高速公路橋梁挖孔灌注樁樁基控制爆破施工安全距離的確定

■廖大剛

（福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004）

0 引言

工程施工經(jīng)常會運用爆破的方法，這能極大程度地提高施工效率，為施工帶來便利。但爆破施工往往也會帶來一定的有害效應(yīng)，例如爆破振動、空氣沖擊波、爆破飛石、噪聲和粉塵，這些當中爆破振動是公認的爆破有害效應(yīng)之首，其雖然產(chǎn)生于巖體的彈性震動范圍區(qū)內(nèi)，不會造成爆區(qū)周圍保護物的地基巖石破壞，但它會使得保護物產(chǎn)生傾斜、破壞甚至倒塌，當振動頻率達到或接近保護物的自振頻率時，振動對保護物的影響就愈大。因此，有必要對爆破振動進行控制。其中最有效的方法就是使保護物位于爆破安全距離以外。所謂爆破安全距離即在爆破有害效應(yīng)的影響時能保證保護物安全的前提下，爆源與保護物之間的距離。故爆破安全距離的確定顯得尤為重要。

關(guān)于爆破安全距離的確定研究，張亞賓等[1]在爆破振動監(jiān)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，研究了露天邊坡爆破安全距離的確定。趙豐等[2]基于已有的爆破振動速度衰減模型及有限元模擬結(jié)果，研究了新建鐵路隧道上跨既有公路隧道時控制爆破安全距離的確定。張濤等[3]借助于圍巖中地震波傳播速度解析解，研究了隧道掘進爆破振動作用下支護結(jié)構(gòu)的安全距離。葉洲元等[4]基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)建立了爆破振動安全距離計算優(yōu)化模型，并編寫了Visual Basic語言計算程序，結(jié)合實例探討了某土石方爆破安全距離的確定。本文主要討論通過薩道夫斯基公式反演計算的方法確定橋梁樁基爆破施工的安全距離。

1 基本原理

1.1 地震波的產(chǎn)生及其表示

炸藥引爆后會形成壓力突變、能量極高、破壞能力極強的沖擊波，其強烈地沖擊炸藥周圍的巖體，能夠直接將

式中：V為質(zhì)點峰值振動速速，cm/s；Q為裝藥量 （齊發(fā)爆破時為單次總藥量，微差爆破時為單段最大裝藥量），kg；R為測點與爆源中心的距離；K、α為與地質(zhì)條件有關(guān)的衰減指數(shù)。

1.2 監(jiān)測原理

采用爆破測振儀對地震波進行采集，其基于電測法的原理。電測法的要點是利用敏感元件在磁場中的相對運動，產(chǎn)生與地震具有一定比例關(guān)系的電信號，從而將地巖層壓碎，從而產(chǎn)生粉碎圈并使得沖擊波能量大幅降低，導(dǎo)致沖擊波衰變?yōu)閼?yīng)力波。應(yīng)力波只能引起巖層產(chǎn)生裂隙，繼而形成裂隙圈[5]。當應(yīng)力波通過裂隙圈時，大部分能量被用于裂隙的起裂、擴展引起其強度大幅度衰減，大約在距離炮孔中心150倍炮孔半徑以外時，應(yīng)力波再也不能引起巖石的破裂而只能引起巖石質(zhì)點的彈性振動，造成地面震動，即為地震波效應(yīng)[6]。當?shù)卣鸩ㄐ?yīng)嚴重時，可能對周圍構(gòu)建物造成安全隱患。

通常，可采用爆破振動速度、加速度、位移、頻率、持續(xù)時間等參量來衡量地震波的振動強度。國內(nèi)外諸多學(xué)者認為，爆破振動速度相比于其他幾個參數(shù)，與巖體性質(zhì)有較穩(wěn)定的關(guān)系，更能排除巖土因素的影響，且振速與結(jié)構(gòu)的破壞特征關(guān)系較密切，故宜采用振動速度作為地震波 強 度 的 衡 量 標 準[7]～[10]。

研究和實踐表明，爆破振動速度與炸藥量、爆心距、地質(zhì)地形條件、裝藥結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)[11]，常采用經(jīng)驗公式表示。傳統(tǒng)的振動速度經(jīng)驗公式為前蘇聯(lián)M·A薩道夫斯基提出的薩氏公式[12]：震波在介質(zhì)中的振動信號轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，然后對電學(xué)量進行測量，最終反算得到所要測量的地震波強度。

圖1 爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)圖

1.3 數(shù)據(jù)處理原理及安全距離的計算

對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，一般采用基于最小二乘法原理的線性回歸分析方法。

設(shè)有一組監(jiān)測數(shù)據(jù)：(x1,y1)、(x2,y2)…(xn,yn)，若其滿足回歸方程y=kx+b，那么根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計最大似然估計法，當對所有監(jiān)測數(shù)據(jù)，令最小時，即可取得最優(yōu)的線性回歸方程。

