于建新，陳 晨，沈康威，李明桂，徐鵬飛，郭 敏

(1.河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454003；2.河南工業(yè)大學 土木建筑學院，河南 鄭州 450001；3.中建二局第二建筑工程有限公司，河南 鄭州 450000)

凍結法鑿井是目前我國立井特殊施工的首選技術[1]。凍結立井進行爆破開挖時，會對凍結壁、凍結管、井壁產生振動危害，必須采取一定的措施，以保證安全施工[2，3]?？虏傻萚4]通過模型試驗得到炸藥在粘性凍土中爆炸后，在凍土中將依次形成凍土爆融層、壓密層、微裂隙區(qū)、破碎區(qū)、塑變區(qū)、震動區(qū)，區(qū)域之間既有界限又不可完全分開，其范圍的大小主要取決于土體溫度、含水率、土質及炸藥特性等。種玉配[5]通過ANSYS/LS-DYNA研究了不同溫度下(-10℃、-15℃、-20℃和-30℃)凍結管對爆炸作用的振動響應規(guī)律，隨著凍結溫度的不斷降低，徑向振動速度和切向振動速度不斷降低。單仁亮[6]研究發(fā)現(xiàn)凍結巖壁測點爆破振動能量主要分布在0～1000Hz頻率范圍內以及0～0.1s時間范圍內，且在頻率軸、時間軸方向均表現(xiàn)出劇烈的波動衰減規(guī)律，但總體上隨時間呈現(xiàn)出高頻部分衰減快、低頻部分衰減慢的特征。楊仁樹[7]得到相對于地面爆破，立井爆破振動主頻普遍較高，并且有多個主頻峰值，第1主頻通常在150Hz左右。隨著頻率的增大，特征頻段數(shù)量減少。楊計先[8]利用Hilbert譜揭示了爆破信號能量隨時間和頻率的分布變化特征，立井爆破振動能量大體位于0～1000Hz頻率區(qū)間，主要位于200Hz范圍內。能量在時頻平面上呈現(xiàn)區(qū)域集中的特點，主分量的頻率較高，這對井壁結構支護體是有利的。馬芹永[9-11]等研究發(fā)現(xiàn)：人工凍土爆破因炸藥受凍時間短，可選用巖石水膠炸藥和硝銨炸藥，豎井內工作面空氣溫度-5℃的負溫情況下使用硝銨炸藥沒有發(fā)生不爆現(xiàn)象。馬芹永[12]通過立井井筒模型爆破試驗得出井筒凍結段爆破產生的振動徑向振動速度較垂向振動速度大；建立并得到徑向振動速度與等效裝藥量、等效水平距離和高差之間的預測方程系數(shù)。傅洪賢[13]等發(fā)現(xiàn)凍土溫度變化不大時，凍土強度由凍土類型(主要指粒度)、總含水率、密度和波速等指標確定，建議用ρCW/D50來表示凍土爆破特性，該值越大表示凍土越難爆破。付曉強[14]等采用數(shù)值模擬方法建立合理的物理模型，施加等效載荷實現(xiàn)了立井爆破凍結管的響應振速特征提取。該團隊在文獻[15，16]中研究得出MF-DFA 譜圖及其相關參數(shù)可以表征立井不同爆破方案下井壁振動響應狀態(tài)特征，通過井壁傳感器預埋爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)，準確獲取井壁振動信號，TQWT算法實現(xiàn)了特征信號與趨勢項、高頻雜波分量的有效分離。

在立井凍結黏土爆破施工中，目前還沒有相關的規(guī)范或標準來對爆破產生的振動提出規(guī)范化的要求。凍結法施工條件下的凍土，與天然凍土的性質存在不同，深厚表土層地應力大，爆破自由面少，凍土爆破對井壁的影響大，井筒材料為相對密實的鋼筋混凝土結構，對振動起到一定的抑制作用[13]。研究凍土爆破過程中應力波在井筒周圍的傳播規(guī)律，進而優(yōu)化爆破參數(shù)，同時可以科學地組織混凝土井壁的施工，加快施工進度，保證工程安全。

1 試驗準備

1.1 模型設計

現(xiàn)場立井凈空直徑6m，外層井壁厚度2m，取幾何相似比例為50，則直徑為200mm。根據(jù)動力原則，模型尺寸至少為開挖空間的3～5倍，凍土模型直徑600mm，高度取600mm。采用自制模具制作凍土模型，模型裝置分4部分，上下底板、左右半桶，上下底板由4個螺栓固定，左右筒體由6個螺栓固定，底板、頂蓋外徑700mm，底盤設置4個鋼管支腿(直徑32mm，長度150mm)。頂蓋預留直徑200mm的孔洞，便于挖土，形成井筒，桶體外徑630mm，壁厚15mm，內徑600mm，兩側半桶各有一個圓環(huán)提手，便于起吊，如圖 1所示。

