消息：露天礦山爆破對混凝土工程的振動影響監測分析
葛雙成1,2，劉全忠3，章曉樺1,2，洪衛良4，劉超英1,2
(1．浙江省水利河口研究院,杭州310020；2．浙江省水利防災減災重點實驗室，杭州310020；3．杭州市建築設計研究院有限公司，杭州310001；4．浙江省工程爆破協會，杭州310004)
摘 要：露天采礦爆破地震效應，直接關係到水工建築物混凝土施工質量和結構安全。在浙江東部沿海某圍墾工程中，通過實測振動速度結合混凝土澆注齡期評價了爆破振動對水閘工程的影響，並采用回歸分析計算場地係數和衰減指數，進而預測了質點振動安全允許速度對應的炸藥量。爆破振動監測與分析表明，爆破振動效應研究及炸藥量預測對水工建築物的質量安全評價具有重要意義。
關鍵詞：礦山爆破；混凝土工程；水閘；振動監測；安全評價
1 引 言
爆破工程中炸藥產生的部分能量轉化為地震波通過岩土介質傳播並引起介質體振動，從而在一定範圍內影響地麵和地下建(構)築物的結構穩定性和安全。早在20世紀20年代，美國學者Kwell(1927)就開始研究爆破振動對結構物的影響；隨後英國、美國、前蘇聯以及瑞典等國家相繼就爆破地震波的衰減規律、爆破振動強度影響因素及爆破振動的破壞準則等方麵展開研究，並製定了一係列不同建築物的破壞標準。20世紀50年代，中國科學院地球物理研究所謝毓壽等人[1](1962)在不同岩石和地質條件下進行爆破觀測試驗，提出了質點振動速度傳播規律的經驗公式，以及不同建築物的破壞標準。隨後，中科院力學所、鐵道科學院、水利水電科學院以及中國礦業大學等單位相繼結合有關科技計劃項目及爆破工程實踐，就爆破地震波的傳播規律和作用機理進行了一係列理論分析、計算和試驗研究工作[2-7]。近年來，國內外學者加強了爆破地震波模擬和譜分析研究工作，並就露天采礦等地麵爆破開展了大量的地震波衰減規律以及爆破振動控製技術研究，解決了一些實際工程問題。水利水電工程實踐與研究表明[8-10]，爆破振動會對已澆築混凝土的質量產生不利影響，需嚴格控製爆破振動速度等指標。現行國標《爆破安全規程》(GB6722—2003)和水利行業標準《水工建築物岩石基礎開挖工程施工技術規範》(SL47—94)中有關爆破振動安全允許速度等方麵的規定，對保障水工建築物混凝土施工質量和結構安全具有重要意義。
2 現場測試方法
浙江東部沿海某圍墾工程擬建一座混凝土結構水閘，而其附近的采石場正在實施爆破開挖，最近的爆破點距水閘僅50m左右。為了解該料場爆破對水閘工程的地震效應，開展了爆破振動監測工作。
本工程監測選擇質點垂向振速為監測和分析的主要物理量，而水平向振動速度作為輔助物理量。采用DH5922多功能動態信號測試分析係統和941B型拾振器，儀器測試通道8個，采樣速率每通道10、20、50、100、200、500、1k、2k、5k、10k、20k、50k、100kHz，失真度不大於0.5％，模數轉換器分辨率16位，最大分析頻寬DC～50kHz，抗混濾波器係每通道獨立的模擬濾波+DSP數字濾波。
監測點設置於水閘工程的混凝土底板上，其地基為開挖後的弱風化中硬凝灰岩。為了解振動強度隨距離的衰減規律和預測安全距離，所有測點均由北至南放置在一條測線上，其間距按近爆破區小、遠爆破區大的原則掌握。
3 實測結果
表1所示僅為3次監測中最靠近爆破區測點的實測結果，圖1、2所示分別為上部結構混凝土澆注後50天各測點振動速度衰減圖，及其主振頻率分布圖。
通過3次監測所得所有測點的有效振動波形圖的時域和頻譜分析，峰值振動速度範圍為2.02～13.3cm／s，主振頻率約6.54～21.29Hz。具體分析表明：
(1)隨著測點與爆心距離的增大，質點峰值振動速度減小，且隨著測點與爆心距離的逐步增大，質點峰值振動速度減小的速率逐步降低。這說明在同段最大藥量相同時，質點峰值振動速度有隨距離呈指數衰減的趨勢。
(2)不論測點與爆破中心距離如何，同炮次測點的質點振動主頻率變化均不大。上部結構混凝土澆注後50天爆破監測所得頻率值相對較大，是因其炸藥埋置深度較小，符合淺孔爆破振動頻率高、深孔爆破振動頻率低的基本規律。