要求得的最小值，由求最值的條件可知，需要滿足：

即需要滿足：

由上式可解得待定系數(shù)k、b的最大似然估計值為：

對式（1）兩邊取對數(shù)，可得：

在式（5）的基礎(chǔ)上，令，結(jié)合式（2～4）可得：

至此可以得到薩氏公式的各個待定系數(shù)，亦即完成了薩氏公式的擬合。在此基礎(chǔ)上，若給定最大允許振動速度，則可以反演計算得到爆破安全距離：

2 工程實例

2.1 工程概況

某高速公路橋梁樁基為挖孔灌注樁，實施淺孔爆破作業(yè)，最大藥量為14kg。施工所在地地表為沉積砂土，淺層為砂巖，中部為較硬花崗巖，深部為堅硬花崗巖。爆區(qū)周邊環(huán)境為：在爆區(qū)北側(cè)有一條村道，沿村道兩側(cè)分布有居民房，均屬于一般民用建筑物（磚房），最近的房屋與樁基的距離約為30m；村道北側(cè)有一變電箱及數(shù)根高壓線桿，如圖2所示。為了解爆點的作業(yè)影響范圍，進一步為指導(dǎo)施工方案的修正、控制和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，本次試驗通過快速、準確監(jiān)測質(zhì)點振動強度，擬合得到地震波傳播的衰減規(guī)律，最終反演計算得到爆源的安全距離。

圖2 測點布置平面圖

2.2 測點布置

針對工程特點和居民房屋的分布情況，監(jiān)測點的布置選在了較為開闊的荒廢農(nóng)田上。監(jiān)測過程采用了5套成都交博科技有限公司生產(chǎn)的L20-N型智能爆破測振儀，設(shè)備采樣頻率為10k，觸發(fā)電平設(shè)置為0.03cm/s，采樣長度為4s。測點平面布置圖如圖2所示。

2.3 監(jiān)測結(jié)果

因試驗條件有限，僅進行了一次爆破振動的測試，共取得4組振動數(shù)據(jù)，列于表1中（其中4#測點的儀器未受觸發(fā)）。同時，受篇幅所限，僅給出2#測點的振動波形圖，如圖3所示（圖中橫軸表示時間s，縱軸表示振幅 cm/s）。

表1 測振數(shù)據(jù)表

圖3 典型爆破振動速度波形圖

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 薩氏公式回歸分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理原理，可得到本次監(jiān)測巖體中地震波的傳播規(guī)律：

（1）水平徑向質(zhì)點振動速度回歸結(jié)果如圖4所示，其中 K=167.74，α=2.86，γ=0.822振動速度衰減規(guī)律為：

（2）水平切向質(zhì)點振動速度回歸結(jié)果如圖5所示，其中 K=38.84，α=2.21，γ=0.916，振動速度衰減規(guī)律為：

（3）垂直質(zhì)點振動速度回歸結(jié)果如圖6所示，其中K=03.45，α=2.23，γ=0.851，振動速度衰減規(guī)律為：

圖4 V徑向回歸曲線

圖5 V切向回歸曲線

圖6 V垂直回歸曲線

2.4.2 安全距離分析

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）[13]，結(jié)合現(xiàn)場實測振動主頻率，確定最大允許振動速度為2.0cm/s。由式（7）可計算得到不同藥量下的安全距離，如表2所示。

表2 爆破安全距離計算表

3 結(jié)語

（1）通過擬合地震波傳播的衰減規(guī)律從而反演計算爆破安全距離，可得到水平徑向、水平切向、垂直方向上的三種結(jié)果，應(yīng)以三者中的最大值作為參考值。

（2）因爆破現(xiàn)場的復(fù)雜性及諸多因素的不確定性，建議實際工程中按計算結(jié)果的1.1～1.5倍取值。

（3）《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014） 給出了爆區(qū)不同巖性的 、的取值，可在無試驗數(shù)據(jù)的條件下參考，若盲目按此數(shù)據(jù)類比取值是不客觀的，會造成爆破安全距離的計算誤差，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合得到的 、值能在一定程度上減小誤差。

（4）因試驗條件有限，試驗取得的振動數(shù)據(jù)較少，導(dǎo)致各向質(zhì)點振動速度擬合中相關(guān)系數(shù)較小，回歸結(jié)果稍有欠缺。今后類似工程爆破安全距離的確定，可按本文方法，增加試驗次數(shù)進一步完善。

[1]張亞賓，張云鵬，陳超.爆破動載作用下邊坡臨界振速及安全距離的計算[J].金屬礦山，2016，45（2）：137-140.

[2]趙豐，薛亞東，李碩標，等.新建鐵路隧道上跨既有公路隧道控制爆破安全距離研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2016，13（7）：1365-1371.

[3]張濤，陳士海，張偉，等.掘進爆破振動作用下支護結(jié)構(gòu)的安全距離[J].爆破，2014，31（1）：133-137.

[4]葉洲元，周志華.爆破震動安全距離的優(yōu)化計算[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2005，15（3）：57-60.

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[13]中華人民共和國國家標準編寫組.GB6722-2014，爆破安全規(guī)程[S].北京：北京標準出版社，2014.