李是良,邱進(jìn)芬,李必紅,吳克剛,任才清

(國(guó)防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410073)

中深孔爆破震動(dòng)效應(yīng)對(duì)鄰近建筑物的影響與安全控制

李是良,邱進(jìn)芬,李必紅,吳克剛,任才清

(國(guó)防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410073)

以冷水江市一土石方爆破工程為例,介紹了施工過(guò)程中預(yù)防和控制爆破地震的技術(shù)措施,通過(guò)計(jì)算控制與監(jiān)測(cè)校正,動(dòng)態(tài)調(diào)整裝藥參數(shù),嚴(yán)格控制單孔藥量,并采取微差爆破、開(kāi)挖減震孔及優(yōu)選最小抵抗線方向等措施,有效降低了爆破震動(dòng)效應(yīng)的危害,確保了周?chē)ㄖ叭藛T的安全,使石方工程提前順利完工。

中深孔爆破;爆破地震效應(yīng);微差爆破;減震孔;安全控制

0 引 言

爆破技術(shù)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的一項(xiàng)重要工程技術(shù),發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。它能夠大大加快土木工程建設(shè)的速度、節(jié)省施工成本,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。但由于爆破施工環(huán)境 (地質(zhì)和周?chē)用?的復(fù)雜性及理論的不成熟性,爆破引起的路塹邊坡失穩(wěn)、滑坡、建筑結(jié)構(gòu)受損等災(zāi)害性事故時(shí)有發(fā)生。特別是爆破地震效應(yīng)對(duì)周?chē)ㄖ镌斐傻钠茐默F(xiàn)象,因其普遍性、難控制性易引起民事糾紛,受到社會(huì)和政府的普遍關(guān)注[1,2]。

爆破地震效應(yīng)是由炸藥的一小部分能量轉(zhuǎn)換為地震波引起的。爆破震動(dòng)具有震動(dòng)幅值大、頻率高、衰減快和持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn),其強(qiáng)度和破壞效應(yīng)隨著爆心距的增加而減弱。爆破震動(dòng)的發(fā)生與傳播雖然時(shí)間很短,但如果控制措施不當(dāng),仍會(huì)使爆破區(qū)附近的建 (構(gòu))筑物產(chǎn)生顛簸、搖晃、開(kāi)裂、倒塌等破壞效應(yīng)[3,4]。因此,必須加強(qiáng)對(duì)爆破地震效應(yīng)的檢測(cè)和控制,盡量減小爆破震動(dòng)的危害,確保爆破區(qū)周?chē)嗣袢罕姷纳?cái)產(chǎn)安全。本文以某爆破工程為案例,介紹其爆破施工方案的防震與減震措施。

1 工程概況

冷水江市城東生態(tài)移民安置一期土石方爆破工程,位于冷水江市生態(tài)園區(qū)道路工程站前西路一標(biāo)段桃樹(shù)山。施工區(qū)域周?chē)ㄖ锊季秩鐖D1所示。施工區(qū)域臨近師范學(xué)校教學(xué)樓、大建煤礦家屬住宅樓和城市街道,最近距離不足 10 m,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,地形落差大,場(chǎng)地極不平整,爆破巖體巖性主要為煤層頁(yè)巖,硬度較大,抗壓強(qiáng)度大約 60 MPa,屬于次堅(jiān)石。附近居民對(duì)爆破振動(dòng)、爆破飛石及炮煙等爆破危害的反映強(qiáng)烈,一度嚴(yán)重阻礙施工的正常進(jìn)行。

圖1 施工區(qū)域周?chē)ㄖ锊季?/p>

2 爆破施工防震與減震措施

2.1 嚴(yán)格控制單孔藥量

研究表明,爆破震動(dòng)強(qiáng)度與炸藥量密切相關(guān)[5]。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003),確定周?chē)ㄖ试S的爆破地震安全峰值為 2～3.0 cm/s,并結(jié)合內(nèi)部裝藥、松動(dòng)微差控制爆破的特點(diǎn),由薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式得到離爆源不同距離 R處起爆的最大藥量為:

式中:vmax——最大爆破振動(dòng)速度;

Qmax——最大單段起爆裝藥量;

