復雜爆破作業環境下的加速度功率譜密度分析

閆鴻浩， 渾長宏， 李曉杰， 趙鐵軍

(大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，大連 116024)

復雜爆破作業環境下的加速度功率譜密度分析

閆鴻浩， 渾長宏， 李曉杰， 趙鐵軍

(大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，大連 116024)

為了分析爆破振動對精密儀器的影響，以Intel集團場平爆破振動為案例，結合Intel公司提供的加速度功率譜密度要求標準和大連地區的爆破振動規律，設計了試驗方案。對現場監測數據分析發現，原定控制點位置，無論深、淺孔爆破，在設計起爆網絡下，振動速度均不大于0.02 cm/s，且加速度譜密度值均小于給定標準。這種加速度譜密度的控制方法不僅能降低爆破施工的經濟成本，同時也為復雜作業環境下爆破振動的安全評價提供可靠依據。

加速度；功率譜密度；復雜環境；爆破振動；精密設備

隨著國民經濟建設的迅猛發展，爆破技術越來越多的應用于水利水電、礦山、交通、隧道和城建等工程領域。大規模頻繁的爆破作業帶來了一系列嚴重的問題，爆破振動危害一直是爆破安全技術的重大研究課題。目前關于爆破振動衰減規律的研究仍然是以質點振動速度峰值為主，各位學者也提出了很多方法對速度峰值進行了預測[1]，但是面對爆破測量技術研究的不斷深入，以單一質點振動速度作為判斷爆破振動強度的唯一指標出現很多不妥之處。最新出版的《爆破安全規程》(GB 6722—2014)在加速度控制方面做出了界定：核電站及受地震慣性力控制的精密儀器、儀表等特殊保護對象，應采用爆破振動加速度作為安全判據，安全允許質點加速度由相關運營單位和儀器、儀表說明書給出。國外對振動的評判也發展到不只考慮單一的爆破參數。美國礦務局、德國和芬蘭以振動速度和頻率作為爆破振動強度的判據，瑞典綜合考慮了振動速度、頻率、位移和加速度等多項指標[2]。

但爆破地震波的傳播和引發的地面運動是一個復雜的力學過程，它會同時受到炸藥性能、藥量大小、爆源位置、裝藥結構、堵塞條件、起爆方式及爆破的地質地形條件等因素的影響[3]。與爆破振動質點振動速度、加速度、頻率等方面的大量研究成果相比，國內外關于爆破振動加速度功率譜密度規律和影響因素方面的研究成果要少得多[4-16]。

李洪濤等[17-20]基于功率譜的爆破地震能量分析法，借助大量工程實測數據，針對爆源形式對爆破地震能量分布特征的影響進行了分析。該方法與小波變換能量分析方法原理是一致的，基于功率譜的能量分析方法直接利用頻譜分析完成從時域到頻域的轉化，因此分析過程簡便，物理意義明確，更容易理解和掌握。李國保等[21]運用功率譜的爆破地震能量分析方法，對隧洞掘進爆破的洞內和洞口鄰近區域振動能量分布特征進行研究。根據各頻帶能量比例關系，制定了相應的安全控制標準。陳友紅等[22]對爆破振動信號的不同周期形態進行頻譜理論分析，求得爆破振動參量各個頻率成分的幅值分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。李德林等[23]論述了爆破地震對建筑物的影響因素，對這些反應譜曲線進行了分析和比較，得出建筑物整個結構的運動峰值在11 Hz左右，功率譜密度大約是地面的38倍。舒西剛等[24]結合歌樂山石灰石礦爆破實際，得出微差爆破有降震效果，在修筑建筑物或結構物時應盡量使其固有頻率避開這一頻段。

HAO[25]在節理巖石場地進行現場爆破試驗。對平行、垂直和45°的巖石表面地面加速度進行了測量和加速度譜密度分析。發現應力波垂直于巖石節理方向衰減快，平行于巖石節理方向衰減慢。DOWDING[26]通過對表面采礦爆炸振動的功率譜密度和傳遞函數分析，得出了框架結構和磚混結構的固有頻率和變化規律，這些結果可以直接應用于受地振動采礦活動結構響應的研究中。HACIEFENDIOLU等[27]運用功率譜密度函數，確定了一個對砌體橋梁的響應標準偏差的陰影圖像計數器，分析了爆炸引起的地面運動下的歷史磚石橋的隨機動態響應。DATTA等[28]將地震考慮成一種部分相關的平穩隨機過程特征的功率譜密度函數，分析了海底埋地管線的地震反應。

