市内复杂环境下大药量爆破降振及振动监测分析的研究

蒋耀港，沈兆武，杨昌德

(1.中国科学技术大学 近代力学系，合肥 230027;2.湖南南岭奥瑞凯公司，湖南 岳阳 414517)

1 工程概况

合肥市某花园综合楼在地基与地下车库开挖时发现坚硬岩石，需要采用爆破法开挖。待爆破的岩石区域位于花园小区内，临近有主干道、小学、中学、在建高楼、住宅区等，具体环境如图1所示。待爆破岩石区域根据开挖性质不同及工程需要分为1区和2区，1区为小面积爆破开挖，通过1区爆破情况检验2区大面积爆破参数设计的合理性，本文主要讨论2区大爆破降振技术及振动信号分析，2区开挖尺寸为长85 m×宽65 m×深(4～6)m。

2 爆破总体方案

2区属于低洼地带，其水平高度比周围低(1～2)m，地面走势为东低西高、北低南高。2区爆破主要有三个难点:① 环境复杂，爆破区域位于市内，周边建筑林立(有小学、中学、居民区、已建高层建筑等)，且紧邻主干道;② 爆破区域属于低洼地带，平均水平高度比周围低1 m－2 m，且爆破为地下开挖爆破，这不利于爆破振动控制;③爆破一次用药量大(约5 t炸药)。为了避免造成周围建筑的损伤，需要严格控制爆破振动危害，根据实际情况，决定采用台阶式微差松动大爆破技术。

2.1 爆破参数设计［1］

2区爆破钻孔采用潜孔钻，钻头直径φ90mm;孔距a=3 m;排距b=2.7 m;根据实际情况孔深l=(2～6)m(边上一排孔由于边坡需要，炮孔深度取2 m，其它根据实际开挖深度而定);根据1区开挖情况，装药系数取0.2kg/m3，即每孔装药量约为8.1kg;装药方式采用分层不耦合间隔装药，中间用饱和细沙间隔，上面用饱和细沙堵塞。

2.2 起爆网路设计

为了减少爆破产生的振动对周边建筑结构的危害，2区爆破采用孔间微差爆破技术，孔内大延期，孔外小延期。同时为了方便施工人员操作，2区爆破只用3种类别雷管，分别为MS3、MS12、MS15，孔内采用MS15段雷管，孔外排与排之间(主网路)采用MS12连接，传爆方向由东向西，各炮孔之间(分支网路)采用MS3连接，传爆方向由中心向两边，起爆点设置在东面中心处。

3 降震措施

爆破产生的应力波在介质中传播时，由于介质黏性等，使得应力波不断衰减，最后形成弹性波，弹性波在介质中传播所引起的质点振动就叫爆破振动，爆破振动一般是在150倍药包半径以外的区域［2］，由于弹性波本身的特性，爆破振动区域范围很大。爆破振动受最大一次起爆药量［1］、传播距离、介质特性(黏性、含水率等)、地质条件等影响，由萨道夫斯基公式表示:

由式(1)可知:爆破振动随着折合距离的增加而减小，而折合距离则随着一次齐发药量的增加而减小，随着测点距爆源的距离增大而增大。因此为了确保本次爆破产生的振动不会对周边临近建筑造成损伤影响，主要采用以下措施:

(1)合理布置孔眼参数。爆破区域中心地带离被保护建筑较远，在确保爆破效果的基础上适当调大孔眼参数，提高施工效率;边缘地带离被保护建筑较近，因此多打孔，少装药，减少单孔总装药量，增大折合距离。本次爆破总共打眼670个，单孔装药量约为8kg。

(2)分层间隔装药。由于岩石存在层理、节理、裂缝等，采用分层间隔装药技术，可以提高炸药能量的利用率［3］，提高施工效率，从而减小爆破振动;同时采用分层间隔装药，使得炮孔内的炸药所产生的爆破振动不可能同时、同向的作用于一点，必然存在时间和相位上的差异，从而减小爆破振动的叠加。

(3)优化爆破网路。分支网路由中心向两端起爆，这样尽管增大了一次齐发药量，但两端药包爆破由于中间区域的提前爆破使得爆破振动在炮孔连线方向叠加较弱，而轴线方向叠加增大，但是根据地形条件主爆网路采用由东向西起爆，东边地势较低，开挖深度较小，因此装药量较少，而西边距离被保护建筑较远，因此轴线方向的叠加也在可承受范围内。

