爆破振動對混凝土初凝期強度影響規律及降震試驗研究

王亞強，李二寶，王 騫，漆 斌，汪 熙，楊海濤

(1.中國黃金集團內蒙古礦業有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 引 言

露天礦是保障我國礦產資源的重要供應來源[1-2]，隨著露天礦山采剝作業逐步開展，生產平臺逐步下移，下部平臺中新建破碎站新澆筑混凝土初凝期不可避免地受到生產爆破的影響[3]，初凝期混凝土強度小且正在發生凝固變化，頻繁爆破振動極易對破碎站混凝土基礎造成內部損傷[4-9]。近年來，針對爆破振動對初凝期混凝土的影響，許多學者開展了研究，如盧文波等[10]通過爆破地震波作用下的新澆筑基礎混凝土受力狀態的理論分析及動力有限元，計算確定的新澆筑混凝土中的振動速度及動拉應變分布，從理論上確定新澆筑基礎混凝土的安全振動速度；李毅敏等[11]通過室內實驗模擬場地爆破振動作用于初凝期混凝土試塊，測量了不同齡期混凝土受振動損傷后的強度，分析了初凝期混凝土損傷后的強度增長規律，建立了場地爆破與混凝土結構澆筑平行施工的安全技術指標；吳帥峰[12]采用露天深孔爆破作為振源，對齡期為6 h、12 h、36 h、48 h和72 h的C40混凝土分別在2～10 cm/s的爆破振速下進行試驗，研究不同齡期下混凝土損傷及強度折減情況。

針對初凝期混凝土的安全振動速度技術指標，相關研究多采用數值模擬和機械沖擊振動的手段進行分析[13]，而考慮礦山生產爆破振動對混凝土影響的研究相對較少，同時也缺少礦山生產爆破對初凝期混凝土影響控制措施的試驗研究；《爆破安全規程》雖然規定了新澆筑混凝土初凝～3 d、3～7 d、7～28 d安全允許振動速度，但僅針對C20混凝土，且7～28 d齡期跨度較大，不利于現場實際操作。礦山爆破振動對重大工程厚大混凝土安全影響仍需要進行安全評估，并需要提出不同齡期混凝土允許振動速度和深孔爆破控制技術措施。

為研究礦山大規模爆破振動對初凝期粗破碎站混凝土構筑物的安全影響，開展露天深孔生產爆破現場新澆筑混凝土模型試驗，對比分析不同齡期時混凝土試件的強度變化規律，得出適合試驗礦山新建粗破碎站混凝土構筑物的安全允許振動速度技術指標，并開展孔口空氣間隔減震裝藥結構試驗研究，得出適用于礦山新澆筑混凝土結構減震控制的爆破技術。

1 試驗礦山概況

試驗礦山在采場內南部+675～+705 m兩個臺階上擬修筑新破碎站，新破碎站臨近生產爆區，混凝土結構為長26 m、寬17 m、高32.4 m，其基礎位于+675 m平臺，基礎長度約20 m，寬度為15 m，厚度為2 m，混凝土強度及抗滲等級為C35，為厚大體積混凝土構筑物。

礦山采用Φ140 mm潛孔鉆機穿孔，采場內水孔相對較多，炸藥采用易普力現場裝藥抗硫乳化炸藥，起爆藥為0.5 kg中繼起爆具，逐孔微差起爆技術，雷管為澳瑞凱高精度導爆管雷管(采用地表延期方案，其中，孔內400 ms，孔外9 ms、17 ms、65 ms和100 ms延期雷管)，炸藥單耗約為0.70 kg/m3。

礦山年采剝規模約1億t，單次爆破炸藥使用量25～35 t，單段起爆藥量250～500 kg，其產生爆破振動往往較大，對初凝期混凝土基礎構件造成較大影響。

2 現場模型試驗

2.1 模型試驗方案

受爆破振動影響下現場混凝土模型試件試驗的主要思路為：首先，混凝土模型試件布置在距爆心一定距離處，使其受到不同爆破振動強度的擾動；其次，在不同的爆破振動作用下，對10個混凝土試件初凝期為3 d、7 d、14 d、28 d時的強度值進行采集；最后，對比分析混凝土試塊強度變化規律，得出混凝土模型試件典型齡期下爆破振動速度允許值。

