考慮高程差影響下的水下爆破對鄰近建筑物的安全風險影響研究

張杰友

(廣西壯族自治區交通運輸工程質量監測鑒定中心，廣西 南寧 530031)

0 引言

為滿足水運行業發展需要，西江航運干線貴港至梧州航道正在進行擴能升級，將現有2 000噸級航道升級建設為3 000噸級航道，而建設施工中最重要的環節之一就是水下爆破炸礁工作。水運航道周圍分布有民房、辦公場所等建筑物，而這些建筑物與爆破區域之間存在一定的高程。現階段研究發現，在一定的范圍內，高程對爆破地震波的傳播具有較大影響，容易產生爆破振動的高程放大效應，危害爆區周圍建筑物的安全[1-4]。其中爆破施工導致房屋上層的居民認為震感強烈引發投訴的問題較為常見。

目前，爆破監測工程中通常是根據現場振動監測結果用薩道夫斯基公式進行回歸分析，然后基于回歸分析得到的薩道夫斯基公式預測爆破振動速度的量值[5-9]。多數工程試驗證明，薩道夫斯基公式在平整地形條件下預測地面的爆破振動質點速度具有較高的精度，但由于該公式未考慮測點與爆心之間高差的影響，因此諸多學者開展了關于高差影響的研究：例如盧文波等[10]基于多種應力波理論對質點峰值振動衰減公式進行改進；李杰、蔣楠[11-12]等人對影響爆破振動衰減規律的物理量進行量綱分析，得到了考慮爆破振動高程放大效應的預測公式；唐海等[13]研究了考慮高差的數個經驗公式的誤差；文建華等[14]和史秀志等[15]采用遺傳算法，徐全軍等[16]和夏夢會等[17]采用人工神經網絡的方法開展了考慮高差的爆破的數值研究。

綜上所述，現階段爆破高程效應的研究方法主要為理論分析、經驗公式和數值模擬，結合現場實時監測數據的研究相對較少。研究對象主要集中在礦場、隧道等陸地環境，對傳播介質復雜的水下爆破工程的研究相對較少。因此，本文將結合實際水下爆破工程引發鄰近建筑物內部墻面開裂問題和現場監測數據，研究高程經驗公式的合理性和高程放大效應主要影響的爆破振動參數。本次研究結果對于改善水下爆炸振動控制措施和降低鄰近建筑物振動的影響具有重要意義。

1 工程概況

本次研究的工程整治段為西江航運干線貴港至梧州3 000噸級航道二期工程施工一標段一工區的龍圩水道段水下鉆孔爆破施工。K0+600～K1+957段所在的潯江河段南北兩岸已建防洪堤，岸坡較為穩定，北岸河堤堤頂一側為090鄉道，鄉道沿線為村莊民房，南岸堤頂一側為沿江路，沿江路一側為居民住宅。經衛星地圖實測，K0+600～K1+957段爆區區域距東岸防洪堤最近距離為開挖終點K1+957處約110 m，爆破區域最近點距江南明珠小區256 m，距龍翔百匯小區244 m，距水岸名都小區190 m，其中龍翔百匯小區對爆破振動造成房屋開裂處較多。因此，本次研究將結合該小區的現場監測數據對水下爆破引起房屋開裂的問題進行分析。

2 爆破監測點位置與試驗設備

2.1 水下爆破監測點位置

根據當前水下爆破施工階段與項目監測重點，選擇相對距離最近、房屋裂縫損壞較嚴重的乙小區作為監測研究對象。在該小區最靠近航道內爆破區且是唯一受爆破振動影響的樓房的底部和頂部各布置一臺儀器，對一個月內監測的多次爆破振動進行實時監測，其中房屋樓底測點為A，樓頂測點為B，其中爆破點與測點的水平距離用D表示。監測的建(構)筑物測點與爆破點的相對位置如圖1所示。