(3)在同一炮次中，盡管測點與爆心距離相差較大，但振動持續時間卻相差不大；在不同炮次中，振動持續時間相差較大。因此，測點處的爆破振動持續時間跟測點與爆心距離無關或關係不大，而與爆破參數(如：單段最大炸藥量)及測點處的地質條件有關。
4 振動安全分析評價
依據國標《爆破安全規程》(GB6722—2003)和水利行業標準《水工建築物岩石基礎開挖工程施工技術規範》(SL47-94)(第3．7．1條及附錄C)，新澆築大體積混凝土基礎麵上的安全質點振動速度如下所示：
混凝土齡期／d O～3 3～7 7～28
安全振動速度／(cm·s-1) 1.5～2.0 2.0～5.0 5.O～7.O
對3次監測的實測數據(表1)結合混凝土澆注齡期進行分析評價表明，均超出安全允許速度，對水閘工程澆注混凝土存在不利影響(見表2)。
因此，後續爆破施工過程中應采取控製炸藥量，並采取必要的減振措施(如減振溝等)，以便降低振動速度。
5 安全炸藥量預測
爆破地震波在岩土介質中的傳播過程非常複雜，受到很多時間和空間上的因素影響。據《爆破安全規程》中的爆破振動安全允許距離公式計算質點振動速度：
(1)
式中：v為質點振動安全允許速度，cm／s；Q為同段最大藥量，kg；R為安全允許距離，m；K、α為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的場地係數和衰減指數； 
為比例藥量。
在本爆破工程中，通過3次監測數據的回歸分析，計算得到場地係數K=95.3，衰減指數α=1.32。即質點振動安全允許速度的計算公式為：
(2)
依據公式(2)、本工程實際情況及各次爆破監測情況，設爆破點與水閘的最短距離50m作為爆破預測的測點與爆破中心距離，計算水閘混凝土結構安全允許振速對應的炸藥量。對照《爆破安全規程》爆破振動安全允許標準表和《水工建築物岩石基礎開挖工程施工技術規範》新澆築大體積混凝土基礎麵上的安全質點振動速度，後者規定的質點振動速度安全允許值更小，為v=7.Ocm／s(當混凝土超過28天齡期時，采用28天齡期對應的爆破振動安全允許速度)，則預測單段最大炸藥量Q約為330.8kg，即當單段最大藥量不大於330.8kg時，方能同時滿足國標和水利行標規定的安全允許振速要求。
6 結 語
某圍墾工程擬建混凝土結構水閘附近的采石場爆破振動監測中，通過實測得到的各測點峰值振動速度和主振頻率及其變化規律，依據國標和水利行標結合混凝土澆注齡期評價了爆破振動對水閘工程的影響。通過多次監測數據回歸分析計算場地係數和衰減指數，得到了本工程的質點振動安全允許速度計算公式。預測了混凝土結構水閘工程安全允許速度所對應的炸藥量，建議據此控製炸藥量並采取必要的減振措施。該實例表明，振動監測對爆破工程的振動效應評價及安全炸藥量預測，具有實際的指導意義。
必須指出，爆破地震效應的研究及其工程應用是一個很複雜的課題，實際工程的地震效應評價應綜合考慮爆破振動速度、頻率和持續時間等因素。鑒於場地係數和衰減指數與爆破點至評價保護工程對象間的地形、地質條件的複雜關係，用於回歸計算的監測數據越多越好。在工程實踐中經常出現振動速度超過安全允許速度而建(構)築物未見明顯損傷，或小幅度振動源的長期、頻繁作用未受重視而危害建(構)築物，導致工程糾紛的情況。因此，應結合工程實際和爆破參數，合理設置監測係統，充分利用先進的信號處理方法，對實際工程條件下的爆破振動效應和影響因素進行分析研究。此外，在工程運行過程中應注重結構現狀的跟蹤調查，必要時采用聲波儀、回彈儀等進行檢測，在保障工程安全運行的同時，還可以通過數據積累與分析，為確定工程安全控製標準及其可靠性提供科學依據。
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摘自《工程爆破》總第60期
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