丁安松,唐 海,易 帥,王建龍

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭市 411201)

0 引 言

在爆破領(lǐng)域，預(yù)裂爆破減振是一種常用減振方法，已有很多學(xué)者對(duì)預(yù)裂爆破減振效果進(jìn)行了研究，并取得了一定成果，梁開水[1]等應(yīng)運(yùn)LS-DYNA對(duì)減震溝減震效果進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出距離減震溝越近，減震效果越好，減震溝的深度較寬度的減震效果大，深度一般超過孔深度。張成良[2]認(rèn)為預(yù)裂縫減震在30%左右，且預(yù)裂孔的深度應(yīng)大于主炮孔1～1.5 m，才能起到減振的作用。蔡路軍[3]等通過對(duì)預(yù)裂爆破減震機(jī)理及效果分析，提出預(yù)裂縫要有一定的寬度、深度、長(zhǎng)度，寬度主要是使其形成空氣自由面，深度大于主炮孔的深度，主要使其減小預(yù)裂縫底的繞射能量，預(yù)裂縫長(zhǎng)度大于主炮孔的總排距，使其減小側(cè)面的繞射能量。 溫海民[4]等通過數(shù)值模擬方法得出爆破沖擊波的傳播和應(yīng)力波會(huì)發(fā)生繞射傳入縫后的圍巖，預(yù)裂縫要有足夠?qū)挾群蜕疃炔庞忻黠@的降震效果。張憲堂[5]等認(rèn)為距爆源20 m以內(nèi)，預(yù)裂縫的減震作用明顯，可高達(dá)50%，多排預(yù)裂孔且炮孔深度超過主炮孔1～2 m減震效果更加明顯。

以上的研究均表明預(yù)裂爆破產(chǎn)生的預(yù)裂縫有一定程度的減振作用，但不同地域的巖性差異大，預(yù)裂爆破減振效果相差較大。為確保紅沿河核電廠基建工程爆破開挖過程中，其周邊基巖和建（構(gòu)）筑物不超過其振動(dòng)安全閾值，進(jìn)行預(yù)裂爆破減振試驗(yàn)研究，得到電廠基建工程預(yù)裂爆破減振效果和減振率，為該爆區(qū)的爆破參數(shù)優(yōu)化研究提供理論基礎(chǔ)。

1 工程背景

電廠場(chǎng)址東側(cè)與陸地接壤，靠近磨盤山，屬瓦房店市東崗鄉(xiāng)管轄，距復(fù)州城約22 km，距瓦房店火車站約50 km，三面環(huán)海，地處渤海遼東灣東側(cè)，目前電廠正在進(jìn)行第二期施工階段，需對(duì)一期工程、二期已建完工程和基巖的穩(wěn)定性進(jìn)行保護(hù)措施。

2 試驗(yàn)點(diǎn)爆破設(shè)計(jì)方案

核電廠基建工程需對(duì)土石方進(jìn)行負(fù)挖，本地區(qū)巖石硬度較高，主要采取爆破開挖方式。為研究預(yù)裂爆破的減振效果及影響因素，在工程施工中，選取廠房（AC）、廊道（GD）、廊道（GB）、泵房（PD）四個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)，試驗(yàn)地點(diǎn)爆破設(shè)計(jì)包括臺(tái)階爆破和預(yù)裂爆破，其中臺(tái)階爆破主要為開挖作用，預(yù)裂爆破主要為減振作用。

在試驗(yàn)地點(diǎn)分別進(jìn)行有、無預(yù)裂孔的臺(tái)階爆破，設(shè)計(jì)炮孔孔徑為89 mm，采用Φ70 mm的乳化炸藥。其中預(yù)裂爆破孔深為2.9～6.6 m，孔距為1.0 m，堵塞長(zhǎng)度為1.8～2.0 m，雷管段別為MS-3；無預(yù)裂爆破條件下第一次臺(tái)階爆破參數(shù)見表 1；有預(yù)裂爆破條件下第二次臺(tái)階爆破參數(shù)見表 2。預(yù)裂爆破及臺(tái)階爆破布孔見圖 1，預(yù)裂孔布置三個(gè)方向。爆破試驗(yàn)地點(diǎn)的北和南兩個(gè)方向?yàn)榛鶐r保護(hù)區(qū)，西方向?yàn)榻ㄖ锉Ｗo(hù)區(qū)。

表1 無預(yù)裂爆破條件下的爆破參數(shù)

表2 有預(yù)裂爆破條件下的爆破參數(shù)

圖1 爆破布孔

3 爆破監(jiān)測(cè)

3.1 儀器的選用及使用

根據(jù)工程的周圍條件以及監(jiān)測(cè)的可行性，采用便攜式TC-4580爆破測(cè)振儀，監(jiān)測(cè)垂直（Z方向）、水平方向（X、Y方向），考慮數(shù)據(jù)的可靠性，測(cè)振儀的傳感器部分需要固定在堅(jiān)硬基巖或較穩(wěn)定的建筑物，本次監(jiān)測(cè)用速凝石膏使傳感器與堅(jiān)硬物水平無空隙粘連。水平放置儀器時(shí)，水平方向需正對(duì)爆源。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，爆破的持續(xù)時(shí)間小于50 s，所以測(cè)振儀的采集時(shí)間設(shè)定為50 s。測(cè)振儀的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度觸發(fā)值的設(shè)定，根據(jù)本核電廠的特點(diǎn)以及排除周邊壞境的干擾，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度觸發(fā)值設(shè)定為0.05 cm/s，小于核電廠設(shè)計(jì)安全閥值。

