唐 海，馬諭杰，夏 祥，朱帥帥，姜威振

(1.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué)煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室,武漢 430071)

近年來，爆破開挖憑借著其施工方便，地質(zhì)條件適應(yīng)性強的優(yōu)點，被廣泛運用到我國一大批水電和核電工程的興建中。然而爆破開挖會引發(fā)振動效應(yīng)，影響其施工質(zhì)量與安全。并且不可避免的會對臨近邊坡及周圍建筑物產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，對臨近邊坡及周圍建筑物進(jìn)行振動監(jiān)測并分析監(jiān)測結(jié)果，對爆破工程安全施工具有重要作用。

為探究爆破振動對邊坡和周圍建筑物產(chǎn)生的影響，國內(nèi)外學(xué)者采用振動監(jiān)測、現(xiàn)場實驗和數(shù)值模擬的方法，對爆破作用下邊坡和建筑物的響應(yīng)進(jìn)行了廣泛研究[1-14]。楊風(fēng)威等[1]通過現(xiàn)場爆破監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了爆破開挖時邊坡的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，認(rèn)為邊坡對爆破振動波存在放大效應(yīng)，并且這種放大效應(yīng)在水平徑向比垂直向更為顯著。周文海等[2]建立邊坡拋擲爆破模型并將炮孔藥包劃分為無數(shù)微元體進(jìn)行積分運算，最終得到邊坡拋擲爆破振動速度峰值公式，并通過現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測驗證了公式的準(zhǔn)確性。唐海等[3-5]將邊坡和臺階地形視為廣義的凸形地貌，通過工程監(jiān)測與數(shù)值模擬研究了凸形地貌對爆破振動波傳播的放大效應(yīng)并通過量綱分析得到了反映高程的爆破振動公式。S. Spyros等[6]利用有限元程序模擬軟件模擬了爆破振動波在地形中的傳播，得出了凸形地貌質(zhì)點振動大，而凹形地貌質(zhì)點振動小的研究結(jié)果。Xia Xiang等[7]通過現(xiàn)場實驗研究了爆破振動波在臺階地形中的傳播，認(rèn)為臺階地形對爆破振動波具有放大效應(yīng)，放大系數(shù)隨著臺階高度的增加而增加，在達(dá)到一定范圍后放大系數(shù)隨著臺階高度的增加而減少。武旭等[8]基于爆破振動數(shù)值模擬和邊坡振動監(jiān)測試驗，認(rèn)為臺階高程對爆破振動速度既有放大作用，同時也隨高度的增加產(chǎn)生衰減并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果給出了臺階地形爆破振動速度預(yù)測模型。為確保爆破振動作用下周邊建筑物的安全，也有學(xué)者開展了關(guān)于爆破振動對鄰近建筑物的影響研究。陽生權(quán)等[9]基于較大高程差起伏地形爆破工程實例，建立了考慮地形效應(yīng)迎波坡面的爆破地震預(yù)測模型，并應(yīng)用該模型指導(dǎo)了工程實際，確保了周邊建筑物的安全。張夢雅等[10]為了確定露天礦爆破開挖對周邊建筑物的影響，以建筑物為對象布置了監(jiān)測系統(tǒng)。認(rèn)為與爆源高差較大的建筑物，應(yīng)考慮爆破振動的高程放大作用。必要時，可在爆源與被保護(hù)物之間開挖減振溝。類似的研究成果還有文獻(xiàn)[11-14]。

當(dāng)爆破振動監(jiān)測點高程高于爆源中心高程時，被稱為正高差，反之則被稱為負(fù)高差。目前關(guān)于爆破振動作用下邊坡的動態(tài)響應(yīng)及周圍建筑物安全性的研究較多，但主要集中于正高差和高程放大方面，一些學(xué)者通過現(xiàn)場監(jiān)測實測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，負(fù)高差地形也出現(xiàn)明顯的振動放大效應(yīng)。而對于負(fù)高差地形下爆破振動波的傳播規(guī)律研究還相對較少[15-18]。鑒于此，筆者擬在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合廣東陸豐核電站觀景平臺第一階邊坡臺階爆破工程，探討負(fù)高差地形下爆破振動波的傳播規(guī)律，為負(fù)高差地形下爆破工程設(shè)計和臨近建筑物的振動監(jiān)測提供依據(jù)與參考。

