閆鴻浩， 渾長宏， 李曉杰， 趙鐵軍

(大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024)

復(fù)雜爆破作業(yè)環(huán)境下的加速度功率譜密度分析

閆鴻浩， 渾長宏， 李曉杰， 趙鐵軍

(大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024)

為了分析爆破振動對精密儀器的影響，以Intel集團(tuán)場平爆破振動為案例，結(jié)合Intel公司提供的加速度功率譜密度要求標(biāo)準(zhǔn)和大連地區(qū)的爆破振動規(guī)律，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案。對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，原定控制點(diǎn)位置，無論深、淺孔爆破，在設(shè)計(jì)起爆網(wǎng)絡(luò)下，振動速度均不大于0.02 cm/s，且加速度譜密度值均小于給定標(biāo)準(zhǔn)。這種加速度譜密度的控制方法不僅能降低爆破施工的經(jīng)濟(jì)成本，同時也為復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下爆破振動的安全評價提供可靠依據(jù)。

加速度；功率譜密度；復(fù)雜環(huán)境；爆破振動；精密設(shè)備

隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，爆破技術(shù)越來越多的應(yīng)用于水利水電、礦山、交通、隧道和城建等工程領(lǐng)域。大規(guī)模頻繁的爆破作業(yè)帶來了一系列嚴(yán)重的問題，爆破振動危害一直是爆破安全技術(shù)的重大研究課題。目前關(guān)于爆破振動衰減規(guī)律的研究仍然是以質(zhì)點(diǎn)振動速度峰值為主，各位學(xué)者也提出了很多方法對速度峰值進(jìn)行了預(yù)測[1]，但是面對爆破測量技術(shù)研究的不斷深入，以單一質(zhì)點(diǎn)振動速度作為判斷爆破振動強(qiáng)度的唯一指標(biāo)出現(xiàn)很多不妥之處。最新出版的《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)在加速度控制方面做出了界定：核電站及受地震慣性力控制的精密儀器、儀表等特殊保護(hù)對象，應(yīng)采用爆破振動加速度作為安全判據(jù)，安全允許質(zhì)點(diǎn)加速度由相關(guān)運(yùn)營單位和儀器、儀表說明書給出。國外對振動的評判也發(fā)展到不只考慮單一的爆破參數(shù)。美國礦務(wù)局、德國和芬蘭以振動速度和頻率作為爆破振動強(qiáng)度的判據(jù)，瑞典綜合考慮了振動速度、頻率、位移和加速度等多項(xiàng)指標(biāo)[2]。

但爆破地震波的傳播和引發(fā)的地面運(yùn)動是一個復(fù)雜的力學(xué)過程，它會同時受到炸藥性能、藥量大小、爆源位置、裝藥結(jié)構(gòu)、堵塞條件、起爆方式及爆破的地質(zhì)地形條件等因素的影響[3]。與爆破振動質(zhì)點(diǎn)振動速度、加速度、頻率等方面的大量研究成果相比，國內(nèi)外關(guān)于爆破振動加速度功率譜密度規(guī)律和影響因素方面的研究成果要少得多[4-16]。

李洪濤等[17-20]基于功率譜的爆破地震能量分析法，借助大量工程實(shí)測數(shù)據(jù)，針對爆源形式對爆破地震能量分布特征的影響進(jìn)行了分析。該方法與小波變換能量分析方法原理是一致的，基于功率譜的能量分析方法直接利用頻譜分析完成從時域到頻域的轉(zhuǎn)化，因此分析過程簡便，物理意義明確，更容易理解和掌握。李國保等[21]運(yùn)用功率譜的爆破地震能量分析方法，對隧洞掘進(jìn)爆破的洞內(nèi)和洞口鄰近區(qū)域振動能量分布特征進(jìn)行研究。根據(jù)各頻帶能量比例關(guān)系，制定了相應(yīng)的安全控制標(biāo)準(zhǔn)。陳友紅等[22]對爆破振動信號的不同周期形態(tài)進(jìn)行頻譜理論分析，求得爆破振動參量各個頻率成分的幅值分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。李德林等[23]論述了爆破地震對建筑物的影響因素，對這些反應(yīng)譜曲線進(jìn)行了分析和比較，得出建筑物整個結(jié)構(gòu)的運(yùn)動峰值在11 Hz左右，功率譜密度大約是地面的38倍。舒西剛等[24]結(jié)合歌樂山石灰石礦爆破實(shí)際，得出微差爆破有降震效果，在修筑建筑物或結(jié)構(gòu)物時應(yīng)盡量使其固有頻率避開這一頻段。

