對實際探測的原始信號進行濾波，根據信號頻率分解到相應的生理坐標軸中。在進行原始信號的計權處理時，通常采取國際標準中[2-6]推薦使用整體頻率計權曲線和1/3倍帶寬頻率計權等頻域濾波計權方式，但是用這種方法進行處理時，需要將實測的時域振動信號轉化為頻域信號，這就加大了處理過程的難度。為解決這一問題，本文特采取時域數字濾波器技術對原始信號進行處理，濾波表達式如下[7]：

式中：a（t）表示實測信號；aw（t）表示頻率計權后的振動信號；ak、bj均為濾波系數；M為濾波器系統傳遞函數的零點數，取值為2；N為系統傳遞函數的極點數，取值為2。系統內傳遞函數可表示為[7]：

需要注意的是，濾波系數ak、bj會由于濾波器類型的不同而有所區別，在進行具體處理時要根據濾波器的類型進行選擇和確定，相關系數如表1所示。

表1中的A、B、C、D分別表示將頻率濾波器中的濾波頻率曲變后的形式，可統一表示為φi=tan（fcπ/fs）。式中：φi表示參數A、B、C、D；fc表示各個濾波器的中心頻率，其中，fcA、fcB、fcC、fcD分別取值0.7943、100、5.684、5.68；fs表示采樣頻率。

1.3 評價標準

振動對人體的影響程度通常有以下三種評估標準[2]：加速度均方根權值：awrms，m/s2。振動劑量VDV，m/s1.75，估計振動劑量eVDV，m/s1.75。三種指標分別按如下公式計算：

式中：awrms、VDV、eVDV分別表示加速度均方根權值、振動劑量和估計振動劑量；aw（t）表示實測振動信號加速度計權時程函數；T為振動持續時間。

爆破所引發的振動并不是由單一方向進行傳播的，而是從空間的三個方向同時進行。因此在進行舒適性評估時要全面分析所有方向的震動效應，并將其具體影響效果折算到Z軸上統一評估，相關的折算表達式如下[4，5]：

式中：awrmsx，awrmsy，awrmsz，VDVX，VDVy，VDVz，eVDVX，eVDVy和eVDVz分別為X軸、Y軸和Z軸的計權均方根加速度、振動劑量和估算振動劑量；awrms為折算的總計權均方根加速度，VDV為折算的總振動劑量，eVDV為折算的總估計振動劑量；系數1.4是在人體最敏感的頻率范圍內相同響應的垂向與縱、橫向曲線之比。

基于我國環境標準[5]的相關規定，在普通居民區中，白天允許的振動加速度最高不得超過70dB（0.00316m/s2），夜間限值為67dB（0.00224m/s2）。當通過振動加速度均方根方法得出的振動結果已經超出上述規定限值時，要結合振動劑量VDV進行修正評估，并具體以ISO10137[6]的有關標準確定具體的影響程度并對居民投訴發生的可能性進行評估分析：0.2～0.4（投訴的可能性小）；0.4～0.8（投訴的可能性適中）；0.8～1.6（投訴的可能性大）。

2 工程背景及其運用

云南省蒙自繞城高速公路雷公哨段爆破開挖工程周圍環境較復雜，距村莊直線距離較近，根據《爆破安全規程》（GB6722—2003）相關規定，此振動速度不足以對當地居民建筑（全部是二層磚混結構）造成破壞（破壞振速≥ 2cm/s）。根據當地居民的反映及投訴情況判斷，認為此案例應屬于爆破振動舒適性而非安全問題的范疇，現對此結論做出驗證。

現場數據采集使用TC-4850振動監測記錄儀，采樣頻率設置為8kHz，分別選取3個點布置傳感器采樣（1號點：距爆區150m的居民房地板上；2號點：距爆區300m居民房2樓房頂上；3號點：距離爆區400m的居民房地板上），同時對測點三個方向（垂直方向CH1、水平徑向CH2和水平切向CH3）的振動情況進行監測。本工程振動信號的濾波參數如表2所示。

對于不同姿勢不同身體部位的振動舒適性評判一般都是通過三重濾波器（Hh、Hl、Ht）對實測信號進行頻率計權，只是在濾波順序上存在差異[2]，由于測量時人們都處于站姿，所以表中只給出了站立姿勢下的舒適度計算參數，其計權原理參照式（2）。根據公式（3～8）分別得到人體對實測振動響應舒適性的評價劑量具體參數如表3所示。

由表3可見站立姿勢所感受的振動加速度超過了我國規定的舒適振動加速度限值，需進一步據振動劑量判定振動信號的舒適性情況。根據表3顯示，站立姿勢下的綜合振動劑量基本都介于0.2～0.4范圍內，被投訴的可能性較小，只有距離爆區較近的測點1處的綜合振動劑量在0.6～1.6之間，有被投訴的可能性。

3 結論

由上述案例可見，由于每個人受教育情況不同以及自身多方面情況的因素影響，一些很小的爆破振動都會引起居民的恐慌和投訴。目前，爆破振動影響的評判基本是參照機械振動的舒適性標準，我們很難給出一個定量的評判標準適用于不同的人群，整個評判過程應該是科學理論和現場調查的結合。目前這一鄰域的研究還是剛剛起步，接下來還需要做大量的調查研究和大膽的嘗試。

參考文獻：

[1]宋志剛，白羽，金偉良.爆破作業對臨近建筑物振動舒適性的影響分析[J].振動與沖擊，2010，29（9）：129-133.

[2]ISO2631：Mechanical vibration and shock—Evaluation of human exposure to whole-body vibration[S].Pa-rt1： General Requirements， 1997 and Part 2： Vibration in buildings （1 Hz to 80 Hz），2003， International Orga-nization for Standardization （ISO）， Geneva.

[3]BS 6841：Guide to measurement and evaluation of human exposure to whole-body mechanical vibration and repeated shock[S]. British Standards Institution， London，1987.

[4]Griffin， M.J. Handbook of Human Vibration[S]. London： Academic Press. 1994.

[5]中華人民共和國國家標準，城市區域環境振動標準 GB10070[S].1989.

[6]ISO10137： Bases for design of structures-Serviceability of buildings and walkways against vibrations[S]， 2007.

[7]Andrew N. RIMELL，Neil J. MANSFIELD. Design of Digital Filters for Frequency Weightings Required for Risk Assessments of Workers Exposed to Vibration. Industrial Health 2007， 45：512-519.