爆破振動綜合減震措施的減震效應研究*

鄒 烽，席 田，胡業紅，謝 文，何 夢，高鳳琴，諸 洲，張建經

(1.中核華辰建筑工程有限公司，陜西 西安 712000；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

作為爆破4大公害之一，爆破振動經常對施工場地附近建(構)筑物、邊坡等產生嚴重危害，如何有效控制爆破振動是爆破作業必須考慮的問題[1-2]。為有效控制爆破振動對建(構)筑物產生的不利影響，工程技術人員根據被保護對象的相對位置和實際情況，分別針對爆源、傳播過程和保護對象采取控制措施。其中，針對傳播過程的控制措施最為關鍵，涉及如布置減震孔、預裂爆破以及開挖減震溝等[3]。

減震孔、預裂縫和減震溝可視為爆源與建(構)筑物之間的隔震屏障，當爆破地震波遇到隔震屏障會發生波形轉換、透射、繞射、反射等現象，使地震波能量大幅衰減。周建敏等[4]通過現場爆破試驗和數值模擬方法研究緩沖孔對爆破振動速度峰值和主振頻率的影響，并采用小波包分析各頻帶能量分布的變化；孫崔源等[5]分別對單排和雙排減震孔的減震效果開展試驗研究和數值模擬，發現單排和雙排減震孔對K值的降低率分別為16.8%，25.8%；饒宇等[6]通過現場邊坡開挖爆破試驗研究預裂縫對主爆孔振動能量傳播及其頻譜特征的影響，發現預裂縫存在高頻濾波作用。王利軍等[7]研究發現減震溝的減震效果與其長度和深度有關，合理的減震溝深度應當等于炮孔或者更深；Bose等[8]分別建立二維和三維含減震溝場地有限元模型，研究減震溝幾何尺寸、填充材料類型、荷載條件等因素對減震溝隔振效果的影響；Jayawardana等[9]建立雙排減震溝有限元模型并對其隔振效果進行參數分析，研究表明可以采用深度較淺的雙排減震溝替代1個深度不切實際的單排減震溝。現有研究關于隔振措施僅適用于爆破區與保護對象間具有充足距離的情況，工程實際中往往會遇到因為爆破區距離保護對象較近而無法設置雙排或多排隔振措施的情況，目前還沒有找到減震良好、施工便捷、造價低廉的減震措施[10]。

對于深孔爆破而言，在巖石場地中開挖和炮孔深度相當或更深的減震溝比較困難，由于減震孔施工方便、造價低，綜合考慮減震溝的降震效果以及減震孔的施工便利性，本文提出將減震溝和減震孔相結合的綜合減震方法，為比較不同措施減震效果，通過ANSYS/LS-DYNA非線性動力分析軟件分別模擬無減震措施、減震孔措施、減震溝措施以及綜合減震措施4種減震工況條件下的爆破振動效應，從爆破振動速度、頻率以及應力云圖3個方面對不同減震措施的減震效果進行對比分析。

1 工程概況

該基坑爆破開挖工程位于某無人區，地勢總體平緩，局部有起伏，具體表現為西高東低。花崗閃長巖為廠址區內主要出露巖性，地表出露多為強風化和中等風化，平均厚度20.96 m。圖1為廠區內建筑物和擬爆破區分布圖，M-1～M-10為既有建筑物。基坑爆破開挖工程分為A，B，C3個區域，其中A爆破區域距離已建廠房僅5.2 m，需要在爆破區與建筑物之間設置減震措施以減小爆破振動影響。爆破參數選取及藥量計算為炮孔直徑90 mm，炮孔采用90°垂直孔，炮孔平均深度為7.5 m，垂直平行孔的密集系數為1.2，最小抵抗線為2.5，炮孔孔距為3.0 m，炮孔排距為2.5 m，填塞長度為2.7 m，根據經驗炸藥單耗為0.35 kg/m3，每個炮孔裝藥量按每孔爆破石方的體積計算，為19.6 kg。B爆破區已采用垂直高度上一次性大斷面爆破，利用中科測控TC-4850測振儀進行6次爆破振動現場監測。根據現場實測數據回歸得到薩道夫斯基公式中的系數K和衰減指數α[11-12]，水平徑向、水平切向和垂直向的爆破振動速度衰減公式見表1。爆破地震波的震源機制和波形特征不同于天然地震波，爆破地震波具有幅值大、衰減快、震動頻率高、主震段持續時間短等特點。