表3 實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)峰值速度

3.2 測(cè)點(diǎn)位置及數(shù)據(jù)采集

測(cè)點(diǎn)主要布置在建筑物保護(hù)區(qū)，按照測(cè)試需要布置3個(gè)或4個(gè)測(cè)點(diǎn)，主視圖見圖1。依據(jù)核電廠的設(shè)計(jì)，1號(hào)測(cè)點(diǎn)離爆源30 m處為固定測(cè)試點(diǎn)，其他為隨機(jī)測(cè)試點(diǎn)，且預(yù)裂孔深度超過主爆孔深度見圖2。在水平X、Y方向，選取質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的最大值進(jìn)行分析，以及垂直Z方向振動(dòng)速度。第一次臺(tái)階爆破（無預(yù)裂縫）監(jiān)測(cè)得到振動(dòng)速度 V1，第二次（有預(yù)裂縫）再對(duì)臺(tái)階爆破監(jiān)測(cè)得到振動(dòng)速度V2，所得四個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)峰值速度見表3。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

4 爆破振動(dòng)分析

4.1 振動(dòng)分析

在施工過程中，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度和最大段藥量、爆源距有密切聯(lián)系。目前廣泛應(yīng)用前蘇聯(lián)薩道夫斯基的經(jīng)驗(yàn)公式[6-8]進(jìn)行回歸或預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)速度。

式中：v為質(zhì)點(diǎn)峰值速度，cm/s；Q為最大段藥量，kg；R為爆源距,m；K、α與地質(zhì)條件有關(guān)的場(chǎng)地系數(shù)和衰減系數(shù)；ρ為比例藥量。

根據(jù)式（1）、（2）得到最大段藥量為4.8，6.0 kg與9.0 kg的振動(dòng)速度V1與V2擬合曲線見圖3。如圖3（a）水平方向爆破振動(dòng)速度曲線所示，測(cè)點(diǎn)有預(yù)裂縫的振動(dòng)速度 V2均小于無預(yù)裂縫的振動(dòng)速度V1，但不同爆心距、不同最大段藥量條件下，兩者差值有明顯變化，表明預(yù)裂爆破對(duì)水平方向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)有一定的減振作用，但減振效果受爆心距、最大段藥量影響明顯。由圖3（b）可知，預(yù)裂爆破對(duì)垂直方向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)也有一定的減振作用，受爆心距、最大段藥量影響，但預(yù)裂爆破對(duì)水平方向的減振作用較垂直方向更明顯。一般認(rèn)為凸形地貌有放大作用，垂直方向比較明顯，高差增加，放大系數(shù)增加[9-10]。但試驗(yàn)中兩次爆破高差較小（3 m左右），且第二次爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度依舊小于第一次爆破，因此放大系數(shù)對(duì)減振分析影響較小。

圖3 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度曲線

綜上所述，預(yù)裂爆破有明顯減振作用，且水平方向的減振作用較垂直方向更明顯，但減振效果受最大段藥量、爆源距影響。

4.2 減振分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在預(yù)裂爆破后形成的預(yù)裂縫有極好的減振效果，但受最大段藥量、爆源距影響明顯。為進(jìn)一步研究其影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，引入減振率η概念，計(jì)算公式為：

η分為水平方向減振率η水平，垂直方向減振率η垂直。根據(jù)式（3）計(jì)算出四個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的減振率（見表4），并作如圖4所示的減振率曲線。表4表示，預(yù)裂爆破減振率水平方向減振率較高，最高可達(dá)0.66，而垂直方向的減振率相較偏小，最大值為0.62。對(duì)比表內(nèi)相同測(cè)點(diǎn)，不同最大段藥量的減振率數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在水平與垂直方向，減振率隨最大段藥量增加而增加。

表4 減振率

圖4 減振率曲線

如圖 4所示，水平方向預(yù)裂爆破減振率隨爆心距的增加逐漸減少；垂直方向預(yù)裂爆破減振率隨爆心距的增加變化趨勢(shì)不一致，但爆破遠(yuǎn)區(qū)減振率依舊弱于爆破近區(qū)。

5 結(jié) 論

本文在紅沿河核電工程的基礎(chǔ)上，通過預(yù)裂爆破的減振率及爆破振動(dòng)分析，得出以下結(jié)論：

（1）預(yù)裂爆破有明顯的減振效果，距爆心距越近，振動(dòng)峰值速度衰減越快，衰減幅度加快，且預(yù)裂爆破減振具有方向性，水平方向的減振作用較垂直方向更明顯。

（2）減振率隨最大段藥量增加而增加，減震率隨爆心距的增加逐漸減少，且減振率高達(dá)0.66。

致謝：感謝中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所于崇博士，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)期間給予的指導(dǎo)和幫助。