1 爆破振動監(jiān)測與分析

1.1 工程概況

陸豐核電站位于廣東省陸豐市碣石鎮(zhèn)以南沿海的半島上，以丘陵剝蝕地貌為主。核電站觀景平臺爆破工程是核電場平二期爆破工程的一部分，站內(nèi)場地標(biāo)高14.8 m。擬爆破出觀景平臺長500 m，分兩個邊坡，第一階邊坡高24.8 m，第二階邊坡高30 m。觀景平臺周圍存在3個重要建筑物，分別為新燈塔、2號CC井以及泥水處理系統(tǒng)，其中泥水處理系統(tǒng)與2號CC井與場地標(biāo)高一致為14.8 m，新燈塔標(biāo)高為30 m，邊坡位置如圖1所示。

圖1 邊坡位置Fig.1 Slope position

在觀景平臺第一階邊坡爆破施工中，存在3個爆破類型，分別為孤石爆破、找平爆破以及臺階爆破。隨著爆破工程的不斷推進(jìn)，在臺階爆破類型中，共分為3個爆破區(qū)高程，分別為24.8、25.8、26.8 m，爆源中心高程相對于標(biāo)高為14.8 m的場地，分別為4、5、6 m。根據(jù)工程安全規(guī)定，在進(jìn)行觀景平臺爆破工程時，務(wù)必要保證周邊建筑物的安全。在觀景平臺爆破過程中，泥水處理系統(tǒng)距離爆區(qū)最近，距最近的爆源僅為55.8 m，爆破工程對泥水處理系統(tǒng)影響較大，故選取泥水處理系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。2號CC井和新燈塔的建筑物結(jié)構(gòu)和泥水處理系統(tǒng)均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在爆破過程中，相較于孤石與找平爆破，臺階爆破的最大單響藥量最大。若能保證在臺階爆破中不同爆破區(qū)高程下泥水處理系統(tǒng)的安全，2號CC井與新燈塔必然也安全。

1.2 現(xiàn)場振動監(jiān)測

為確保爆破過程中周邊建筑物的安全與穩(wěn)定，根據(jù)工程實際情況，在泥水處理系統(tǒng)、2號CC井和新燈塔處各布置一個測點。測振儀器選用中科測控生產(chǎn)的TC-4850爆破測振儀。使用時，用石膏粉將其固定在平坦區(qū)域，監(jiān)測水平徑向、水平切向和垂直向的振動速度。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，所有儀器測振前均經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)。測點布置及監(jiān)測儀器如圖2所示。泥水處理系統(tǒng)爆破振動部分監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

圖2 爆破振動測點布置及監(jiān)測儀器Fig.2 Layout of blasting vibration velocity measuring point and monitoring instruments

表1 爆破振動部分監(jiān)測結(jié)果

在工程爆破實際中，為保證爆破過程中泥水處理系統(tǒng)的安全，每次進(jìn)行爆破前都要對泥水處理系統(tǒng)的振動速度進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測值采用的計算公式來自于規(guī)范[19]：

(1)

式中：Q為一次起爆最大段藥量，kg；R為被保護(hù)對象至爆源中心的距離，即爆源距，m；v為被保護(hù)對象允許的振動速度，cm/s；K、α分別為爆破振動波衰減系數(shù)與衰減指數(shù)，取K=350、α=2。