2.2 混凝土模型及試驗臺階布置情況

設計在生產臺階平臺，按照距離爆區50 m、65 m、80 m、100 m、120 m、150 m、180 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m設置試驗點。 按照破碎站底部基礎尺寸比例，每個試驗點設置1個混凝土試件模型，尺寸為：長1.00 m，寬0.75 m，厚0.10 m，混凝土強度為C30，共澆筑混凝土試塊10個，試塊與爆破炮區相對位置及初凝期混凝土試塊如圖1所示。布置試驗炮孔，孔徑為140 mm，單孔裝藥量為220～240 kg；采用澳瑞凱高精度雷管起爆。預測試驗點處爆破振動速度0.4～6.0 cm/s范圍。

圖1 混凝土模型試件布置圖Fig.1 Layout of concrete model specimen

2.3 試驗測試及結果分析

ZC3-A回彈儀是通過彈擊錘沖擊混凝土試件表面所產生的瞬間彈性變形的恢復力，一般采用回彈值表示，作為混凝土抗壓強度相關的指標之一；考慮到回彈儀測試強度的無損檢測、簡捷方便的特點，本次采用回彈值作為混凝土強度指標進行分析研究[14-15]。

為研究爆破振動對初凝期混凝土構件的影響，分別在混凝土模型澆筑后3 d、7 d、14 d和28 d開展爆破振動測試試驗，采用回彈儀收集不同齡期下混凝土試塊爆破前后的回彈值，得出爆破振動影響下不同齡期混凝土試塊強度變化規律。繪制相對量隨爆破振動速度變化的關系曲線，其中相對量為爆破振動前后回彈量差值與爆破振動前回彈量的比值，結果如圖2～圖5所示。

圖2 初凝期為3 d時相對量變化情況Fig.2 Changes of relative quantity on 3rd day ofinitial setting

圖3 初凝期為7 d時相對量變化情況Fig.3 Changes of relative quantity on 7th day ofinitial setting

圖4 初凝期為14 d時相對量變化情況Fig.4 Changes of relative quantity on 14th day ofinitial setting

圖5 初凝期為28 d時相對量變化情況Fig.5 Changes of relative quantity on 28th day ofinitial setting

由圖2～圖5可知，混凝土試塊初凝期為3 d、7 d、14 d、28 d時，受到不同強度的爆破振動后，混凝土模型試件回彈值明顯減小。隨著爆破振動的增大，試件回彈值相對量呈“波浪式”上升走勢，且不同齡期均出現一個“加速破壞期”。其中，混凝土模型試件初凝期為3 d、7 d、14 d、28 d時，“加速破壞期”的振動速度范圍分別為1.34～1.57 cm/s、1.64～2.70 cm/s、2.40～3.50 cm/s、3.90～4.39 cm/s，通過分析認為，隨著養護期的延長，混凝土試塊的強度逐漸增大，抵抗爆破振動強度的能力也逐漸增強。

根據上述規律，為了降低爆破振動對新建破碎站新澆筑混凝土的影響，在生產爆破期間，將爆破振動速度控制在爆破振動前后混凝土構件回彈量差值“加速破壞期”之內，得出新建破碎站安全允許振動速度值分別為1.34 cm/s、1.64 cm/s、2.40 cm/s、3.90 cm/s。

3 降振控制爆破試驗研究

試驗礦山生產爆破炮孔填塞段4～6 m，針對新建破碎站建設需要，結合爆破振動對新建破碎站混凝土結構影響規律，本文提出采用孔口空氣間隔裝藥結構，本裝藥結構為軸向不耦合結構，炸藥爆炸后，空氣段對爆炸產生的高溫高壓氣體起到緩沖作用[16]，使爆轟壓力峰值降低，爆炸作用時間延長，達到降低爆破振動的目的。

3.1 降振機理分析

根據柱面波理論、長柱狀裝藥中的子波理論以及短柱狀藥包激發的應力波場Heelan解的分析，HUSTRULID[17]對巖石爆破中質點峰值振動速度衰減公式做出了改進，見式(1)。

(1)

式中：v為距離爆源某一特定距離下的爆破振動速度；dc為炸藥直徑，m；R為爆源到測點的距離，m；ρ為巖石密度，kg/m3；CP為巖石縱波速度，cm/s；p為炸藥的爆轟壓力。

參考曹祺等[18]用分段的兩條絕熱線代替真實的膨脹絕熱線計算壓力P的計算思路及理想氣體方程，見式(2)～式(4)。

(2)

(3)

(4)

由式(2)～式(4)構成方程組，得出振動速度關于爆源距離、炮孔軸向不耦合系數之間的關系式，見式(5)。

(5)