HAO[25]在節(jié)理巖石場地進(jìn)行現(xiàn)場爆破試驗(yàn)。對平行、垂直和45°的巖石表面地面加速度進(jìn)行了測量和加速度譜密度分析。發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波垂直于巖石節(jié)理方向衰減快，平行于巖石節(jié)理方向衰減慢。DOWDING[26]通過對表面采礦爆炸振動的功率譜密度和傳遞函數(shù)分析，得出了框架結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)的固有頻率和變化規(guī)律，這些結(jié)果可以直接應(yīng)用于受地振動采礦活動結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究中。HACIEFENDIOLU等[27]運(yùn)用功率譜密度函數(shù)，確定了一個對砌體橋梁的響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差的陰影圖像計(jì)數(shù)器，分析了爆炸引起的地面運(yùn)動下的歷史磚石橋的隨機(jī)動態(tài)響應(yīng)。DATTA等[28]將地震考慮成一種部分相關(guān)的平穩(wěn)隨機(jī)過程特征的功率譜密度函數(shù)，分析了海底埋地管線的地震反應(yīng)。

李洪濤只是對不同頻率能量分布進(jìn)行分析，并沒對出實(shí)際工程操作提出一些建議，李國寶和舒西剛并沒有提出如何對工程中功率譜密度進(jìn)行控制，陳友紅和李德林分析只是有一定指導(dǎo)意義，也是沒有運(yùn)用到實(shí)際。國外學(xué)者多數(shù)是運(yùn)用譜密度函數(shù)模擬爆破信號，進(jìn)行理論分析。眾位學(xué)者分析中，多注意評判，很少具體指標(biāo)控制建議，且均未考慮成本控制這一影響工程應(yīng)用的重要因素。

本文基于大連Intel二期場平爆破工程實(shí)踐，從保護(hù)光刻機(jī)這一核心設(shè)備出發(fā)，從國內(nèi)外參考文獻(xiàn)看，首次分析了爆破振動加速度功率譜密度控制的應(yīng)用問題。

1 工程概況

大連Intel公司位于大連市金州新區(qū)出口加工區(qū)內(nèi)，隨著二期工程建設(shè)，需要在廠房北側(cè)進(jìn)行場平施工爆破作業(yè)，廠房內(nèi)LNG 管線、冷凍水泵、中溫水一次泵、中溫水二次泵、變電所、空壓機(jī)連軸器、光刻機(jī)等設(shè)備都需要進(jìn)行保護(hù)，尤其是光刻機(jī)，必須要考慮爆破振動帶來的影響，否則會因?yàn)楣饪虣C(jī)停機(jī)造成經(jīng)濟(jì)損失和一定的社會影響，因此在實(shí)驗(yàn)前必須慎之又慎。

圖1 功率譜密度控制紅線Fig.1 Control red line of power spectral density

在爆破試驗(yàn)前，美方單方面提出了光刻機(jī)平臺加速度譜密度控制紅線：振動頻率1～4Hz區(qū)間，PSD(加速度功率譜密度)為1.0×10-7(m/s2)2/Hz，大于20 Hz，PSD為1.0×10-5(m/s2)2/Hz如圖1，可以看出低頻部分要求標(biāo)準(zhǔn)較高，高頻部分要求標(biāo)準(zhǔn)較低，相應(yīng)的解決方法就是盡量提高爆破的頻率。采用深淺孔結(jié)合的方案，并在試驗(yàn)時將光刻機(jī)設(shè)備停機(jī)，但其安全預(yù)警設(shè)備要處于工作狀態(tài)。

1.1 爆破參數(shù)

爆破振動對于精密儀器低頻部分(0～4 Hz)需要控制的標(biāo)準(zhǔn)要比高頻部分(20～100 Hz)更為嚴(yán)格，所以應(yīng)盡量調(diào)整提高爆破振動的主頻率。淺孔爆破相對于深孔爆破，最大的特征是可提高爆破振動主頻率，因此選擇近處淺孔爆破，遠(yuǎn)處深孔爆破對于控制成本和保護(hù)設(shè)備安全都是比較合理的。

設(shè)計(jì)淺孔爆破臺階高2.5 m，布孔不超過1 000個，區(qū)域?qū)? m，長166 m，深度2.5～2.8 m，并且東西方向窄、南北方向?qū)?，起爆順序?jiān)持從南向北方向，炸藥不超過1 t，具體參數(shù)如表1；深孔爆破區(qū)域，臺階高不大于6 m，炸藥不超過10 t，區(qū)域?qū)?4 m，長200 m，深度6 m，參數(shù)如表2。

深孔爆破裝藥采用兩層裝藥結(jié)構(gòu)和三層裝藥結(jié)構(gòu)，淺孔爆破裝藥結(jié)構(gòu)與深孔爆破也大致相同，只是孔內(nèi)只裝一個起爆體，起爆體內(nèi)只裝一發(fā)雷管。圖1和圖2分別為淺孔爆破、深孔爆破的起爆網(wǎng)路圖。