圖1 凍土爆破模型試驗裝置

1.2 模型制作

模型試驗用現(xiàn)場土，采用原狀土進行凍結保證了材料的密度、彈性模量、抗壓強度與現(xiàn)場基本相同。立井模型周圍的土體分別配制10%、15%含水率的土體，從現(xiàn)場取土進行烘干，測量原始土體中含水率見表1。

表1 土體含水率測定

為配置含水率不同的土，采用環(huán)刀法測試土的密度，為2.2g/cm3。配置過程中，在攪拌的土體中加水，使其達到設計的含水率。為保證加水的均勻性，采用礦泉水瓶噴淋的方式對土體進行均勻噴灑，并實時進行土體的攪拌。

將模具放入冷凍室進行分層土體裝填，形成半徑為300mm，高600mm的凍土模型，內部留有半徑100mm，深200mm的孔洞模擬井筒。對圓桶模具進行裝填時，首先在井壁四周鋪設塑料袋，防止凍結過程中內部水體流出，影響土的含水率。在井筒土中埋設溫度計，內部和表面各1個進行溫度的測量。采用分層壓實進行土體的填充，每次填充50mm進行壓實，由于10%含水率的土體黏度較小，最終填充完畢后密度為1.81g/cm3。15%含水率筒體黏度較大，易于壓實，最終壓實密度在2g/cm3。模型的實際土體壓實及儀器埋置情況如圖2所示。

圖2 不同土體含水率模型的制作與傳感器布置

1.3 凍 結

裝填完畢后，將上部鐵蓋蓋住，防止土體凍脹后自由膨脹。然后放入冷凍室進行低溫凍結，將溫度設置為-20～-15℃。制冷設備主要包含制冷方倉(ZLFC-DZ)、控檢系統(tǒng)(KJXT-DZ)。為了保證土體內部溫度一致，將凍結溫度保持在-20℃共計9d。

2 試驗過程

運輸以及爆破過程中采用棉被包裹模型裝置，并對溫度進行監(jiān)測，保證試驗過程中凍土模型始終處于低溫狀態(tài)。模型試驗按照相似比1∶50推算出掏槽孔布置參數(shù)為：炮孔直徑db=1～2mm，孔深Lb=6mm，實際操作過程中，裝藥及鉆眼較為困難，取模型炮眼直徑db=6mm，學者宗琦[18]通過包括爆破漏斗實驗在內的掏槽實驗證明當炮眼的長徑比較大(Lb/db>10)，特別是采用空氣墊層裝藥結構時，對試驗結果影響不大。采用自制鉆頭造孔，打孔深度為70mm。爆源采用8號數(shù)碼電子雷管模擬，減小了試驗的危險性。爆破振動分別采用TC-4850振動測試儀進行數(shù)據(jù)的采集。

3 試驗結果分析

在凍結溫度為-15℃時進行爆破，分析10%含水率和15%含水率的爆破效果。以孔底為原點，ABCFG分別距離掌子面的垂直距離為-30cm、-20cm、-10cm、0cm、10cm，以未開挖側為負，開挖側為正。測振儀器采用成都中科測控TC-4850爆破測振儀，并配備X、Y、Z三向一體速度傳感器，其量程為自適應量程，最大35cm/s，選擇負延時100ms，記錄時長1s，采樣頻率16kSPS。并從井筒底部由下到上螺旋布置傳感器，ABCFG五個傳感器距離井筒中心20cm，螺旋垂直布置，相鄰之間間距10cm，CDE由C點向井筒中心布置，同一水平面間距5cm布置，X方向為立井徑向，Y方向為立井切向，Z方向為立井垂向，傳感器布置情況如圖3所示。

圖3 單孔爆破及傳感器布置(mm)

3.1 單孔爆破對比分析

根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，由于爆破過程中A點(-30cm處)傳感器連接問題導致VZ數(shù)據(jù)缺失，單孔爆破各測點振動速度VX、VY、VZ三個分量的峰值振速隨距離的傳播衰減規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同含水率單孔爆破振動速度衰減

對比研究不同含水率的凍土振動速度衰減曲線，直觀反映出10%含水率凍土爆破振動速約為15%含水率凍土爆破振速的3倍。究其原因是，含水率為15%的凍土波抗阻大于10%的凍土。當雷管爆破后，含水率為15%的凍土中應力波的傳播需要克服較大的阻力，傳播過程中能量消耗的大，高含水率的凍土爆破振動衰減的較快，振動速度較小。含水率為10%的凍土整體密度較小，內部自由面多，爆破后雷管能量在傳播中較為容易充分釋放，造成井筒內各測點振動速度較大。觀察圖4(a)中三個方向振動速度可以明顯發(fā)現(xiàn)VX>VZ>VY的規(guī)律，在圖4(b)中，距掌子面-20～-10cm范圍內也有此類規(guī)律。該規(guī)律反映出在立井爆破掌子面一定距離內，爆破徑向振動速度明顯在各向振動速度中占主導，側面反映了凍土爆破時爆炸應力波主要由雷管處向四周徑向傳播。圖4(a)中可以看出，在掌子面前方10cm的未開挖處，VX、VY的速度最大并且向兩邊逐漸遞減。圖4(b)中VX也呈現(xiàn)出向兩側振速逐漸減小，但VY、VZ呈現(xiàn)不同的振動衰減規(guī)律，向掌子面后方已開挖側逐漸增大。