圖1 爆破區域分布示意

表1 爆破振動速度衰減公式

2 減震措施數值模擬

2.1 計算模型的建立

選用ANSYS/LS-DYLA軟件中的Solid164體單元建立數值計算模型。綜合考慮模型尺寸、單元數量以及計算機性能，以炮孔直徑為對稱軸，取模型長度方向的1/2進行分析計算，計算模型尺寸設置為12 m×6 m×6 m。數值計算模型中主要涉及巖石、炸藥和空氣3種材料，其中巖石采用Lagrange算法，炸藥和空氣采用ALE算法[13]。為更好地模擬應力波在巖體內的傳播過程，在模型上表面施加自由邊界條件，剖面施加對稱邊界條件，其余各面均施加無反射邊界條件。計算模型中炮孔直徑為90 mm，孔深6 m，堵塞段長度1 m。為更好地對不同減震措施進行對比分析，忽略減震溝以及減震孔所在位置影響，統一將其設置在與炮孔水平距離為3.5 m處。無減震措施、減震孔措施、減震溝措施以及綜合減震措施的計算模型如圖2所示。其中，圖2(b)中減震孔深6 m，直徑100 mm，孔間距0.3 m，排距0.3 m；圖2(c)中減震溝長3 m，寬1 m，深2 m；圖2(d)中減震孔布置在減震溝底部，減震溝長3 m，寬1 m，深2 m；圖2(d)減震孔深4 m，直徑100 mm，孔間距0.3 m，排距0.3 m。為更好地分析4種減震工況條件下的爆破振動效應，在距離炮孔中心5，6，7，8，9，10，11 m處沿模型長度方向標記7個點，從前往后分別記為A～G。

圖2 不同減震措施的數值分析模型

2.2 材料參數選取

本文數值模擬主要涉及巖石、炸藥和空氣3種材料，由于模擬是爆破過程，在ANSYS/LS-DYNA材料庫中進行選擇時，應考慮對應材料滿足大變形的特點。巖石材料模型選用ANSYS/LS-DYNA程序中的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，其具體參數見表2。炸藥材料模型用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型描述，并采用其對應的JWL狀態方程來模擬爆炸荷載，炸藥材料參數見表3[14]。空氣材料參數定義為*MAT_NULL材料模型，空氣材料參數見表4。

表2 巖石材料參數

表3 炸藥材料參數

表4 空氣材料參數

3 模擬結果分析

為驗證分析模型的正確性，將數值模擬計算得到的振動速度與現場監測振動速度衰減公式得到的結果進行對比，結果見表5，數值模擬計算值與現場監測回歸值較為接近，相對誤差為7.47%～10.64%，隨爆心距增加，相對誤差逐漸增大。

表5 爆破振動速度對比

3.1 時間歷程分析

為研究無減震措施、減震孔措施、減震溝措施以及綜合減震措施4種減震工況條件下的爆破振動速度變化規律和減震效果，分別提取距離炮孔5，6，7，8，9，10，11 m處水平徑向和垂直向的質點振動速度時程曲線以及各條曲線的峰值質點振動速度。限于篇幅，僅給出距離炮孔中心5，11 m處的水平和垂直向振動速度曲線如圖3所示。