李洪濤只是對不同頻率能量分布進行分析，并沒對出實際工程操作提出一些建議，李國寶和舒西剛并沒有提出如何對工程中功率譜密度進行控制，陳友紅和李德林分析只是有一定指導意義，也是沒有運用到實際。國外學者多數是運用譜密度函數模擬爆破信號，進行理論分析。眾位學者分析中，多注意評判，很少具體指標控制建議，且均未考慮成本控制這一影響工程應用的重要因素。

本文基于大連Intel二期場平爆破工程實踐，從保護光刻機這一核心設備出發，從國內外參考文獻看，首次分析了爆破振動加速度功率譜密度控制的應用問題。

1 工程概況

大連Intel公司位于大連市金州新區出口加工區內，隨著二期工程建設，需要在廠房北側進行場平施工爆破作業，廠房內LNG 管線、冷凍水泵、中溫水一次泵、中溫水二次泵、變電所、空壓機連軸器、光刻機等設備都需要進行保護，尤其是光刻機，必須要考慮爆破振動帶來的影響，否則會因為光刻機停機造成經濟損失和一定的社會影響，因此在實驗前必須慎之又慎。

圖1 功率譜密度控制紅線Fig.1 Control red line of power spectral density

在爆破試驗前，美方單方面提出了光刻機平臺加速度譜密度控制紅線：振動頻率1～4Hz區間，PSD(加速度功率譜密度)為1.0×10-7(m/s2)2/Hz，大于20 Hz，PSD為1.0×10-5(m/s2)2/Hz如圖1，可以看出低頻部分要求標準較高，高頻部分要求標準較低，相應的解決方法就是盡量提高爆破的頻率。采用深淺孔結合的方案，并在試驗時將光刻機設備停機，但其安全預警設備要處于工作狀態。

1.1 爆破參數

爆破振動對于精密儀器低頻部分(0～4 Hz)需要控制的標準要比高頻部分(20～100 Hz)更為嚴格，所以應盡量調整提高爆破振動的主頻率。淺孔爆破相對于深孔爆破，最大的特征是可提高爆破振動主頻率，因此選擇近處淺孔爆破，遠處深孔爆破對于控制成本和保護設備安全都是比較合理的。

設計淺孔爆破臺階高2.5 m，布孔不超過1 000個，區域寬5 m，長166 m，深度2.5～2.8 m，并且東西方向窄、南北方向寬，起爆順序堅持從南向北方向，炸藥不超過1 t，具體參數如表1；深孔爆破區域，臺階高不大于6 m，炸藥不超過10 t，區域寬24 m，長200 m，深度6 m，參數如表2。

深孔爆破裝藥采用兩層裝藥結構和三層裝藥結構，淺孔爆破裝藥結構與深孔爆破也大致相同，只是孔內只裝一個起爆體，起爆體內只裝一發雷管。圖1和圖2分別為淺孔爆破、深孔爆破的起爆網路圖。

1.2 數據采集

采集數據為爆破振動速度實測結果，淺孔與深孔爆破時，在被保護物方向上不等間隔布置20個測點，如圖3、4。

表1 深孔臺階爆破參數表

表2 淺孔爆破孔網參數和裝藥量表

圖2 淺孔爆破多族起爆網路圖Fig.2 Multi family initiation network graph in shallow hole blasting

圖3 深孔爆破分層裝藥起爆網路圖Fig.3 Hierarchical charge initiation network diagram in deep hole blasting

圖4 深孔爆破監測布點圖Fig.4 Monitoring charts in deep hole blasting

圖5 淺孔爆破監測布點圖Fig.5 Monitoring charts in shallow hole blasting

由于實驗振動較小，部分儀器未測到數據，深孔爆破未測到數據的測點有：測點1、2、3、4、5、6、9；淺孔爆破：測點2、3、10(10號測點為儀器故障)。

2 實驗結果與分析

功率譜密度是一個非負實數，它直接反應了在頻域中不同頻率所對應的值。加速度函數a(t)在有限時間長度T傅里葉變換可寫為：

(1)

式中:k=2πf是波數，對數據進行離散數字處理，采樣長度T=NΔt，Δt是采樣間隔等于0.000 5 s。以此作為離散信號的采樣標準進行離散傅里葉變換

(2)

