顏 杰

（準能集團黑岱溝露天煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

黑岱溝露天煤礦目前采用拋擲爆破技術進行開采，爆破拋擲區(qū)附近有1 座新建橋涵，橋涵上部為運土車道，下部2 個涵洞的主要作用是供車輛橫穿橋涵。橋涵的洞身由鋼筋混凝土材質的箱形管節(jié)修建，橋涵距離北區(qū)爆源的最近僅100 m 左右，爆區(qū)在推進過程中距離橋涵越來越近，故每次拋擲爆破形成的爆破震動對橋涵產生一定的影響。

針對爆破振動對建筑物結構的影響，許多專家學者展開大量研究。葉海旺[1-2]等人根據大量的實測數據，分析了爆破振動主頻與結構動力響應的關系；夏詳[3]對國內外相關安全判據做了大量研究，指出要同時考慮爆破振速峰值和振動主頻；李的林[4-5]等人在分析爆破振動安全時，發(fā)現有必要同時考慮峰值振速和振動主頻2 個指標；周傳波[6-7]等研究了在爆破地震害中振動頻率的作用及其影響因素，研究表明頻率在爆破震害中起重要作用，爆炸能量、起爆段數、距離以及傳播介質對爆破振動頻率皆有影響，當傳播介質越松散，并且監(jiān)測點距離爆源越遠的情況下，監(jiān)測位置的振動頻率越低，由于建筑物的固有頻率也比較低，則振動頻率與固有頻率比較相近，在很大程度上會使建筑物發(fā)生共振。

因此，為了確保該橋涵在爆破振動中的安全性，對該橋涵進行振動監(jiān)測[8]，研究拋擲爆破地震波對橋涵結構影響規(guī)律，為安全爆破作業(yè)提供依據，進而達到對橋涵爆破震害的有效控制。

1 工程概況

黑岱溝露天煤礦是我國自行設計、自行施工的特大型露天煤礦，隸屬于神華準能集團。位于準格爾煤田中部，上部黃土層的厚度平均為49 m，下部煤層的平均厚度為28.8 m，礦區(qū)面積大概為30 km2，主要采用深孔臺階爆破。上層覆蓋黃土的厚度約為10～40 m，主要成分為砂巖、頁巖等，上覆層發(fā)育的結理與裂隙，丘陵山區(qū)地貌。

爆破拋擲區(qū)的南面為空曠場地，目前尚未進行拋擲爆破，為天然地貌；北面為新建3#、4#破碎站橋涵，即本文所研究建筑物，該橋涵主體結構為鋼筋混凝土結構，左右兩側擋墻根據高度不同采用鋼筋混凝土扶壁式及懸臂式擋墻；基礎墊層采用C15 混凝土，基礎及上部結構采用C40 混凝土；東面為待開采的空曠場地；西面為已拋擲爆破礦區(qū)，在西面的礦區(qū)里有輪斗挖掘系統(tǒng)、電鏟、吊斗鏟、型膠輪式推土機、履帶式推土機、裝載機等設備。

2 測點區(qū)爆破振動對橋涵影響研究

2.1 拋擲爆破參數和現場測試方案及監(jiān)測數據

爆破振動測試主要針對北2 次、北4 次、北6次、北8 次4 次拋擲爆破，爆破設計參數見表1。

表1 爆破設計參數

為研究爆破振動對橋涵的影響，在橋涵周圍布設振動監(jiān)測點，每個測點的x 方向均指向爆源，y方向指向測點與爆源的垂直方向，z 向為豎直方向，爆破監(jiān)測測點布置圖如圖1。

圖1 拋擲爆破測點布置圖

2018 年3 月— 2018 年12 月在黑岱溝露天煤礦北區(qū)共進行了4 次拋擲爆破，除去一些測點由于各方面的原因造成的數據誤差較大無法使用外，共測得有效數據32 組，北區(qū)部分拋擲爆破振速監(jiān)測數據見表2。

表2 北區(qū)部分拋擲爆破振速監(jiān)測數據

2.2 橋涵基礎三分量振動分析

在北區(qū)進行的4 次爆破振動監(jiān)測中，共獲取共16 組橋涵底部數據（測點1～測點4），對16 組進行分析，以研究橋涵基礎振動規(guī)律，分別為北2 次、北4 次、北6 次、北8 次爆破橋涵底部測點3 分量振速折線圖如圖2～圖5。

圖2 北2 次爆破橋涵底部3 分量振速圖

圖3 北4 次爆破橋涵底部3 分量振速圖

圖4 北6 次爆破橋涵底部3 分量振速圖

圖5 北8 次爆破橋涵底部3 分量振速圖

為準確分析得到單段最大藥量對3 分量振速的影響，選取爆心距相同的測點進行對比分析，所選測點為北2 次、北4 次、北6 次3 次爆破的1#測點及北8 次的2#測點，北區(qū)爆破爆心距相同4 組測點3分量振速折線圖如圖6。