圖1 爆破點與監測點相對位置示意圖

2.2 試驗設備介紹

本次現場試驗采用多臺TC-4850振動測試儀，頻率范圍為5～300 Hz，量程為0～35 cm/s，分辨率為0.01 cm/s，讀數精度為0.1%，觸發電平范圍是0～10 V(0～35 cm/s)，可任意調節。設置電平值(觸發閥值)為0.02 cm/s，觸發后單次采樣時長為2 s。安裝時須注意的是，首先確定傳感器水平軸方向與爆破點方向一致，然后用手掌平壓三矢量傳感器，并在用力過程中左右帶動傳感器，能有效防止粘連不均勻、傳感器與石膏之間存在氣泡等現象，保證傳感器與被檢面的剛性連接。TC-4850振動測試儀具有抗震動、抗電磁干擾、高靈敏度、高可靠性等特點，是集自帶電源、自動觸發、自動采集等優點于一體的先進儀器，適合各種野外的復雜環境振動波測試，配套軟件Blasting vibration analysis具有計算、分析、繪圖等功能，保證了測試結果的準確性和及時性。

高差影響下的爆破振動監測見下頁表1。

表1 現場監測數據表

3 高差對爆破振動參數的影響分析

3.1 高差對振速的影響

根據《爆破安全規程》(GB6722-2014)[18]，爆破振動影響下建(構)筑物的振速是衡量影響建(構)筑物安全的重要指標。為研究高差對各方向質點振動速度大小的影響，將儀器原始的x、y、z三個方向的質點振動速度歸納為水平方向(x和y)的振動速度、鉛錘方向(z)的振動速度以及矢量合方向的振動速度。在航道水下爆破現場進行爆破振動實時測試，得到了大量的爆破振動監測數據，通過對比實際水下爆破正常施工時同一次爆破振動影響下樓房底部與頂部的振速差異，分析得到x、y和z三個方向的放大系數K1，根據放大系數K1值的大小判別高差對振速的影響，其中放大系數為樓頂和樓底的差值比樓底的振速值。如圖2所示，分析發現，高差影響下的各方向的放大系數K1普遍均>0，這說明高差對各方向的質點振動速度均有放大效應，其中鉛垂向和合方向的放大系數接近，并且均遠大于水平向的放大系數K1，這就說明高差導致的放大效應實則主要是對鉛垂向質點振動速度的增大，其放大系數K1約為1.6～4.5；對水平方向(x和y)的振速的影響相對較弱，放大系數K1主要集中在0.5左右。

圖2 高差影響下放大系數K1與振速的關系圖

3.2 高差對質點頻率的影響

根據國內外研究成果分析總結可知，建(構)筑物在爆破地震作用下，其破壞程度與爆破地震引起的地面質點振動速度成正比，與頻率比(即地面震動頻率與結構物自振頻率入之比)的常用對數成反比。因此在爆破過程中對質點頻率的研究也顯得至關重要。對高差影響下頻率的放大系數K2分析與前文相似，通過現場實時監測的有效數據發現，頻率放大系數K2<0的次數相對較多，這說明在實際爆破施工中，較多次數的爆破振動頻率因高程的增大反而減小。根據相關研究發現樓房的固有頻率一般不超過10 Hz[19]，而爆破引起的質點振動頻率一般大于樓房的固有頻率，自振頻率與爆破引起的質點振動頻率越是接近，越容易發生共振現象[20-21]，因此這種高程影響下頻率降低的結果實則會導致爆破振動對樓房的危害風險增大。高差影響下的頻率分布規律如圖3所示，以K2=0作為衡量高程影響下的放大效應的指標，對應的K2<0時，說明在高差影響下樓頂測點的振動主頻率相對降低；反之，振動主頻率相對增大。通過多次實時監測的有效數據可以發現，x、y和z三個方向的振動頻率在高差影響下，x、y和z的放大系數K2大部分分布在<0的位置，其中y方向主頻率的降低概率明顯大于x和z方向，說明隨著高程的增大，x、y和z三個方向的主頻率大小有較大概率的降低，這說明高程的增加會增加頻率降低的概率，從而增加爆破振動導致建(構)筑物共振的風險。