波數k則離散為2πfm，fm=m/(NΔt)是空間頻率。式(2)中系數Δt可以保證PSD計算中得到正確的量綱和單位。

根據PSD定義表達式：

結合式(1),(2)，則PSD具體表達式：(單位是(m/s2)2/Hz)

對于測得數據通過微分方式求解加速度，再求解加速度功率譜密度，對于不同頻率段對應的功率譜密度，給出光刻機能承受的紅線指標，依據加速度功率譜密度控制粗黑線，反饋到確定爆破振動速度控制指標，在分析過程中，因為合加速度功率譜密度沒有意義，因此選擇每個測點的振動速度最大方向進行研究。

2.1 功率譜密度分析

對于深孔爆破，功率譜密度直到8號測點處才處于控制線以下，對應的分向速度為0.024 cm/s，可以看出速度值比爆破安全規程中規定的“一般古建筑與古跡”還要嚴格。為考察三維方向的加速度功率譜密度，選擇第20號測點進行分析。將儀器測試的爆破振動速度圖譜通過微分方法轉化到加速度圖譜，在轉化之前，先將各自的振動速度峰值縮比調整到不大于0.02 cm/s，該指標基本處于爆破振動速度響應臨界速度，同時確保了振動波形相似，只是頻率分布保持不變。

圖6 X向加速度功率譜密度圖譜Fig.6 X direction acceleration power spectral density map

圖7 Y向加速度功率譜密度圖譜Fig.7 Y direction acceleration power spectral density map

圖8 Z向加速度功率譜密度圖譜Fig.8 Z direction acceleration power spectral density map

選擇廠房邊緣進行控制，通過上述深孔爆破分析可以看出，不改變當前工況下，廠房邊緣處爆破振動速度控制在0.02 cm/s比較合適。

對于深孔爆破，功率譜密度直到20號測點處才處于控制線以下，對應的分向速度為0.020 5 cm/s，與深孔爆破類似，考察三維方向的加速度功率譜密度，選擇第14號測點進行分析。

圖9 X向加速度功率譜密度圖譜Fig.9 X direction acceleration power spectral density map

圖11 Z向加速度功率譜密度圖譜Fig.11 Z direction acceleration power spectral density map

選擇廠房邊緣進行控制，通過上述淺孔爆破分析可以看出，不改變當前工況下，廠房邊緣處爆破振動速度控制在0.02 cm/s比較合適。

2.2 爆破類型區域劃分

依據《爆破工程消耗定額》(GYD-102—2008)，城鎮及復雜環境石方爆破工程，對復雜環境應分類區別，露天石方爆破復雜環境分為A、B、C 三類，該工程采用深孔、淺孔爆破相結合的方法，兩大類型區域的劃分應滿足既能保證精密儀器安全，又可以在局部實施深孔爆破降低工程造價。

淺孔爆破按照B級復雜環境，普堅石，定額編號：1-4-7，其造價為6 793.12元/立方米。深孔爆破按照B級復雜環境，普堅石，定額編號：1-4-15，其造價為3 410.92元/立方米。兩者有將近2倍差距。如果深孔爆破淺孔爆破范圍各占50%方法與全部采用淺孔爆破方法相比較，能降低25%費用，十分可觀，具有重大經濟價值。

淺孔與深孔爆破，在保持當前起爆網路下，振動速度不大于0.02 cm/s，其加速度功率譜密度全部在紅線下，與Intel公司給出的紅線指標是相符合的。根據薩道夫斯基公式，深孔爆破時，K=177.15，a=1.537，v=0.02 cm/s，計算半徑為740 m，實際工程中按照750 m進行控制，當爆破點距離廠房大于750 m時采用深孔爆破。淺孔爆破時，K=590.5，a=1.93，v=0.02 cm/s，計算半徑為207 m，按照210 m進行控制，實際工程中當爆破點距離廠房大于210 m，小于750 m時采用淺孔爆破。對于小于210 m區域，出于精密儀器安全考慮，推薦不采用爆破方法進行施工。

3 結 論

結合Intel實驗相關實測數據，對爆破地震進行了研究，得出以下結論：

(1)采用加速度功率譜密度的分析方法進行分析，功率譜具有單位頻率的平均功率量綱，可以看出隨機信號的能量隨頻率的分布情況，以能量分布對振動測試進行評估，更具有說服力。

(2)加速度功率譜密度給出了不同頻率下對應的標準，不只是單一考慮峰值大小，更加全面；而且通過觀察滿足功率譜密度標準下的對應速度峰值發現，對于速度峰值的控制標準比國標給出的標準更為嚴格。

