(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

1 工程概況

南水北調(diào)中線陶岔渠首樞紐工程位于河南省淅川縣九重鎮(zhèn)陶岔村，既是南水北調(diào)中線輸水總干渠的引水渠首“水龍頭”，也是丹江口水庫副壩，軸線長265m，主要包括上游引渠、左右岸重力壩、閘室、電站廠房等，施工石方開挖總量約為310000m3。

由于樞紐作業(yè)區(qū)毗鄰村莊和當(dāng)?shù)亟煌ㄖ匾缆?，下游距離交通橋100m左右，人員、車輛密集，運(yùn)輸危險性大，下游距離老閘壩80多m，在施工中必須對初始的爆破參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整，通過監(jiān)測儀器收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定最佳的爆破參數(shù)，既要確保施工區(qū)域內(nèi)已有構(gòu)筑物的安全運(yùn)行，又要保證周邊村民的安全出行。

2 試驗(yàn)及監(jiān)測準(zhǔn)備

現(xiàn)場對覆蓋層及土方剝離后，隨即按照爆破試驗(yàn)方案展開現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)，根據(jù)開挖揭露的巖石情況，自土石分界線向下，上部分布有大量泥層將石灰?guī)r分隔，巖石的褶皺、斷裂較為發(fā)育。開挖施工難度較大。

爆破試驗(yàn)及震動監(jiān)測工作在監(jiān)測儀器設(shè)備和人員就位后，按照計(jì)劃，試驗(yàn)重點(diǎn)研究6m以上大梯段及6m以下小梯段的石方爆破參數(shù)及保護(hù)層開挖爆破參數(shù)、預(yù)裂爆破參數(shù)，通過試驗(yàn)確定合理的爆破參數(shù)指導(dǎo)施工。

由于上部巖石中分布泥層較多且未開挖至建基面上部，保護(hù)層開挖試驗(yàn)無法開展，本階段試驗(yàn)工作主要結(jié)合巖石上層爆破開挖進(jìn)行，通過若干場次的生產(chǎn)性試驗(yàn)，對爆破工藝及參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，確定經(jīng)濟(jì)、合理的鉆爆參數(shù)；同時進(jìn)行相應(yīng)的爆破震動觀測與分析，研究當(dāng)前地質(zhì)及爆破條件下的爆破震動特性及震動傳播規(guī)律。

3 爆破開挖試驗(yàn)實(shí)施

爆破試驗(yàn)主要在10號和5號壩段進(jìn)行，先后共進(jìn)行了4次，其中10號壩段進(jìn)行了3次，5號壩段進(jìn)行了1次，實(shí)施情況如下：

第一次在右岸10號壩段爆破場地，一共布置了43個炮孔，孔距4m，排距2.5m。孔徑115mm，孔深8.5～10m?？淄夥侄窝訒r，微差100ms。單段最大起爆藥量130kg，總設(shè)計(jì)起爆方量3360m3，總設(shè)計(jì)起爆藥量1344kg，炸藥單耗0.35～0.4kg/m3。從爆破效果來看，巖石爆破后上拋幅度微小，飛石控制較好，但由于上部巖石泥層分布較多，爆破后巖石塊徑過大，對開挖運(yùn)輸造成了很大困難，必須進(jìn)行大面積的二次解孤石施工，費(fèi)時費(fèi)工。

第二次一共布置了44個炮孔，孔距4m，排距2.5m。孔徑115mm，孔深平均10m?？淄夥侄窝訒r，微差100ms。單段最大起爆藥量200kg，總設(shè)計(jì)起爆方量5500m3，總設(shè)計(jì)起爆藥量1500kg，炸藥單耗0.4kg/m3。從現(xiàn)場爆破效果看，巖石中泥層分布較多，爆破效果仍然不理想，爆破后巖石塊徑過大，開挖運(yùn)輸難度較大。

第三次布置22個炮孔，孔距3m，排距2m。孔徑115mm，孔深約8m?？淄夥侄窝訒r，微差100ms。單段最大起爆藥量60kg，總設(shè)計(jì)起爆方量900m3，總設(shè)計(jì)起爆藥量396kg，炸藥單耗0.44kg/m3。從現(xiàn)場爆破效果看，通過減小炮孔的堵塞長度，提高炸藥單耗，爆破后巖石塊徑相對減小，較為適宜在此種地質(zhì)條件的爆破施工。