由式(5)可知，距爆源相同距離下，采用不同的軸向不耦合系數的降振率計算公式見式(6)。

η=[1-(k1′)-k]×100%

(6)

當采用空氣間隔裝藥結構時，炸藥爆炸后所產生的部分爆炸能量儲存在空氣層中，沖擊波峰值壓力降低，作用于炮孔的沖擊波壓力降低；隨著沖擊波向外傳播，空氣層中的沖擊波壓力逐漸釋放，延長了作用于炮孔的沖擊波作用時間。

3.2 現場試驗及效果分析

爆破振動主要受一次起爆最大段藥量及距離因素影響，為了準確度量空氣間隔裝藥結構降振效果，在新建破碎站附近進行為期5 d的爆破振動監測，收集有效數據13組，采用薩道夫斯基公式對監測數據進行回歸分析[19,21]，得出以ln(Q1/3/R)為橫坐標，lnV為縱坐標的回歸直線。

圖6 爆破振動回歸分析結果Fig.6 Regression analysis results of blasting vibration

回歸分析結果顯示：k=361.66，α=1.55，相關系數0.904 8；得出試驗礦山生產爆破振動在生產爆區100 m范圍內爆破振動衰減公式見式(7)。

(7)

式中：v為爆破振動合速度，cm/s；Q為最大段炸藥量，kg；R為爆心距，m。

通過對空氣間隔裝藥結構不同空氣層長度下降振率的計算，結合礦山現場爆破工藝參數，選取空氣層長度1.0 m和1.5 m兩種方案進行現場降振效果試驗[22]；在距離爆區不同位置處布置爆破振動監測儀器，爆破后將爆破振動實測值與式(7)所計算的爆破振動速度進行對比分析，比較不同空氣層長度下裝藥結構的降振效果。試驗現場裝藥流程及振動監測見如圖7和圖8所示，兩種方案爆破振動降振效果統計結果見表1和表2。

圖7 現場試驗裝藥圖Fig.7 Charging diagram of field test

圖8 爆破振動監測儀Fig.8 Blasting vibration monitor

由表1和表2可知，對比不同空氣層長度的現場試驗降振情況，空氣層長度為1.5 m時降振效果明顯優于1.0 m時的降振效果，空氣層長度為1.0 m和1.5 m時，爆破振動平均降振率分別為8.99%和17.84%。通過分析認為：由于空氣層長度的增加，炮孔裝藥段最小抵抗線由垂直于邊坡面方向改變為豎直方向，爆炸能量趨向于自由面方向運動；當空氣層長度為1.5 m時沖孔現象較為嚴重，影響了爆破破巖能力，因此在達到降振目標的前提下，優先選擇空氣層長度1.0 m的空氣間隔裝藥結構。

表1 空氣層長度1.0 m的爆破降振率統計表Table 1 Statistical table of blasting damping rate with air layer length is 1.0 m

表2 空氣層長度1.5 m的爆破降振率統計表Table 2 Statistical table of blasting damping rate with air layer length is 1.5 m

4 結 論

1) 通過現場混凝土模型試驗研究，得出生產爆破振動環境下，不同齡期的新澆筑混凝土試塊爆破前后回彈值隨爆破振動速度的增大呈“波浪式”上升走勢，且不同齡期均存在一個“加速破壞期”，其中當初凝期為3 d、7 d、14 d、28 d時，加速破壞期的爆破振動速度范圍分別為：1.34～1.57 cm/s、1.64～2.70 cm/s、2.40～3.50 cm/s、3.90～4.39 cm/s。

3) 根據理論爆破振動速度理論計算公式，結合試驗礦山生產爆破工藝參數，選取空氣層長度1.0 m、1.5 m，開展現場空氣間隔裝藥結構試驗，試驗結果顯示：空氣層長度1.0 m、1.5 m時爆破振動平均降振率分別為8.99%和17.84%，由此分析認為：由于空氣層長度的增加，炮孔裝藥段最小抵抗線由垂直于邊坡面方向改變為豎直方向，爆炸能量沿炮孔方向運動，提高了爆破降振作用，但同時加劇了沖孔現象。

4) 由于混凝土尺寸效應理論尚沒有形成一個公認的、完整的體系，為確定大體積混凝土受爆破擾動作用下的安全允許振動速度，在混凝土試塊模型試驗基礎上，還需進一步開展相同水灰比的混凝土尺寸效應試驗研究。