(3)加速度功率譜密度控制方法的確定，可以通過對不同爆破布孔方案進行實驗，將加速度譜密度結果反演到對應的速度標準，然后通過確定控制速度峰值的方法進行控制，更加方便。

(4)采用功率譜密度方法對深孔、淺孔爆破區域進行了劃分，由于控制標準的嚴格，不但能夠控制住爆破振動帶來的危害，而且能夠節約大量的成本，具有很高的經濟效益。

(5)未來城鎮爆破工程中可能會經常遇到精密儀器的保護問題，本文解答了在給定加速度譜密度控制紅線后，如何對爆破振動進行有效的控制，并提出建設性方案，對今后爆破工程中相似情況具有一定的指導意義。

[ 1 ] 史秀志，陳新，史采星，等. 基于GEP的爆破峰值速度預測模型[J]. 振動與沖擊，2015, 34(10): 95-99. SHI Xiuzhi, CHEN Xin, SHI Caixing, et al. Study on the fitting model of underwater blasting vibration attenuation considering the effect of elevation [J].Journal of Vivration and Shock, 2015, 34(10): 95-99.

[ 2 ] 李孝林，少雄，高懷樹. 爆破振動頻率影響因素分析[J]. 遼寧工程技術大學學報，2006, 25(2): 204-206. LI Xiaolin, SHAO Xiong, GAO Huaishu.Analysis of factors affecting blasting vibration frequency [J]. Journal of Liaoning Technical University, 2006, 25(2): 204-206.

[ 3 ] 李夕兵，凌同華，張義平. 爆破振動信號分析理論與技術[M]. 科學出版社，2009.

[ 4 ] 何曉光，張敢生. 爆破地震安全判據探討[J]. 遼寧科技學院學報，2005, 7(2): 26-29. HE Xiaoguang, ZHANG Gansheng.Discussion on the safety criterion from detonated seism [J]. Journal of Liaoning Institute of Science and Technology, 2005, 7(2): 26-29.

[ 5 ] 張金泉，魏海霞. 爆破振動測試技術及控制措施[J]. 中國礦業，2006, 15(6): 65-67. ZHANG Jinquan, WEI Haixia. Testing technique and control measures of blasting vibration [J]. Chinese Mining Magazine, 2006, 15(6): 65-67.

[ 6 ] 田運生. 爆破地震地面運動的演變功率譜密度函數分析[J]. 爆炸與沖擊，2007, 27(1): 7-12. TIAN Yunsheng.Analysis of evolutionary power spectra density function of ground motion induced by blasting seismic [J]. Explosion and Shock Waves, 2007, 27(1): 7-12.

[ 7 ] 徐冬春. 小龍潭露天礦爆破技術與爆破振動研究[D]. 昆明：昆明理工大學，2005.

[ 8 ] 李洪濤. 基于能量原理的爆破地震效應研究[D]. 武漢：武漢大學，2007.

[ 9 ] HALUK S, ALPHAN N. Earthquake ground motion characteristics and seismic energy dissipation[J]. Earthquake Eng. Struct Dyn., 1995,24(9):1195-1213.

[10] SMITH A T. Discrimination of explosions from simultaneous mining blasts[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1993, 83(1): 160-179.

[11] WU Y K, HAO H, ZHOU Y X, et al. Propagation characteristics of blast-induced shock waves in a jointed rock mass[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 1998, 17(6): 407-412.

[12] SMITH A T. High-frequency seismic observations and models of chemical explosions: implications for the discrimination of ripple-fired mining blasts[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1989, 79(4): 1089-1110.

[13] OTUONYE F O. Response of grouted roof bolts to blast loading[C]//International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. Pergamon, 1988, 25(5): 345-349.

[14] BAYRAKTAR A, TüRKER T, ALTUNIIK A C, et al. Evaluation of blast effects on reinforced concrete buildings considering Operational Modal Analysis results[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2010, 30(5): 310-319.

[15] HACIEFENDIOLU K, BIRINCI F. Stochastic dynamic response of masonry minarets subjected to random blast and earthquake-induced ground motions[J]. The Structural Design of Tall and Special Buildings, 2011, 20(6): 669-678.

[16] CARVALHO E M L, BATTISTA R C. Blast-induced vibrations in urban residential buildings[J]. Proceedings of the ICE-Structures and Buildings, 2003, 156(3): 243-253.