由表1可以看出，有時振動監(jiān)測實測值達(dá)到估算值的2～3倍，二者相差較大，出現(xiàn)這現(xiàn)象的主要原因是爆破振動速度預(yù)測公式中，相關(guān)參數(shù)沒有經(jīng)過現(xiàn)場回歸分析確定。由于爆破振動受地形地貌、巖石性質(zhì)及裝藥方式等諸多不確定因素影響，在實際爆破工程振動監(jiān)測中，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析特定場地的振動衰減規(guī)律及每次爆破中的允許藥量。

在邊坡臺階爆破過程中，爆源區(qū)與測點之間存在高程差，如果不考慮監(jiān)測點與爆破區(qū)之間的高差影響，依然用式(1)預(yù)測爆破振動速度，將導(dǎo)致預(yù)測值與實測值相差較大。因此，為保證爆破工程的安全順利實施，急需通過對現(xiàn)場爆破振動實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定其場地衰減規(guī)律。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 回歸分析

在平坦地形下，式(1)已被證實準(zhǔn)確度較高。選取爆破區(qū)高程為14.8 m(相對于標(biāo)高為14.8 m的場地來說，無高程差影響)的8組監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示，將Q1/3/R定義為比例藥量，分別從3個方向上對14.8 m標(biāo)高爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析(見圖3)。

表2 14.8 m爆破監(jiān)測結(jié)果

圖3 回歸分析Fig.3 Regression analysis

通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，在3個方向上的回歸分析曲線中，其相關(guān)系數(shù)R分別為0.907 9、0.927 2、0.953 9。相較于垂直向回歸分析曲線，水平徑向與水平切向回歸分析相關(guān)性較低。在爆破工程振動監(jiān)測中，人們更關(guān)注水平向峰值振動速度和垂直向峰值振動速度，其中水平向振動速度為水平徑向與水平切向振動速度的最大值。為使該次回歸分析更貼合工程實際，將水平徑向和水平切向的振動速度進(jìn)行比較，取其最大值作為水平向振動速度峰值，并對其進(jìn)行回歸分析，得到該場地爆破振動衰減規(guī)律(見圖4)。水平向峰值速度進(jìn)行回歸的相關(guān)系數(shù)R為0.960 2，高于對單個方向進(jìn)行回歸的系數(shù)，這表明，將水平徑向與水平切向峰值速度進(jìn)行比較，取其最大值進(jìn)行回歸分析更能代表該場地爆破振動衰減規(guī)律，由此可得到該場地振動速度公式：

圖4 振動衰減規(guī)律Fig.4 Attenuation law of vibration

(2)

(3)

式中：vH為水平向振動速度；vV為垂直向振動速度，cm/s。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

陸豐核電站觀景平臺第一階邊坡共計爆破66次，相關(guān)爆破參數(shù)及監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計分別如表3、表4所示。

表3 第一階邊坡爆破參數(shù)統(tǒng)計

表4 第一階邊坡爆破振動監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計

為分析爆源與監(jiān)測點的負(fù)高差對爆破振動產(chǎn)生的影響，將觀景平臺第一階邊坡臺階爆破的振動實測數(shù)據(jù)與同爆源距、同最大段藥量無高程差下爆破的計算結(jié)果(使用式(2)和式(3)得出計算值)進(jìn)行比較，限于篇幅，只給出部分比較結(jié)果(見表5)。在工程實際中，每次爆破的爆源中心到監(jiān)測點的爆源距不同，爆破的炸藥量也不相同。為方便進(jìn)行比較，以比例藥量作為橫坐標(biāo)，峰值速度實測值和峰值速度計算值作為縱坐標(biāo)，不同高差下峰值速度對比如圖5所示。

表5 部分監(jiān)測結(jié)果比較

圖5 不同高差下峰值速度對比Fig.5 Comparison of peak velocity under different height difference

由圖5可以看出，相較于平整地形下峰值振動速度的計算值，當(dāng)監(jiān)測點與爆源之間的高程差為負(fù)時，監(jiān)測點水平方向上的振動速度出現(xiàn)放大效應(yīng)，并且這種放大效應(yīng)并不是一直存在。而在垂直方向上，峰值振動速度整體上沒有表現(xiàn)出放大效應(yīng)，且在比例藥量相同的情況下，垂直向振動速度實測值小于振動速度計算值。這表明，相較于平整地形，負(fù)高差地形的存在阻礙了爆破振動波在垂直方向上的傳播，使其在垂直方向上的振動速度降低。