第四次在左岸5號壩段布置28個炮孔，孔距3.5m，排距2.5m?？讖?15mm，孔深約8m?？淄夥侄窝訒r，微差100ms。單段最大起爆藥量100kg，總設(shè)計(jì)起爆方量1960m3，總設(shè)計(jì)起爆藥量840kg，炸藥單耗0.43kg/m3。根據(jù)現(xiàn)場爆破效果及地質(zhì)條件分析，爆破效果較好，巖石塊徑均勻，利于開挖運(yùn)輸。左岸地質(zhì)條件相對較好，巖石裂隙較發(fā)育，泥層分布相對右岸較少，且隨著開挖高程的降低，越發(fā)明顯。在此種地質(zhì)條件下，上述爆破參數(shù)在石方開挖中較為合理。

4 爆破震動監(jiān)測準(zhǔn)備

爆破震動監(jiān)測采用的是TOPBOX508S振動信號自記儀，它是針對現(xiàn)場爆破、振動、沖擊測試而專門優(yōu)化設(shè)計(jì)的用于信號記錄和分析的小型儀器?，F(xiàn)場每個測點(diǎn)布置一臺自記儀。自記儀的工作原理如圖1所示。

圖1 TOPBOX508S振動信號自記儀工作原理

每個測點(diǎn)布置兩個測向，即水平方向和垂直方向。傳感器采用快干石膏固定在基礎(chǔ)上。

為了確定在爆破時爆破震動衰減規(guī)律及其對于閘門和橋梁所產(chǎn)生的安全影響，一共布置了7個測點(diǎn)，布置于同一直線上，測點(diǎn)布置見圖2。1、2、3、4、5號在爆區(qū)與橋之間，1號距爆區(qū)30m，2號距爆區(qū)38.7m，3號距爆區(qū)54.2m，4號距爆區(qū)68.5m，5號距爆區(qū)91.5m，即在橋墩處。1～5號測點(diǎn)處于同一高程150m。6號測點(diǎn)位于5號上方的橋面，距爆區(qū)水平距離91.5m，高程161m。7號測點(diǎn)位于閘門上方，距爆區(qū)水平距離78m，高程162m。

圖2 測點(diǎn)布置

5 振動信號的小波包分析

5.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集采用的是2500Hz的采樣頻率，其奈奎斯特(Nyquist)頻率為1250Hz，因此可將交通橋上6號測點(diǎn)采集到的信號用db6小波包分析分解至第8層，從0到1250Hz，得到28個頻段。對應(yīng)的最低頻帶為0～4.883Hz。

5.2 各頻帶的能量表征

將被分析信號分解到第8層，設(shè)S8,j對應(yīng)的能量為E8,j，則有下式：

(1)

j=0,1,2…,28-1

式中m——信號的離散采樣點(diǎn)數(shù)；

xj，k——重構(gòu)信號S8，j的離散點(diǎn)幅值。

設(shè)被分析信號的總能量為

(2)

則各頻帶的能量占被分析信號總能量的比例為

Ej=E8,j×100%/E0

j=0,1,…，28-1

(3)

通過式(1)～式(3)得到信號經(jīng)過小波包分解后不同頻帶的能量。

5.3 各頻帶的能量分布規(guī)律

圖3中的上圖表示的是垂直方向重構(gòu)后的振動信號，下圖表示的是在垂直方向不同頻段上的能量分布。圖4中的上圖表示的是水平方向重構(gòu)后的振動信號，下圖表示的是水平方向不同頻段上的能量分布。

圖3 垂直方向小波包分析結(jié)果

圖4 水平方向小波包分析結(jié)果

信號經(jīng)小波包分解后，不同頻帶的相對能量分布如表1和表2所列。

從表1、表2可以看出，爆破在交通橋上產(chǎn)生的振動能量主要集中于10～50Hz頻率段。

表1 垂直方向小波包分解后不同頻帶的相對能量分布

表2 水平方向小波包分解后不同頻段的相對能量分布

6 爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)及安全距離

6.1 建筑物抗爆破振動的安全標(biāo)準(zhǔn)