圖3 高差影響下爆破振動頻率與放大系數K2的關系圖

3.3 高差對持時的影響

隨著爆破工程領域研究的精進與發展，爆破振動持續時間對安全性的影響逐漸得到了國內外學者的熱切關注，有學者認為爆破振動持續時間會導致振動疊加，從而可能影響結構動力響應特征[22]，影響建(構)筑物安全性。其中爆破持續時間的選取為觸發初始時刻0至合速度衰減至觸發閥值0.02 cm/s對應時刻的時長。如圖4所示，繪制的每次監測爆破持續時間的放大系數K3都>0，這說明隨著高程的增大，爆破持續時間也隨之增大，根據監測期間的多次爆破振動數據的放大系數K3恒>0，可推斷高差對爆破持續時間的放大效應幾乎必然存在，因此可認為高差在一定程度上增大了振動對建(構)筑物累計損害的風險。

圖4 高差影響下爆破振動持時與放大系數K3的關系圖

4 考慮高程效應的爆破振速公式

4.1 薩道夫斯基公式

根據《爆破安全規程》(GB6722-2014)可知在爆破工程中，爆破振動衰減規律受到多重因素的影響，如振速、頻率以及單段最大藥量等。由爆破工程經驗可知，振速與單段最大藥量Q成正比，與爆心距R成反比，具體表達式如式為：

(1)

式中：K——與巖石性質、爆破參數和爆破方法有關的場地系數；

Q——爆破最大段藥量，kg；

R——爆心距，即爆破中心與測點的距離，m；

α——爆破振動衰減系數。

4.2 考慮高差因子公式

多數工程試驗證明，薩道夫斯基公式在平整地形條件下預測地面的爆破振動質點速度具有較高的精度，但由于該公式未考慮測點與爆心之間高差的影響，當爆破場地的地形地貌變化較大時用該公式預測爆破振動精度較差。基于這一認識，近來不少學者對有高程變化的爆破振動進行了研究。有學者[23-24]認為測點與爆破中心之間的相對高差對振動有很大的影響：高差為正(大于爆源的高程為正)振動效應增大，反之降低。相關學者[25-26]在考慮爆破振動波傳播的高程效應時，提出加入高程差因子的質點振動速度公式為：

(2)

式中：K——與巖石性質、爆破參數和爆破方法有關的場地系數；

Q——爆破最大段藥量，kg；

R——爆心距，即爆破中心與測點的距離，m；

H——高程，m；

α、β——爆破振動衰減系數。

將式(1)和式(2)左右兩邊同時取對數變化，分別得到式(3)和式(4)：

(3)

(4)

5 結語

本文結合西江航運干線貴港至梧州航道水下爆破的現場監測數據，對高程差影響下的振動、質點頻率及爆破持續時間的放大效果進行了分析，并對比了常用國家工程規范中的薩道夫斯基公式和引入高程差因子的公式，通過總結分析得出：

(1)高程對水下爆破振動的振速、質點頻率及爆破持續時間三種因素都有較為顯著的放大效應，其中高程對振速和爆破持續時間有顯著的放大效應，都隨高程的增大而增大；對頻率的影響與方向有關，對y方向頻率的放大效應比x和z方向更顯著。

(2)僅通過我國《爆破安全規程》(GB6722-2014)的爆破振動安全允許值和薩達夫斯基公式來判定環境復雜的水下爆破對鄰近建筑物的影響顯然較為粗略，通過對比傳統的薩達夫斯基公式和考慮地形高差因子的公式發現：在爆心距相差不大且高程差相差較大的情況下，傳統薩達夫斯基公式已經無法擬合并預測；而考慮高程差因子的擬合精度較高，這主要是因為加入了高差修正因子，更符合實際的水下爆破工程施工現場周圍的環境，可為我國爆破工程行業規范標準的制定與修正提供參考。