為分析負(fù)高差地形中放大效應(yīng)的影響因素，將“(實測值—計算值)/計算值”定義為“影響系數(shù)，影響系數(shù)為正為放大效應(yīng)，為負(fù)則為衰減效應(yīng)。以影響系數(shù)作為縱坐標(biāo)，比例藥量和爆源距作為橫坐標(biāo)，分析其二者關(guān)系(見圖6)。由于負(fù)高差地形中的放大效應(yīng)只在水平方向上出現(xiàn)，故只取水平向振動速度峰值進(jìn)行分析。

圖6 影響系數(shù)與比例藥量和爆源距的關(guān)系Fig.6 Relation between the influence coefficient and the proportional charge,the detonation source distance

由圖6可知，負(fù)高差地形中，放大效應(yīng)是局部出現(xiàn)。隨著比例藥量的不斷增加，放大效應(yīng)過渡為衰減效應(yīng)。將圖a中影響系數(shù)由正到負(fù)的點(即水平向峰值速度即不放大也不衰減的過渡點)稱為”原位點”，隨著高程差的不斷增大，原位點對應(yīng)的比例藥量也隨之增大。由圖6b可知，負(fù)高差地形中出現(xiàn)的放大效應(yīng)多集中在爆源距范圍在200～300 m之間，這表明該放大效應(yīng)與爆源距有關(guān)。

3 負(fù)高差地形放大機理研究

值得注意的是，在現(xiàn)場爆破工程振動監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，負(fù)高差地形中存在的局部放大效應(yīng)只存在于臺階爆破中。對于找平爆破和孤石爆破并未發(fā)現(xiàn)高程放大效應(yīng)的存在，同樣將孤石和找平爆破中的振動實測值與計算值(使用式(2)和式(3)得出計算值)進(jìn)行比較(見圖7)。

圖7 孤石/找平爆破峰值速度對比Fig.7 Comparison of peak velocity of rock,screed blasting

可以發(fā)現(xiàn)，相較于負(fù)高差下的臺階爆破，找平爆破和孤石爆破中并未發(fā)現(xiàn)爆破振動速度的放大效應(yīng)，無論是水平向和垂直向均表現(xiàn)為衰減效應(yīng)。從爆破參數(shù)統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，相較于臺階爆破，找平爆破與孤石爆破中炮孔深度較小。觀景平臺中第一階邊坡高度為10 m，臺階爆破中不同高程下爆破深度均大于10 m，而找平爆破和孤石爆破中爆破土石方量相對較小，炮孔較淺，均小于10 m，低于邊坡高度。從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及觀景平臺邊坡地形分析，可得出：當(dāng)炮孔深度小于邊坡高度時，邊坡坡面阻礙了爆破振動波的傳播，使爆破振動波出現(xiàn)衰減。

針對現(xiàn)場實測負(fù)高差振動放大和衰減現(xiàn)象進(jìn)行分析，負(fù)高差地形出現(xiàn)的局部振動放大效應(yīng)，其產(chǎn)生原因可歸結(jié)為波的繞射疊加。在負(fù)高差邊坡爆破工程中，爆破振動波傳播經(jīng)過邊坡坡腳這個突變點時，會發(fā)生波的繞射，可將邊坡坡腳視為一個新振源，向周圍發(fā)射面波，這種現(xiàn)象在地震上稱為波的狹義繞射[15]。在一定爆源距范圍內(nèi)，監(jiān)測點處受到爆源傳來的體波及新振源傳來的面波的共同影響，導(dǎo)致其動力響應(yīng)加大。