圖3 4種減震工況條件下的水平向和垂直向振動速度時程曲線

由圖3(a)～(b)可知，在主振區(2 000～4 000 μs)范圍內，綜合減震措施、減震溝措施和減震孔措施的水平徑向質點振動速度均小于無減震措施，其中綜合減震措施的水平徑向質點振動速度相對最小，減震孔措施的水平徑向質點振動速度略小于無減震措施。減震孔措施的水平徑向質點振動速度曲線變化規律整體與無減震措施一致，而減震溝和綜合減震措施的水平徑向質點振動速度曲線在一定距離外與無減震措施存在顯著差異。由圖3(c)～(d)可知，在主振區范圍內，4種減震工況的垂直向質點振動速度和水平徑向質點振動速度具有相同的變化特征，即綜合減震措施的垂直向質點振動速度減小幅度相對最大，減震孔措施的垂直向質點振動速度減小幅度相對最小。

3.2 峰值振動速度分析

以減震率作為評價指標研究不同減震措施下的減震效果。減震率定義為無減震措施與減震孔、減震溝以及綜合減震措施的峰值質點振動速度差值與無減震措施在該測點處的峰值質點振動速度的比值，如式(1)所示：

(1)

式中：Ve為無減震措施的峰值質點振動速度；Vu為減震孔措施、減震溝措施或綜合減震措施的峰值質點振動速度。

4種減震工況條件下峰值振動速度和減震率的變化規律如圖4～5所示。由圖4可知，無減震措施、減震孔措施、減震溝措施以及綜合減震措施條件下的水平徑向質點振動速度均隨測點水平距離的增加而減小，當測點距離為11 m時，4種減震工況的質點振動速度相差較小；在測點距離為11 m處，4種減震工況的減震率均在0點附近，變化較小。減震溝措施條件下，該點的減震率為-2.04%，說明此處的水平徑向質點振動速度相較無減震措施略有增大。綜合減震措施對水平徑向質點振動速度的減震效果最佳，減震率最大達81.91%。

圖4 4種減震工況條件下的水平徑向峰值振動速度和減震率變化規律

由圖5可知，4種減震工況條件下的垂直向質點振動速度變化規律與水平徑向大致相同。對于垂直向質點振動速度，綜合減震措施仍具有相對最佳的減震效果，減震率最大達75.74%。當測點距離為10 m時，減震溝和綜合減震工況的減震率分別為-5.15%，-4.98%；當測點距離為11 m時，其減震率分別為-11.92%，-10.04%，說明減震溝的存在導致減震溝后一定距離處垂直向質點振動速度增大，存在減震溝分區效應。由于減震溝的存在阻隔了爆破地震波(面波和體波)傳播，在減震溝后一定范圍內(約5倍溝深)的質點振動速度顯著減小，減震效果明顯。爆破應力波遇裂隙或溝槽會產生繞射現象，在減震溝后一定距離處發生波場疊加，地震波能量被放大，從而產生振動速度增大現象。當設置減震溝對臨近建筑物進行保護時，應控制減震溝的位置使建筑物位于速度增大區以外。

圖5 4種減震工況條件下的垂直向峰值振動速度和減震率變化規律

3.3 振動頻率分析

為分析無減震措施、減震孔措施、減震溝措施以及綜合減震措施對爆破地震波傳播特性的影響，分別對5，6，7，8，9，10，11 m處的振動信號進行傅里葉變換，對爆破振動信號頻譜進行分析[15]。限于篇幅，圖6僅給出5，11 m處的水平徑向和垂直向爆破振動速度傅里葉譜。

由圖6(a)～(b)可知，在減震溝和綜合減震工況條件下，當測點距離減震溝較近時(5，6，7，8 m測點處)，水平徑向地震波中的高頻成分被過濾，低頻成分幅值顯著降低，振動主頻向右偏移。說明減震溝對一定范圍內的水平徑向爆破地震波存在高頻濾波和低頻升頻作用。但當測點距離為9 m時，4種工況的傅里葉譜較為接近，無高頻濾波作用，減震溝和綜合減震工況僅存在低頻升頻作用。當測點距離為11 m時，有減震措施和無減震措施的傅里葉譜已無明顯變化。由圖6(c)～(d)可知，當測點距離為5 m時，存在減震措施的垂直向地震波的高頻成分被過濾，低頻成分幅值降低，振動主頻向右偏移。減震溝和綜合減震工況相比于，減震孔工況對地震波頻譜成分的改變更加明顯，減震孔對爆破地震波的振動主頻基本無影響，僅存在高頻濾波作用。當測點距離為7，9，11 m時，有減震措施和無減震措施的傅里葉譜已無明顯變化。綜上，減震溝和綜合減震措施均有較好的減震效果，但綜合減震措施由于減震孔的存在，對爆破地震波高頻成分的濾波作用優于減震溝措施。