1.2 數(shù)據(jù)采集

采集數(shù)據(jù)為爆破振動速度實(shí)測結(jié)果，淺孔與深孔爆破時，在被保護(hù)物方向上不等間隔布置20個測點(diǎn)，如圖3、4。

表1 深孔臺階爆破參數(shù)表

表2 淺孔爆破孔網(wǎng)參數(shù)和裝藥量表

圖2 淺孔爆破多族起爆網(wǎng)路圖Fig.2 Multi family initiation network graph in shallow hole blasting

圖3 深孔爆破分層裝藥起爆網(wǎng)路圖Fig.3 Hierarchical charge initiation network diagram in deep hole blasting

圖4 深孔爆破監(jiān)測布點(diǎn)圖Fig.4 Monitoring charts in deep hole blasting

圖5 淺孔爆破監(jiān)測布點(diǎn)圖Fig.5 Monitoring charts in shallow hole blasting

由于實(shí)驗(yàn)振動較小，部分儀器未測到數(shù)據(jù)，深孔爆破未測到數(shù)據(jù)的測點(diǎn)有：測點(diǎn)1、2、3、4、5、6、9；淺孔爆破：測點(diǎn)2、3、10(10號測點(diǎn)為儀器故障)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

功率譜密度是一個非負(fù)實(shí)數(shù)，它直接反應(yīng)了在頻域中不同頻率所對應(yīng)的值。加速度函數(shù)a(t)在有限時間長度T傅里葉變換可寫為：

(1)

式中:k=2πf是波數(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行離散數(shù)字處理，采樣長度T=NΔt，Δt是采樣間隔等于0.000 5 s。以此作為離散信號的采樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行離散傅里葉變換

(2)

波數(shù)k則離散為2πfm，fm=m/(NΔt)是空間頻率。式(2)中系數(shù)Δt可以保證PSD計(jì)算中得到正確的量綱和單位。

根據(jù)PSD定義表達(dá)式：

結(jié)合式(1),(2)，則PSD具體表達(dá)式：(單位是(m/s2)2/Hz)

對于測得數(shù)據(jù)通過微分方式求解加速度，再求解加速度功率譜密度，對于不同頻率段對應(yīng)的功率譜密度，給出光刻機(jī)能承受的紅線指標(biāo)，依據(jù)加速度功率譜密度控制粗黑線，反饋到確定爆破振動速度控制指標(biāo)，在分析過程中，因?yàn)楹霞铀俣裙β首V密度沒有意義，因此選擇每個測點(diǎn)的振動速度最大方向進(jìn)行研究。

2.1 功率譜密度分析

對于深孔爆破，功率譜密度直到8號測點(diǎn)處才處于控制線以下，對應(yīng)的分向速度為0.024 cm/s，可以看出速度值比爆破安全規(guī)程中規(guī)定的“一般古建筑與古跡”還要嚴(yán)格。為考察三維方向的加速度功率譜密度，選擇第20號測點(diǎn)進(jìn)行分析。將儀器測試的爆破振動速度圖譜通過微分方法轉(zhuǎn)化到加速度圖譜，在轉(zhuǎn)化之前，先將各自的振動速度峰值縮比調(diào)整到不大于0.02 cm/s，該指標(biāo)基本處于爆破振動速度響應(yīng)臨界速度，同時確保了振動波形相似，只是頻率分布保持不變。

圖6 X向加速度功率譜密度圖譜Fig.6 X direction acceleration power spectral density map

圖7 Y向加速度功率譜密度圖譜Fig.7 Y direction acceleration power spectral density map

圖8 Z向加速度功率譜密度圖譜Fig.8 Z direction acceleration power spectral density map

選擇廠房邊緣進(jìn)行控制，通過上述深孔爆破分析可以看出，不改變當(dāng)前工況下，廠房邊緣處爆破振動速度控制在0.02 cm/s比較合適。

對于深孔爆破，功率譜密度直到20號測點(diǎn)處才處于控制線以下，對應(yīng)的分向速度為0.020 5 cm/s，與深孔爆破類似，考察三維方向的加速度功率譜密度，選擇第14號測點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖9 X向加速度功率譜密度圖譜Fig.9 X direction acceleration power spectral density map