然而，在爆破現(xiàn)場振動監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，負(fù)高差爆破工程中炮孔的長度L與坡的高度H之間的大小關(guān)系對爆破振動波的傳播影響較大。相關(guān)文獻(xiàn)沒有考慮二者的大小關(guān)系，將負(fù)高差地形中出現(xiàn)的爆破振動局部放大現(xiàn)象簡單歸結(jié)于波的疊加，這并不合理。爆破振動波傳播如圖8所示。

圖8 爆破振動波傳播Fig.8 Blasting vibration wave propagation

在圖8a中，炮孔深度L大于邊坡高度H，當(dāng)炮孔起爆后，A點受到爆區(qū)傳來的體波w1的影響，爆區(qū)產(chǎn)生的振動波在經(jīng)過突變點A時會發(fā)生波的繞射，可將A點視為一個新振源，向周圍發(fā)射面波。由于體波的傳播速度大于面波，故在距爆區(qū)一定距離范圍內(nèi)，B監(jiān)測點受到來自A點的面波w3，以及來自爆區(qū)的體波w2的共同影響，導(dǎo)致B監(jiān)測點的水平向振動速度出現(xiàn)放大；另外，炮孔部分裝藥低于B監(jiān)測點，存在高程放大效應(yīng)，高程放大效應(yīng)與波的疊加相互作用使測點振動加劇。當(dāng)超出某一范圍后，爆破振動速度受爆區(qū)傳來的體波影響較大，且高程放大效應(yīng)不明顯，此時表現(xiàn)為衰減效應(yīng)。在陸豐核電站觀景平臺第一階邊坡臺階爆破參數(shù)中，炮孔的深度L大于邊坡的高度H，這是現(xiàn)場振動監(jiān)測中水平向峰值振動速度出現(xiàn)局部放大效應(yīng)的原因。

在圖8b中，當(dāng)炮孔深度L小于邊坡高度H時，邊坡地形相當(dāng)于一個溝槽，并且溝的深度大于炮孔的長度，邊坡坡面對爆破振動波的傳播起到阻礙作用。當(dāng)炮孔起爆后，邊坡坡面受到爆區(qū)傳來的爆破振動波w4的影響，w4在坡面處發(fā)生反射，入射波和反射波疊加使坡面處的振動加強。同時，坡面阻礙了爆區(qū)傳來的振動波的傳播。A點受到爆區(qū)傳來的體波w5的影響，w5在A點發(fā)生繞射，同樣將A點視為一個新振源，監(jiān)測點B的振動主要受到突變點A點傳來的面波w6的影響。在這種情況下，負(fù)高差地形對爆破振動波的傳播影響整體上表現(xiàn)為衰減效應(yīng)。

4 結(jié)論

1)現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測表明，平坦地形下采用規(guī)范推薦公式進(jìn)行振動分析，相關(guān)系數(shù)較高，能較好表達(dá)場地爆破振動衰減規(guī)律。但在負(fù)高差地形下，爆破振動與炮孔深度及邊坡高度有關(guān)，不宜采用規(guī)范推薦公式進(jìn)行振動分析。

2)在負(fù)高差地形中，峰值振動速度總體上表現(xiàn)為衰減效應(yīng)，局部出現(xiàn)放大，且局部放大效應(yīng)多出現(xiàn)在水平方向上，在垂直方向上峰值振動速度整體表現(xiàn)出衰減效應(yīng)。

3)負(fù)高差邊坡爆破，炮孔深度L與邊坡高度H之間的大小關(guān)系對爆破振動波的傳播影響較大。當(dāng)L>H時，炮孔部分裝藥低于測點，產(chǎn)生高程放大效應(yīng)。該放大效應(yīng)與地形對爆破振動波的疊加相互作用，致使爆破峰值振動速度出現(xiàn)局部放大、整體衰減現(xiàn)象；當(dāng)L

致謝：感謝惠州中特爆破有限公司張東海爆破監(jiān)理以及中建二局基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)有限公司鄧成松職工提供的有關(guān)資料。