圖6 4種減震工況條件下的水平向和垂直向傅里葉譜對比圖

3.4 應力云圖對比分析

柱狀藥包起爆過程中，隨爆轟進行，其應力荷載從下往上依次作用于炮孔附近巖體，炸藥爆炸產生的應力波以柱面波的形式向平行于模型上表面(自由面)的方向傳播。t1，t2時刻分別表示炸藥藥包爆炸產生的應力波波陣面在通過各減震措施前后對應時刻。圖7～10分別為無減震措施、減震孔措施、減震溝措施和綜合減震措施4個工況的數值模型在t1時刻的應力云圖，圖11～14為各工況數值模型在t2時刻的應力云圖。

圖7 t1時刻無減震措施工況應力云圖

圖11 t2時刻無減震措施工況應力云圖

圖12 t2時刻減震孔措施工況應力云圖

由圖7～11中無減震措施工況的俯視圖可知，當應力波在均勻的巖石介質中傳播時，應力波波前為光滑的圓弧形。由圖8～12可知，當應力波到達減震孔位置處，其在減震孔孔壁發生繞射、反射和透射，減震孔干擾應力波的傳播，使應力波波前形狀不再是光滑的圓弧形。對比圖11～12可知，在同一時刻采用減震孔措施的應力云圖中，應力波波前的傳播速度明顯滯后于無減震措施。由圖9和圖13可知，減震溝的存在有效阻隔和干擾應力波的傳播。減震溝作為連續屏障，其反射系數較大，當應力波傳播至減震溝位置處，入射應力波的大部分能量轉化為反射應力波。

圖8 t1時刻減震孔措施工況應力云圖

圖9 t1時刻減震溝措施工況應力云圖

圖13 t2時刻減震溝措施工況應力云圖

圖10和圖14分別為t1、t2時刻綜合減震措施工況下的應力云圖，綜合減震措施作用下，其應力波能量衰減明顯加快。對于綜合減震工況，其上部減震溝使部分入射應力波的大部分能量轉化為反射應力波，其余部分的入射應力波則通過減震溝兩側和減震溝底部產生繞射現象，繼續向前傳播。然而，綜合減震工況下部的減震孔會繼續阻礙應力波的傳播，進一步削減應力波能量，從而保護隔震屏障后方建(構)筑物安全。綜上，綜合減震措施有良好的減震效果，并且其施工難度相較于開挖同樣深度的減震溝容易很多。

圖10 t1時刻綜合減震措施工況的應力云圖

圖14 t2時刻綜合減震措施工況的應力云圖

4 結論

1)通過對比4種減隔震措施發現，主振區范圍內綜合減震措施在水平徑向和垂直向上的減震率相對最大，分別達到81.91%，75.74%。減震溝的存在阻隔爆破地震波傳播，在減震溝措施和綜合減震措施作用下，減震溝后一定范圍內(約5倍溝深)的質點振動速度明顯減小，減震效果顯著。

2)減震溝對一定距離范圍內(約4倍溝深)的水平徑向爆破地震波存在高頻濾波和低頻升頻作用。當超過該范圍時，減震溝和綜合減震工況僅存在低頻升頻作用。減震溝和綜合減震措施減震效果較好，但綜合減震措施由于減震孔的存在，對爆破地震波高頻成分的濾波作用優于減震溝措施。

3)綜合減震工況下，其上部減震溝使部分入射應力波轉化為反射應力波，其余部分入射應力波通過減震溝兩側和減震溝底部產生繞射現象繼續向前傳播；綜合減震措施下部減震孔會繼續阻礙應力波傳播，進一步削減應力波能量，從而達到保護隔震屏障后方建(構)筑物安全的目的。