圖11 Z向加速度功率譜密度圖譜Fig.11 Z direction acceleration power spectral density map

選擇廠房邊緣進(jìn)行控制，通過上述淺孔爆破分析可以看出，不改變當(dāng)前工況下，廠房邊緣處爆破振動速度控制在0.02 cm/s比較合適。

2.2 爆破類型區(qū)域劃分

依據(jù)《爆破工程消耗定額》(GYD-102—2008)，城鎮(zhèn)及復(fù)雜環(huán)境石方爆破工程，對復(fù)雜環(huán)境應(yīng)分類區(qū)別，露天石方爆破復(fù)雜環(huán)境分為A、B、C 三類，該工程采用深孔、淺孔爆破相結(jié)合的方法，兩大類型區(qū)域的劃分應(yīng)滿足既能保證精密儀器安全，又可以在局部實(shí)施深孔爆破降低工程造價。

淺孔爆破按照B級復(fù)雜環(huán)境，普堅(jiān)石，定額編號：1-4-7，其造價為6 793.12元/立方米。深孔爆破按照B級復(fù)雜環(huán)境，普堅(jiān)石，定額編號：1-4-15，其造價為3 410.92元/立方米。兩者有將近2倍差距。如果深孔爆破淺孔爆破范圍各占50%方法與全部采用淺孔爆破方法相比較，能降低25%費(fèi)用，十分可觀，具有重大經(jīng)濟(jì)價值。

淺孔與深孔爆破，在保持當(dāng)前起爆網(wǎng)路下，振動速度不大于0.02 cm/s，其加速度功率譜密度全部在紅線下，與Intel公司給出的紅線指標(biāo)是相符合的。根據(jù)薩道夫斯基公式，深孔爆破時，K=177.15，a=1.537，v=0.02 cm/s，計(jì)算半徑為740 m，實(shí)際工程中按照750 m進(jìn)行控制，當(dāng)爆破點(diǎn)距離廠房大于750 m時采用深孔爆破。淺孔爆破時，K=590.5，a=1.93，v=0.02 cm/s，計(jì)算半徑為207 m，按照210 m進(jìn)行控制，實(shí)際工程中當(dāng)爆破點(diǎn)距離廠房大于210 m，小于750 m時采用淺孔爆破。對于小于210 m區(qū)域，出于精密儀器安全考慮，推薦不采用爆破方法進(jìn)行施工。

3 結(jié) 論

結(jié)合Intel實(shí)驗(yàn)相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)，對爆破地震進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)采用加速度功率譜密度的分析方法進(jìn)行分析，功率譜具有單位頻率的平均功率量綱，可以看出隨機(jī)信號的能量隨頻率的分布情況，以能量分布對振動測試進(jìn)行評估，更具有說服力。

(2)加速度功率譜密度給出了不同頻率下對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，不只是單一考慮峰值大小，更加全面；而且通過觀察滿足功率譜密度標(biāo)準(zhǔn)下的對應(yīng)速度峰值發(fā)現(xiàn)，對于速度峰值的控制標(biāo)準(zhǔn)比國標(biāo)給出的標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。

(3)加速度功率譜密度控制方法的確定，可以通過對不同爆破布孔方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將加速度譜密度結(jié)果反演到對應(yīng)的速度標(biāo)準(zhǔn)，然后通過確定控制速度峰值的方法進(jìn)行控制，更加方便。

(4)采用功率譜密度方法對深孔、淺孔爆破區(qū)域進(jìn)行了劃分，由于控制標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格，不但能夠控制住爆破振動帶來的危害，而且能夠節(jié)約大量的成本，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

(5)未來城鎮(zhèn)爆破工程中可能會經(jīng)常遇到精密儀器的保護(hù)問題，本文解答了在給定加速度譜密度控制紅線后，如何對爆破振動進(jìn)行有效的控制，并提出建設(shè)性方案，對今后爆破工程中相似情況具有一定的指導(dǎo)意義。

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Blasting vibration acceleration power spectral density analysis under complex blasting operation environment

YAN Honghao, HUN Changhong, LI Xiaojie, ZHAO Tiejun

(State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

In order to analyze the influence of blasting vibration on precision instrument, taking the land leveling blasting vibration of Intel company as a case, combining the standard of blasting vibration acceleration spectral density provided by Intel company and the law of blasting vibration in Dalian, the test scheme was designed. The monitored data analysis showed that under the designed detonation network, the blasting is either deep hole style or shallow one, the vibration velocity at the original control point position is no more than 0.02 cm/s, and the vibration acceleration spectral density values are less than the given standard; this control method can not only reduce the cost of blasting operations, but also provide a reliable basis for the safety assessment of blasting vibration under complex operating environment.

acceleration; power spectral density; complex environment; blasting vibration; precision equipment

國家自然科學(xué)基金(10872044;11672068;10972051;10902023);中國遼寧省自然科學(xué)基金(20082161)

2015-07-20 修改稿收到日期：2016-01-07

閆鴻浩 男，博士，副研究員，1974年11月生

O382+.2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.03.018