R——爆點(diǎn)中心至被保護(hù)目標(biāo)的距離;

a——地震波衰減指數(shù);

K——爆破方式、距離、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)。

K、a值按表1選取[6]。

表1 不同類(lèi)型巖石的 K、a值

根據(jù)計(jì)算、測(cè)振與試爆結(jié)果,校正 K值和 a值,得出動(dòng)態(tài)變化單孔裝藥量、分區(qū)域嚴(yán)格控制藥量等結(jié)論。在距離居民樓或師范教學(xué)樓 30 m范圍內(nèi),單孔藥量嚴(yán)格控制在 5 kg以下;30～50 m范圍內(nèi),單孔藥量控制在 12～16 kg;50 m范圍以外,單孔藥量控制在 30 kg以下。

在實(shí)際施工過(guò)程中,要合理確定鉆孔深度、靈活布置孔網(wǎng)參數(shù),在距離居民樓或師范教學(xué)樓 50 m范圍內(nèi),降低臺(tái)階爆破高度 (即控制孔深),同時(shí)調(diào)整孔距 (a)和排距(b),使單孔藥量嚴(yán)格控制在允許的范圍內(nèi)。

2.2 采用微差爆破技術(shù)

國(guó)內(nèi)爆破行業(yè)采用微差起爆技術(shù)降震已有多年歷史,積累了許多成功經(jīng)驗(yàn),如大區(qū)微差爆破技術(shù)、等間隔微差爆破技術(shù)、孔內(nèi)微差爆破技術(shù)等[7]。試驗(yàn)結(jié)果表明,在總裝藥量及其他條件相同的情況下,微差爆破比齊發(fā)爆破的振動(dòng)速度可降低 40%～60%[8]。

微差爆破時(shí)間間隔應(yīng)使各段別爆破地震波主震相不疊加,且時(shí)間間隔越大,減震效果越好。微差間隔時(shí)間可按式 (2)計(jì)算:

式中:△t——微差間隔時(shí)間,ms;

W1——臺(tái)階底盤(pán)抵抗線,m;

Kp——巖石裂隙系數(shù),裂隙少的巖石,Kp=0.5;

f——巖石堅(jiān)固性系數(shù)。

本工程中,綜合考慮爆破區(qū)巖石地質(zhì)類(lèi)型及周?chē)用窠ㄖY(jié)構(gòu)特點(diǎn),認(rèn)為最佳微差爆破時(shí)間間隔最好大于 100 ms[9]。

本項(xiàng)目施工過(guò)程中,為滿(mǎn)足地震波既不疊加又可一次多爆破方量,還要確保爆破網(wǎng)絡(luò)絕對(duì)安全的要求,設(shè)計(jì)采用Ms-5段 (110 ms)導(dǎo)爆管雷管和 Hs-8段 (3500 ms)導(dǎo)爆管雷管微差爆破,單次可爆破超過(guò) 2000 m3的石方。

2.3 預(yù)先開(kāi)設(shè)減震孔

截?cái)嗟卣鸩ǖ膫鞑ヂ窂揭部梢詫?shí)現(xiàn)有效減震,通常在爆破源和被保護(hù)建筑物之間開(kāi)挖一條一定深度和寬度的塹溝,其深度要超過(guò)被保護(hù)建筑物地基的深度。在爆源和被保護(hù)建筑物之間產(chǎn)生孔隙面,可作為阻擋爆破地震波的一道屏障,當(dāng)?shù)卣鸩ǖ膫鞑サ竭_(dá)此界面時(shí),將發(fā)生反射,從而降低爆破震動(dòng)的強(qiáng)度[10]。

由于本工程地質(zhì)巖石屬于硬度較大的煤層頁(yè)巖,因此挖機(jī)機(jī)械開(kāi)挖困難;且因?yàn)榫嚯x居民樓較近,預(yù)裂爆破時(shí)幾十個(gè)炮孔同響所帶來(lái)的震動(dòng)效應(yīng)較大,對(duì)建筑物有一定危害,因此,實(shí)際施工過(guò)程中采取鉆減震孔的方案,如圖2所示。在距離居民樓外圍墻 10 m處垂直地面鉆一排減震孔,孔徑 130 mm,孔深 10 m(低于居民樓地基),孔距 30 cm,成直線排列。師范教學(xué)樓與爆破施工區(qū)之間原有一條寬約 7 m、深至地基的開(kāi)挖溝,可利用其作為減震溝。