(4)采用微差爆破技术，减少最大一段起爆药量，实现单孔单爆，从而减小爆破产生的振动。根据兰格福尔(Langefors)［4］提出的最佳分段微差间隔时间τ=T/2(T为振动周期)作为降振效果最佳的理论依据，考虑以往爆破振动监测的主频分析与周围建筑物的固有频率(防止共振)，选取地震动频率为10Hz，因此τ为50 ms，恰好对应MS3段雷管，因此孔间延时采用MS3段。

(5)就地取材，根据何广沂教授对露天深孔水压爆破研究可知［5］，装药时对炮孔充水爆破，可以提高炸药能量的利用率，减少转换为地震波的能量。由于工地连续下雨，待爆破岩石中含水量呈饱和状态，由Biot喷射流效应可知［6］，地震波在介质中传播时，黏性损耗增大，从而减少了爆破地震波对周边建筑结构的损伤。

4 爆破效果

本次市内大爆破总共打孔670个，总装药量5 t，于2009年12月13号15时成功爆破实施。爆后通过电视台近场摄像头发现整个爆区在爆破时呈有规则的鼓包运动;据小区居民反映东面住宅小区内五层有一户人家的壁灯掉下摔坏;后续挖掘施工表明本次爆破松动效果明显，但是有个别地区由于孔眼间距较大、装药量较少、底部岩石较硬，出现了少量留根现象。

5 振动监测分析总结

为了对本次市内大爆破的爆破振动进行定量分析，采用成都中科测控提供的TC3850和TC4850爆破振动仪对爆破振动进行实时监控，并配合计算机对爆破振动数据进行分析处理。根据地形条件，爆破振动传感器采用速凝水泥与地面胶结，为了确保所测数据的真实性，探针需粘结牢固。

为了全面的监测本次市内大爆破对周边建筑的影响，特别是对高楼建筑的影响，本次爆破振动监测共设置6个测点，每个测点都监测3个方向振动速度，其中:住宅区、中学、小学各布置一个测点，采用TC3850爆破振动仪，在建高层建筑布置三个测点，分别设置在底层，中间层和顶层，采用TC4850爆破振动仪。测点布置见表1、图1所示。

对各测点数据进行简单分析处理，所得测点处爆破振动三要素:峰值、主频和振动持时，如表2所示。为了更直观的比较高楼对爆破振动的动态响应和横向与轴向的振动叠加效应，特选取具有代表性的1、2、3、4、5、6测点竖直向振动波形图进行分析，如图3所示。

为了同时从时频域的角度分析 1、2、3、4、5、6 测点竖直向振动，选取常用于爆破振动分析的db 8小波，根据仪器的采样频率为4000Hz(则Nyquist频率为2 K)，采用小波包分析方法把上述波形分解到第9层，因此总共有29个子频带，频带宽度为3.90625Hz。

表2 测点处质点爆破振动三要素Tab.2 Blasting vibration three elements of the particles in monitoring points

图 3 测点 1、2、3、4、5、6 处竖直向振动波形Fig.3 The vertical vibration wave of No.1，2，3，4，5，and 6 particles in monitoring points

图4 各测点竖直向振动信号频带能量图Fig.4 Frequency band energy of vertical particle vibration signal in monitoring points

表3 各测点竖直向振动信号总能量Tab.3 The total energy of the vertical particle vibration signal in monitoring points

根据信号的Parseval定理可得:

其中:F(t)表示爆破振动信号;E9，j(t)表示第9层第j个子频带的能量，可用式(4)表示:

其中:Xj，k表示第9层第j个子频带的各离散点幅值。

各测点竖直向总能量如表3，频带能量如图4所示及各频带能量占总能量的百分比如表4所示［8－9］，由于本次爆破振动能量主要集中在0Hz－150Hz范围内，因此图4与表4中频率只取到150Hz。

爆破振动对周边建筑是否产生影响主要由三要素决定:爆破振动主频、爆破振动峰值以及爆破持续时间。由表2可以看出:各个测点各向的爆破振动主频主要在8－28Hz范围内，也即爆破能量主要集中在低频区域，这与建筑结构的固有频率相差较大(1Hz左右)，不会引起结构的共振响应;各个测点各向爆破振动峰值速度小于1 cm/s，低于国家标准规定的安全振动速度 3.5 cm/s～ 4.5 cm/s［10］，因此本次市内大爆破对周边结构没有影响;由于是大面积微差爆破，因此爆破的总时间比较长，达到17.8 s，这也可以从一个方面说明东侧居民区五层居民家的壁灯掉下来的原因。从图3中可以看出中心区域与西边区域爆破产生的爆破振动峰值较大，说明此区域的装药量较大，恰好与实际装药情况相符。(由于地势不平，东面爆破区域与水平面落差较大，开挖深度较小，装药量较少，且距离被保护建筑较近，为了防止爆破危害，适当的调小了装药量，因此一段最大起爆药量较少;而西部区域开挖深度较大，单孔装药量较多，且西部区域离被保护的建筑较远，为了提高爆破效果也适当的加大了装药量，因此一段最大起爆药量较大。)