施工開挖爆破誘發(fā)的地震波通過地層傳播到各種建(構(gòu))筑物及設(shè)施，當(dāng)振動強(qiáng)度超過某個指標(biāo)時，將造成不利影響。因此，為了對爆破振動的安全影響進(jìn)行客觀評定，必須依據(jù)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或通過科學(xué)試驗(yàn)制定合理的爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)，才可能確定合理的爆破方式與鉆爆參數(shù)，有效劃分振動安全范圍，使工程施工得以順利進(jìn)行。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)，以質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度為判據(jù)，列出了相應(yīng)的安全允許標(biāo)準(zhǔn)(見表3)。表中上標(biāo)a～d含義如下：

a-選取建筑物安全允許振速時，應(yīng)綜合考慮建筑物的重要性、建筑質(zhì)量、新舊程度、自振頻率、地基條件等因素。

b-省級以上(含省級)重點(diǎn)保護(hù)古建筑與古跡的安全允許振速，應(yīng)經(jīng)專家論證選取，并報相應(yīng)文物管理部門批準(zhǔn)。

c-選取隧道、巷道安全允許振速時，應(yīng)綜合考慮構(gòu)筑物的重要性、圍巖狀況、斷面大小、深埋大小、爆源方向、地震振動頻率等因素。

d-非擋水新澆大體積混凝土的安全允許振速，可按本表給出的上限值選取。

根據(jù)小波包分析的結(jié)果，爆破振動的能量主要分布在10～50Hz頻段。閘門和橋梁都為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)，參照大體積混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的要求，將老閘和橋梁的安全標(biāo)準(zhǔn)分別定為：爆破振動頻率為10～50Hz時，安全允許振速為7cm/s 、3.5cm/s。

表3 《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

注1.表列頻率為主頻率，系指最大振幅所對應(yīng)波的頻率。

2.頻率范圍可根據(jù)類似工程或現(xiàn)場實(shí)測波形選取。選取頻率時亦可參考下列數(shù)據(jù)：硐室爆破小于20Hz，深孔爆破10～60Hz；淺孔爆破40～100Hz。

6.2 爆破振動速度預(yù)報及安全距離

6.2.1 預(yù)報公式

按照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)的推薦，爆破振動一般采用薩道夫斯基提出的下列公式來預(yù)測和估計(jì)爆破振動的強(qiáng)度：

(4)

由式(1)導(dǎo)出的安全允許距離為

R=(K/v)1/αQ1/3

(5)

式中R——爆破振動安全允許距離，m；

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量，kg；

v——保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)振動安全允許速度，cm/s；

K、α——與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

6.2.2 爆破振動衰減規(guī)律

6.2.2.1 垂直方向的爆破振動衰減規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測垂直方向資料所得到各測點(diǎn)的波形參數(shù)(見表4)，7號測點(diǎn)振動值未達(dá)檢測設(shè)備的觸發(fā)底限值，根據(jù)設(shè)備的設(shè)置，可知振動峰值小于0.474cm/s。結(jié)合爆破設(shè)計(jì)參數(shù)及各測點(diǎn)的爆源距，即可擬合出從爆區(qū)到橋的爆破質(zhì)點(diǎn)垂直方向振動速度的預(yù)報公式。

表4 各測點(diǎn)垂直方向的波形參數(shù)

各測點(diǎn)垂直方向?qū)崪y爆破振動波形圖見圖5～圖10。

圖5 1號測點(diǎn)垂直方向爆破振動波形圖

圖6 2號測點(diǎn)垂直方向爆破振動波形圖

圖7 3號測點(diǎn)垂直方向爆破振動波形圖

圖8 4號測點(diǎn)垂直方向爆破振動波形圖

圖9 5號測點(diǎn)垂直方向爆破振動波形圖

圖10 6號測點(diǎn)垂直方向爆破振動波形圖

由1～5號實(shí)測數(shù)據(jù)，可以得出從爆區(qū)到橋墩處水平方向的爆破振動衰減規(guī)律：

R2=0.774

(6)

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在10～50Hz下的安全允許振速3.5cm/s，可以導(dǎo)出該爆區(qū)垂直方向不同裝藥量時的安全允許距離公式：