[17] 李洪濤，楊興國，舒大強，等. 不同爆源形式的爆破地震能量分布特征[J]. 四川大學學報(工程科學版)，2010 (1): 30-34. LI Hongtao, YANG Xingguo, SHU Daqiang, et al. Study on energy distribution characteristics of seismic waves induced by different forms of blasting resource [J]. Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition), 2010 (1): 30-34.

[18] 李洪濤，楊興國，高星吉，等. 地下廠房開挖爆破地震能量分布特征[J]. 爆破，2010, 27(2): 5-9. LI Hongtao, YANG Xingguo, GAO Xingji, et al. Study on energy distribution of blasting vibration in Underground Powerhouse Excavation [J]. Blasting, 2010, 27(2): 5-9.

[19] 李洪濤，盧文波，舒大強，等. 基于功率譜的爆破地震能量分析方法[J]. 爆炸與沖擊，2009, 29(5): 492-496. LI Hongtao, LU Wenbo, SHU Daqiang, et al. An energy analysis method for blast-induced seismic based on power spectrum [J]. Explosion and Shock Waves, 2009, 29(5): 492-496.

[20] LI H T, YANG X G, LU W B, et al. Safety assessment for structures under blasting vibration based on equivalent peak energy[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(5): 821-825.

[21] 李國保，舒大強，蔡振. 隧洞爆破作用下洞內與露天區域振動能量特性分析[J]. 爆破，2011, 28(2): 105-108. LI Guobao, SHU Daqiang, CAI Zhen. Energy characteristic analysis of vibration inside and outside tunnel under blasting effect [J]. Blasting, 2011, 28(2): 105-108.

[22] 練友紅，王先義，何剛，等. 爆破振動信號的頻譜分析[J]. 礦業安全與環保，2004, 31(1): 49-52. LIAN Youhong, WANG Xianyi, HE Gang, et al. Spectrum analysis of blasting vibration signal [J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2004, 31(1): 49-52.

[23] 李德林，方向，齊世福，等. 爆破振動效應對建筑物的影響[J]. 工程爆破，2004, 10(2): 66-69. LI Delin, FANG Xiang, QI Shifu, et al. Effect of blasting vibration on structures [J]. Engineering Blasting, 2004, 10(2): 66-69.

[24] 舒西剛，劉新榮，姜德義，等. 歌樂山石灰石礦爆破地震波的測試與分析[J]. 地下空間與工程學報，2008, 4(3): 586-590. SHU Xigang, LIU Xinrong, JIANG Deyi, et al. Test and analysis on blasting seismic wave of Geleshan limestone mine [J]. Chinese Journal of underground space and Engineering, 2008, 4(3): 586-590.

[25] HAO H, WU Y, MA G, et al. Characteristics of surface ground motions induced by blasts in jointed rock mass[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2001, 21(2): 85-98.

[26] DOWDING C H, ATMATZIDIS D K, MURRAY P D. Dynamic properties of residential structures subjected to blasting vibrations[J]. Journal of the Structural Division, 1981, 107(7): 1233-1249.

[27] HACIEFENDIOLU K, BANERJEE S, SOYLUK K, et al. Stochastic dynamic analysis of a historical masonry bridge under surface blast-induced multi-point ground motion[J]. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 2015: 1-12.

[28] DATTA T K, MASHALY E A. Seismic response of buried submarine pipelines[J]. Journal of Energy Resources Technology, 1988, 110(4): 208-218.

Blasting vibration acceleration power spectral density analysis under complex blasting operation environment

YAN Honghao, HUN Changhong, LI Xiaojie, ZHAO Tiejun

(State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

In order to analyze the influence of blasting vibration on precision instrument, taking the land leveling blasting vibration of Intel company as a case, combining the standard of blasting vibration acceleration spectral density provided by Intel company and the law of blasting vibration in Dalian, the test scheme was designed. The monitored data analysis showed that under the designed detonation network, the blasting is either deep hole style or shallow one, the vibration velocity at the original control point position is no more than 0.02 cm/s, and the vibration acceleration spectral density values are less than the given standard; this control method can not only reduce the cost of blasting operations, but also provide a reliable basis for the safety assessment of blasting vibration under complex operating environment.

acceleration; power spectral density; complex environment; blasting vibration; precision equipment

國家自然科學基金(10872044;11672068;10972051;10902023);中國遼寧省自然科學基金(20082161)

2015-07-20 修改稿收到日期：2016-01-07

閆鴻浩 男，博士，副研究員，1974年11月生

O382+.2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.03.018