表4 各测点频带能量百分比Tab.4 Percentage of frequency band energy of each monitoring points

对照起爆网路，由表2和图3可以看出:同等条件下，由于横向炮孔同时爆破产生的爆破振动，更有利于纵向方向振动的正向叠加，导致爆破纵向测点的振动峰值高于横向测点的振动峰值，因此纵向结构比横向结构更易遭受损伤影响。

由图4、表4可知，纵向测点频谱能量分布相对比较集中，横向测点频谱能量分布相对分散。测点1频谱能量主要集中在 7.8125Hz－11.71875Hz和15.625Hz－31.25Hz频带内，占信号总能量的26.0035%和61.3073%;测点3频谱能量主要集中在7.8125Hz－11.71875Hz和 23.4375Hz－31.25Hz频带内，占信号总能量的19.6250%和61.3073%。测点2、4、5 和 6 频谱能量主要集中在3.90625Hz－62.5Hz频带内，测点2 在 3.90625Hz－62.5Hz频带范围内能量占总能量的 95.6710%;测点 4、5、6 在 7.8125Hz－62.5Hz频带范围内能量占其各自总能量的95.2531%、95.3216%、94.8777%。

比较表2和图3中的4、5、6测点，发现质点切向和竖直向爆破振动速度随着楼层的增高而增大，特别是竖直向，顶层竖直向爆破振动峰值约为底层竖直向振动峰值的2倍。由表3、表4和图4可知:随着楼层高度增加，振动信号总响应能量增大，顶层竖直向信号响应能量约为底层竖直向信号响应能量的3倍;能量频谱分布随着楼层的增加更为集中，低频带(7.8125Hz－15.625Hz)响应能量占各自总能量的比例增大。这主要是因为随着楼层高度的增加，结构的动态响应放大系数增大所致［11］。

比较表2和表4发现:经过傅里叶变换求得的主频与经过小波包变换求得的能量主频区域有一定的误差，这主要是两种算法所导致的，傅里叶变化是分析平稳信号的理想工具，小波变换是分析非平稳信号的理想工具，而爆破振动属于非平稳信号，因此在对爆破振动信号分析求解爆破振动主频时，应采用小波分析方法。

6 结论

在复杂环境下进行爆破施工时，应注意爆破振动对建筑结构的影响，因地适宜，采取相应措施降低爆破振动，如:合理布置孔网参数、起爆网路、控制最大一段起爆药量、优化折合距离、分层间隔装药、充水爆破、挖掘减震沟、饱和爆破振动传播路径结构等。

本次爆破纵向测点振动峰值大于横向质点振动峰值，纵向测点频谱能量分布比横向测点频谱能量分布更为集中。爆破振动在高楼楼层间传播时，随着楼层的增加，竖直向振动峰值与信号能量增大，信号频谱能量分布更加集中，顶层竖直向爆破振动峰值约为底层竖直向振动峰值的2倍，顶层竖直向信号响应能量约为底层竖直向信号响应能量的3倍。

通过对本次市内复杂环境下大爆破的振动监测分析，认为以后在较复杂环境下土石方爆破施工及振动监测与处理时应特别注意以下5点:

(1)大面积爆破时，由于炮孔之间延时间隔所需导致爆破总时长增加，而爆破总时长增加对于周围建筑物的影响是不利的，因此需对爆破总时长进行控制，工程需要时可采用分次爆破，每次之间应有一定的间隔时间;

(2)由于爆破纵向比横向更有利于爆破振动的叠加，纵向结构比横向结构更易遭受爆破振动损伤的影响，因此爆破前应正确锁定被保护结构的方向和各结构的强度，防止炮孔连线的法线方向正对被保护结构的方向或结构强度最弱的方向;

(3)对爆破周围高楼建筑爆破振动核算时，应当考虑高楼楼层对爆破振动的放大效应以及高楼楼层对爆破振动的响应系数;

(4)对爆破周围高楼振动监测时，为了更客观的反应爆破振动损伤的影响，应当在高楼顶层与底层都布置监测点;

(5)对爆破振动信号进行分析求解爆破振动三要素之一的主频时，应采用小波包分析的方法，求解爆破振动响应能量最多的主频带。

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