圖6 北區(qū)爆破爆心距相同4 組測點3 分量振速折線圖

由圖3～圖5 可得，在同一爆次中，對于橋涵基礎的各測點3 個方向的振速與測點的爆心距的大小成反比，隨著爆心距的增大，3 個方向的振速變小，各個測點的方向振速V水平徑向＞V垂向＞V水平切向。根據爆破振動安全規(guī)程[9]對交通隧洞安全允許標準規(guī)定，所測振動速度均小于12 cm/s，因此各次爆破作用下，新建橋涵是安全的。此外，由圖6 可以得出，爆心距相同的前提下，隨著單段藥量的增大，3 分量振速都增大，且根據折線圖可以看出振速3 分量增大的規(guī)律一致，即爆心距相同時，振動速度與單段最大藥量成正比。

2.3 橋涵結構響應分析

為探究橋涵基礎和頂部的質點峰值振速的規(guī)律，研究橋涵結構振動響應，引入速度放大率α，以α 作為評判基礎和頂部峰值振速的參數指標。

式中：α 為同一爆次中，頂部質點相對于底部測點的放大程度；Vdy為同一爆次中，相同距離條件下，橋涵頂部的質點振速峰值，m/s；Vdi為同一爆次中，相同距離條件下，橋涵底部的質點振速峰值，m/s。

當北6 次和北8 次進行爆破時，分別對相同距離的測點進行3 分量的速度放大率計算，橋涵頂部和底部測點3 分量速度放大率見表3。

表3 橋涵頂部和底部測點3 分量速度放大率表

由表3，可得在高程對于3 分量振速的放大效應中，水平徑向和水平切向的放大率要明顯高于垂向振速放大率。在同一爆次中，對于橋涵底部的測點，測點3 個方向的振速與測點的爆心距的大小成反比，隨著爆心距的增大，3 方向振速變小，在橋涵底部的各個測點的方向振速V水平徑向＞V垂向＞V水平切向。高程差越大，測點的高程放大效應越明顯。并且在高程對于三分量振速的放大效應中，水平徑向和水平切向的放大率要明顯高于垂向振速放大率。

2.4 橋涵振動信號頻率及能量分析

為準確獲悉爆破振動對橋涵的影響，以小波作為分析研究方法，從頻率及能量2 個方面同時進行分析。同時，利用MATLAB 對具有相同爆心距的北2次爆破振動1#測點、北4 次爆破1#測點、北6 次爆破1#測點、北8 次爆破2#測點的振動監(jiān)測數據進行分析，北2 次、北4 次、北6 次、北8 次各頻帶能量分布圖如圖7～圖10。由圖7～圖10 計算結果，將4 測點信號頻段與能量關系繪制成折線圖，4#測點各頻帶能量折線圖如圖11。

圖7 北2 次爆破各頻帶能量分布圖

圖8 北4 次爆破各頻帶能量分布圖

圖9 北6 次爆破各頻帶能量分布圖

圖10 北8 次爆破各頻帶能量分布圖

圖11 4#測點各頻帶能量折線圖

根據圖7～圖11 可以得出，北2 次爆破、北8次、北6 次、北4 次爆破測點的最大能量分別出現在D2 頻段、D3 頻段、D4 頻段，即隨著最大單段藥量的減小，最大能量所出現的頻段逐漸從低頻頻段增大到高頻頻段。例如：北2 次爆破時，最大能量頻段所占能量達到58.74%；北8 次爆破時，最大能量頻段所占能量達到44.43%；北6 次爆破時，最大能量頻段所占能量達到37.63%；北4 次爆破時，最大能量頻段所占能量達到29.06%。

分析表明在測點離爆源的距離大致相同的前提下，頻帶能量最大值所占比例隨著單段最大藥量減小而減小，頻帶能量隨著最大單段藥量的減小而趨于平均化。由于橋涵的振動頻率較低，因此在實際工程爆破中應嚴格控制單段藥量，以減少低頻段地震波的能量。

同理，為準確獲悉相同藥量不同爆心距監(jiān)測振動信號頻帶能量變化規(guī)律，選取北6 次爆破振動1#測點、2#測點、3#測點、4#測點的振動監(jiān)測信號繪制能量百分比折線圖，最大段藥量相同4 組信號各頻段能量百分比折線圖如圖12。

圖12 最大段藥量相同4 組信號各頻段能量百分比折線圖

由數據分析可知：大部分優(yōu)勢能量大部分集中于4～30 Hz 頻段，同時能量的最大值一般出現在主頻率所在的頻段。此外，從爆心距不同的質點的能量分布中可以看出，1#測點的爆心距最小，頻率相對單一，最大能量出現在D2 頻段，占比達到58.74%；4#測點的爆心距最大，頻率相對分布均勻，最大能量出現在D2 頻段，占比達到37.00%。

綜上所述，隨著爆心距的增大，最大能量占比變小，爆破振動能量頻帶分布趨于均勻。

4 結語

橋涵基礎爆破振動速度與爆心距成反比，與單段藥量成正比?；谙嗤矫嫖恢玫臏y點，橋涵上方測點振速高于橋涵基礎振速，即存在高程放大效應，放大率與高程差成正比。黑岱溝露天煤礦爆破振動主頻在3～30 Hz 之間，爆破地震波低頻帶所攜帶能量隨著爆心距的增加而減少，隨著單段藥量的增加低頻爆破地震波所占能量增加，因此爆破距離橋涵較近時應嚴格控制單段起爆藥量。