R=(78/v)1/1.57Q1/3

(7)

將安全允許振速3.5cm/s代入，得

R=7.22Q1/3

(8)

將老閘部位的安全允許振速7cm/s代入，得

R=4.64Q1/3

6.2.2.2 水平方向的爆破振動衰減規(guī)律

與垂直方向一樣，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測水平方向資料所得到各測點(diǎn)的波形參數(shù)(見表5)，7號測點(diǎn)振動值未達(dá)檢測設(shè)備的觸發(fā)底限值，根據(jù)設(shè)備的設(shè)置，可知振動峰值小于0.474cm/s。結(jié)合爆破設(shè)計(jì)參數(shù)及各測點(diǎn)的爆源距，擬合出爆區(qū)到橋的爆破質(zhì)點(diǎn)水平方向振動速度的預(yù)報公式。

表5 各測點(diǎn)水平方向的波形參數(shù)

各測點(diǎn)水平方向?qū)崪y爆破振動波形圖見圖11～圖16。

圖11 1號測點(diǎn)水平方向爆破振動波形圖

圖12 2號測點(diǎn)水平方向爆破振動波形圖

圖13 3號測點(diǎn)水平方向爆破振動波形圖

圖14 4號測點(diǎn)水平方向爆破振動波形圖

圖15 5號測點(diǎn)水平方向爆破振動波形圖

圖16 6 號測點(diǎn)水平方向爆破振動波形圖

由1～5號實(shí)測數(shù)據(jù)，可以得出從爆區(qū)到橋墩處水平方向的爆破振動衰減規(guī)律：

(9)

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在10～50Hz下的安全允許振速3.5cm/s，可以導(dǎo)出該爆區(qū)垂直方向不同裝藥量時的安全允許距離公式:

R=(100/v)1/1.69Q1/3

(10)

將安全允許振速3.5cm/s代入，得

R=7.27Q1/3

(11)

將老閘部位的安全允許振速7cm/s代入，得

R=4.82Q1/3

6.2.2.3 爆破安全距離

按前面規(guī)定的爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)(爆破振動頻率為10～50Hz時，安全允許振速為3.5cm/s、7cm/s)，計(jì)算得到的范圍稱之為爆破振動臨界安全距離，在此范圍內(nèi)的建筑物認(rèn)為是不安全的。計(jì)算結(jié)果見表6～表7。

表6 老橋不同裝藥量情況下的安全距離

表7 老閘不同裝藥量情況下的安全距離

此次爆破最大單段裝藥量為130kg，控制方向?yàn)榇怪狈较?，全距離為44m。

7 結(jié) 論

現(xiàn)場測得的振動信號作的小波包分析表明，爆破產(chǎn)生的振動能量主要分布在10～50Hz頻段。而橋梁自振頻率所處的第一頻段，即0～10Hz之間的能量較小，對于橋梁影響較小。在此頻率段內(nèi)，按照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)中安全允許振速的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場建筑物實(shí)際，老閘坡腳距爆破開挖區(qū)最近距離約29m(Ta-57～ Ta-28)，下游老橋距爆破開挖區(qū)最近距離約24m(Ta+99.76～ Ta+123.8)，得出爆破的理論臨界安全距離值如下表8所列。

表8 老閘不同裝藥量情況下的安全距離

老閘在最大單段起爆藥量控制在130kg以內(nèi)時，爆破施工易控制。在靠近老橋附近20～30m爆破時，最大單段起爆藥量以控制在50kg以內(nèi)為宜。主爆孔的間排距要根據(jù)地質(zhì)情況調(diào)整，土加石以3m×2m、較完整巖基深孔梯段以3.5m×2.5m為好。深孔梯段以藥卷直徑90mm爆破，單耗在0.42～0.45kg/m3為宜。

以上爆破試驗(yàn)主要針對常規(guī)石方開挖過程的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)整，爆破參數(shù)是一個動態(tài)的數(shù)據(jù)，要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)，隨著開挖的進(jìn)行，接近建基面時的預(yù)裂爆破參數(shù)，將重新進(jìn)行測試和調(diào)整，以便獲得理想的預(yù)裂爆破數(shù)據(jù)。