圖2 減震孔布局

2.4 優(yōu)選最小抵抗線方向

根據(jù)最小抵抗線原理,在最小抵抗線平行方向上,介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到的約束最小,巖石中容易生成裂縫,壓縮應(yīng)力波能夠最先到達(dá)并且發(fā)生反射,使巖石介質(zhì)裂縫增多,最終破裂成碎塊;爆炸氣體易于沖進(jìn)最小抵抗線方向的巖石裂縫并最終推動(dòng)碎石塊沿著最小抵抗線方向拋出。因此,在最小抵抗線方向上,炸藥爆炸剩余的能量大部分形成空氣沖擊波,少量轉(zhuǎn)化為地震波,地震強(qiáng)度最弱;最小抵抗線相反方向爆破震動(dòng)強(qiáng)度最大,兩側(cè)居中[11]。

本工程施工過(guò)程中,從減震和控制飛石危害綜合考慮,使被保護(hù)建筑物位于最小抵抗線的兩側(cè)位置上,如圖3所示。在靠近居民樓一側(cè),串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)炮孔一般分 2排,按炮孔編號(hào)從小到大的順序依次起爆。前后 2排炮孔的最小抵抗線方向均朝向馬路,這樣就使居民樓處于最小抵抗線方向的兩側(cè),盡量減小居民樓處的爆破震動(dòng)強(qiáng)度。

圖3 炮孔分布

3 結(jié)果與討論

采用上述減震措施后,爆破地震效應(yīng)帶來(lái)的危害明顯降低,實(shí)測(cè)震動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。其中測(cè)點(diǎn) 1和測(cè)點(diǎn) 2是用來(lái)測(cè)試同一次爆破的振動(dòng)數(shù)據(jù),爆源位于靠近師范教學(xué)樓 30 m處,兩測(cè)點(diǎn)分別位于師范教學(xué)樓和居民樓地基處,如圖1所示;測(cè)點(diǎn) 3、4、5、6的位置如圖3所示,測(cè)試同一次爆破的振動(dòng)數(shù)據(jù),測(cè)點(diǎn)3、4分別位于減震孔兩側(cè)距爆源相同距離處,兩點(diǎn)連線與減震孔連線基本垂直;測(cè)點(diǎn) 5與測(cè)點(diǎn) 6的布局類(lèi)似于測(cè)點(diǎn) 3和測(cè)點(diǎn) 4的布局。

表2中數(shù)據(jù)顯示,1、2兩測(cè)點(diǎn)處的垂直振動(dòng)速度都小于 1.5 cm/s,水平振動(dòng)速度均小于 0.2 cm/s,且都隨著距爆源距離的增大而減小。結(jié)果表明,通過(guò)采取綜合減震措施,爆破震動(dòng)效應(yīng)明顯減弱。

表2 爆破震動(dòng)測(cè)量結(jié)果

測(cè)點(diǎn) 3、4、5、6處的數(shù)據(jù)顯示,垂直振動(dòng)速度都小于 1.5 cm/s,水平振動(dòng)速度都小于 0.12 cm/s,且減震孔一側(cè)垂直方向的振動(dòng)速度峰值比沒(méi)有減震孔一側(cè)的約降低 15%左右,說(shuō)明減震孔具有一定的減震效果。

通過(guò)計(jì)算控制、監(jiān)測(cè)校正、動(dòng)態(tài)調(diào)整裝藥參數(shù)、打減震孔、微差爆破等措施,有效降低了爆破震動(dòng)效應(yīng)對(duì)周?chē)用駱?、師范教學(xué)樓及人員造成的危害,為化解阻工矛盾做出了重要貢獻(xiàn),使 11萬(wàn) m3石方工程提前完成施工任務(wù)。

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2011-07-06)

李是良 (1979-),男,博士,講師,主要從事新型火炸藥研究和爆破工程的設(shè)計(jì)與施工,Email:slnudt2003@yahoo.com.cn。