3.2 多孔爆破對比分析

由于雙孔爆破建立于單孔爆破的基礎上，在清理單孔爆破產生的殘碎凍土重新在距井中心3cm兩處打相同孔徑孔深的孔后，傳感器距離掌子面的位置產生了變化。根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，模型多孔爆破各測點振動速度X、Y、Z三個分量的峰值振速隨距離的傳播衰減規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同含水率雙孔爆破振動衰減

觀察雙孔爆破時振速變化發(fā)現(xiàn)含水率為10%的凍土振動速度大于含水率為15%的振動速度，兩者的爆破振動衰減規(guī)律不盡相同。含水率為10%凍土的振動速度在掌子面-4cm附近三向振動速度較小，而向兩側振動速度逐漸增大，該規(guī)律在VX、VZ表現(xiàn)明顯，VY則變化不大。該規(guī)律產生的原因為初次單孔爆破時將掌子面以下4cm處爆破成了空洞，再次進行雙孔爆破時產生的振動較小。含水率為15%凍土的振動速度傳播較為復雜，VX由掌子面向未開挖處振動速度逐漸增大，在距離-14cm處又減??；VZ在距掌子面-4cm附近振動速度最大，然后向開挖和未開挖兩側衰減；VZ在掌子面附近振動速度較小，但在距離掌子面24cm處振動速度突然增大，探究其原因可初步判斷為模具底板應力波的反射及折射作用。

3.3 單孔與多孔爆破的對比分析

多孔爆破建立于單孔爆破的基礎上，在清理單孔爆破產生的殘碎凍土重新在井中心對角線10cm正方形四頂點處打相同孔徑孔深是的孔，過后對傳感器相對于掌子面的位置進行了更新。并選擇含水率為10%的立井凍土模型，對不同爆破方案下的試驗數(shù)據(jù)進行分析，如圖6所示。

圖6 相同含水率不同爆破方案下的振動規(guī)律

從圖6中可以看出，當將炮孔數(shù)量增加到4個時，隨炮孔藥量的增多爆破振動速度明顯增大。采取單孔爆破，明顯觀測出立井已開挖側測點振動速度小于未開挖側。其因為為已開挖側爆炸應力波順著立井井筒傳遞出去，然而未開挖存在密實土體，則產生的能量繼續(xù)作用于土體，最終導致相關位置測點振動速度偏大。同理可知采取四孔爆破掌子面兩側振速差異原因。但是四孔爆破不同于單孔爆破，其存在中空孔，并通過中空孔將爆破能量充分釋放，在掌子面兩段振動速度變化較小于單孔。再次從整體來看，同樣因為中空孔的存在，增加了自由面，而自由面附近的凍土既受到入射壓縮應力波的壓應力作用，又同時受到反射拉伸波的拉應力作用[19]。兩種應力波的合成應力為拉應力，在自由面附近產生應力集中，使凍土處于受拉狀態(tài)。當合成拉應力達到凍土的動態(tài)抗拉強度時，凍土被拉斷而破碎，從而改善爆破效果[20]。

4 結 論

1)單孔爆破時，含水率為10%的凍土振速較大約為含水率為15%的凍土振速的3倍，反映出單孔爆破時含水率的提高會一定程度上影響到振速的增加。并且各方向振動速度呈現(xiàn)出VX>VZ>VY的規(guī)律，側面反映了凍土爆破時爆炸應力波主要由雷管處向四周徑向傳播。

2)雙孔爆破時，10%含水率的振動速度在掌子面以下10cm附近三向振動速度較小，VX、VZ振速向兩段振動速度逐漸增大，VY振速變化不大。15%含水率振動速度傳播較為復雜，VX由掌子面向未開挖處振動速度逐漸增大，在距離-20cm處又減小。相對于單孔兩種含水率振速差異大，雙孔爆破含水率不同帶來的影響較小。

3)相同含水率的情況下，隨著炮孔藥量的增多，爆破振動速度明顯增大。立井已開挖側測點振動速度明顯小于未開挖側，表明已開挖側爆炸應力波順著立井井筒傳遞出去。四孔爆破由于中空孔存在，爆破能量充分釋放，在掌子面兩段振動速度變化小于單孔，其爆破效果優(yōu)于單孔爆破。